Characterization and simulation of CIGS thin-film solar cells and interconnects

Prospects of photovoltaic solar energy have improved in the recent years, due to the aim of global actors to increase the ratio of green energy produced. In the market of photovoltaics, thin-film solar cells based on Cu(In,Ga)(Se,S)2 material, (the cells under study in this thesis do not include Sulphur, and the material is known in short as CIGS) are a well-established technology that conjugates the advantages of thin-film devices with abundant and non-toxic materials, in contrast with other thin-film technologies based on toxic cadmium and the somewhat scarce tellurium. Another promising characteristic of this technology is found in the recent achievements in efficiency that put CIGS devices on par with multi-crystalline silicon solar cells. However, this technology presents some issues regarding its performance that may disadvantage it with respect to the other well-stablished technologies. Although the efficiency of the best laboratory scale solar cell based on CIGS is now close to that of multi-crystalline Si, there is still room for improvement of absorber and interface properties; the efficiency of commercial modules is also still behind that of the best lab-scale device due to performance losses introduced by the interconnection between cells. Moreover, this material also suffers from a somewhat poorer stability against certain operation conditions that are typically found in PV installations such as light-soaking or reverse-biasing of cells due to shading for instance. The most devastating condition is known as potential induced degradation, which affects the performance dramatically and might result in warranty breaching for the manufacturer, reducing the economic attractiveness of this technology. The poorer performance and stability of CIGS technology can only be addressed with a good understanding of the electronic properties of the devices. The aim of this work is to provide knowledge on certain issues that affect the performance and stability of CIGS solar cells. The first issue is the impact of the interconnection between cells on the performance of the device. The scribing process that divides the module in cells results in three trenches (named as P1, P2 and P3) with different purposes. The first trench (P1) separates the back-contact of two adjacent cells, the second trench (P2) connects the front contact of a cell with the back-contact of the next adjacent cell and the third trench (P3) separates the front contact of two adjacent cells. Nonetheless, the P1 trench is typically filled with absorber material (CIGS), which does not provide a perfect isolation and may result in a significant shunt. The impact of the P1 shunt is studied in this thesis with 2D simulations and the characterization of devices (I-V, imaging techniques and C-V) with interconnection, considering the properties of the absorber, and an equivalent circuit model, based on a Junction Field-Effect Transistor is proposed to represent the behavior of the P1 shunt. Metastable changes in the absorber (that are typical of CIGS devices) and their impact on the P1 shunt are also discussed in the thesis. The second issue that is addressed in the thesis is Potential Induced Degradation (or PID). The results of (infrared) imaging techniques on CIGS devices affected by PID suggest that this mechanism is responsible for the enhancement of local shunts, especially in areas where a direct contact between the substrate and the absorber (CIGS) is found; an example of such a location is the P1 trench, or a scratch in the back-contact. In these locations, the strong electric field resulting from the polarization of the substrate with respect to the device (induced due to PID) penetrates in the absorber and pulls electrons towards the substrate, according to the mechanism proposed in the thesis. A strong depletion of the absorber arises from the electrons that are dragged towards the bottom; this depletion yields a weak pn junction (shunt) that reduces the open-circuit voltage and the shunt resistance of the cell. These effects are studied with I-V and C-V characterization, imaging techniques and simulation of 2D models. The third issue that is discussed in the thesis is the impact of a hole barrier at the absorber/back-contact interface that arises from the (p-type) semiconductor/metal junction (Schottky). The barrier reduces the performance of the solar cell and might also be found in the I-V curve as a “roll-over”, a saturation of the current in the forward bias regime. This saturation is more notorious in low temperature I-V curves, where the blocking of the (Schottky) back-contact barrier is enhanced. Moreover, the saturated current in the forward bias regime shows a dependence with the illumination level similar to that of a bipolar-junction phototransistor. The thesis discusses the impact of metastable changes induced by certain operation conditions (voltage biases and high temperatures) on the effect of the barrier. The barrier was also found to be affected by a barrier-lowering effect, where the height of the barrier is reduced as the strength of the electric field at the (and normal to the) back junction increases; this means that a higher absorber (p-type) doping will result in a higher barrier-lowering. Other potential barriers in CIGS solar cells, such as the electron barriers resulting from a bandgap gradient or a conduction band offset at the buffer/absorber interface due to a mismatch in the electron affinity of both, are also briefly discussed based on numerical simulations and the literature. All in all, thin-film solar cells based on CIGS technology have a strong potential as a competitor for Si-based devices in the PV market, although further research is required to improve their quality while mitigating their defects. This thesis provides useful information on some of these performance limiting issues. ----------RESUMEN---------- Las perspectivas de futuro de la energía solar fotovoltaica han mejorado en los últimos años debido al interés de diferentes actores globales de incrementar la producción de energía verde con el objetivo de reducir la emisión de gases de efecto invernadero. En el mercado de la fotovoltaica, las células solares de película fina basada en compuestos de Cu(In,Ga)(Se,S)2 (en los casos de estudio presentados en esta tesis, las muestras no incluyen azufre, el material es también conocido como CIGS abreviadamente) son una tecnología madura que combina las ventajas de los dispositivos semiconductores de película fina con el uso de materiales abundantes y no tóxicos, a diferencia de otras tecnologías como el telururo de cadmio, que requiere materiales no tan abundantes (telurio) y tóxicos (cadmio) para su fabricación. Otras características prometedoras de la tecnología basada en CIGS se encuentran en los recientes avances, que han elevado su eficiencia y la han puesto al nivel de la de las células solares basadas en silicio multi-cristalino. Sin embargo, esta tecnología también presenta ciertas desventajas frente a otras tecnologías establecidas en el mercado. Aunque la eficiencia de la mejor célula solar de CIGS desarrollada en un laboratorio esté al nivel de las de silicio multi-cristalino, aún es posible mejorar las propiedades de la capa absorbente y las interfaces de la célula; además, la eficiencia de los módulos comerciales es aún sensiblemente menor que la obtenida en células desarrolladas en un laboratorio debido a las pérdidas de eficiencia introducidas por la interconexión entre células. Asimismo, este material también adolece de una menor estabilidad frente a ciertas condiciones de operación típicas en el funcionamiento de instalaciones solares fotovoltaicas, tales como la exposición a la luz (light-soaking) o voltajes en inversa (que son el resultado de sombras que se proyectan sobre el panel solar cuando un obstáculo se interpone en el camino de la luz incidente). Una de las condiciones más devastadoras para un dispositivo fotovoltaico se conoce como Degradación Inducida por Voltaje (o PID por sus siglas en inglés), y reduce drásticamente el rendimiento del dispositivo a lo largo del tiempo. Tanto es así, que puede dar lugar a un incumplimiento de la garantía ofrecida por el fabricante del panel solar. El estudio del rendimiento y de la estabilidad relativamente menores de la tecnología de CIGS deben ser abordados a partir de una mejor comprensión de las propiedades electrónicas de los dispositivos. El objetivo, pues, de este trabajo es mejorar la comprensión de una serie de factores que afectan a dicho rendimiento y estabilidad. El primer factor es el impacto en la eficiencia de la interconexión monolítica de las células individuales de un módulo de CIGS. El proceso de interconexión da lugar a tres trazos (o zanjas) en cada célula (conocidas como P1, P2 y P3), cada una con un propósito diferente. El primer trazo (P1) sirve para separar el contacto posterior de dos células adyacentes; el segundo trazo (P2) sirve para conectar el contacto frontal de una célula con el contacto posterior de la siguiente; y el tercer trazo (P3) separa el contacto frontal de dos células adyacentes. Sin embargo, el primer trazo suele quedar rellenado típicamente con el mismo material absorbente, lo cual da lugar a un menor aislamiento entre el contacto posterior de dos células adyacentes que puede, a su vez, resultar en un camino de baja resistencia, o “shunt” entre los contactos posteriores de las dos células contiguas. El impacto de este “shunt” en P1 se estudia en esta tesis con simulaciones en 2D y la caracterización de muestras de dispositivos de CIGS con interconexión (con técnicas I-V, C-V y de imagen). A su vez, se propone en la tesis un modelo de circuito equivalente basado en un transistor de unión de efecto de campo (JFET por sus siglas en inglés) para representar el comportamiento de este “shunt” a través de P1. Además, el impacto de cambios metaestables del absorbente (característicos del material CIGS) en el “shunt” de P1 también se discuten en esta tesis. Otro de los factores que afecta a la estabilidad de la tecnología CIGS y que es abordado en esta tesis es la degradación inducida por voltaje (PID). Los resultados de técnicas de caracterización a partir de emisión infrarroja en dispositivos de CIGS afectados por el PID sugieren que este mecanismo es responsable de la intensificación de “shunts” locales, especialmente en áreas donde hay contacto directo entre el substrato y el absorbente del dispositivo (como por ejemplo en P1 o en agujeros en el contacto posterior). En esta tesis se sugiere un mecanismo que explica el proceso de PID, en el cual la polarización del substrato respecto del resto del dispositivo fotovoltaico resulta en un intenso campo eléctrico que penetra en el absorbente y fuerza a los electrones a desplazarse hacia el substrato, dando lugar a un drenado de cargas libres (huecos) en el absorbente. El resultado de esta deplexión en el absorbente es una unión pn débil que da lugar a los “shunts” locales intensificados mencionados anteriormente. En esta tesis se estudian los efectos del mecanismo de PID propuesto con caracterización de muestras de células solares de CIGS (con técnicas de I-V, C-V y de imagen infrarroja) y con simulaciones de modelos en 2D. El tercer factor que se estudia en esta tesis es el impacto de la presencia de barreras de potencial para el transporte electrónico en el interior del dispositivo, en particular una barrera de huecos que se encuentra en la interfaz entre el absorbente y el contacto posterior originada por la unión (Schottky) entre un metal (el contacto posterior) y un semiconductor de tipo p (el absorbente). La barrera reduce el rendimiento de la célula y en algunos casos es evidente en las curvas I-V como una saturación de la corriente, o “roll-over”, en el modo activo del diodo. Esta saturación es más pronunciada en medidas de I-V a baja temperatura, debido a que el bloqueo de la barrera Schottky está activado térmicamente. Asimismo, la corriente saturada en el modo activo muestra una dependencia con el nivel de iluminación incidente sobre la célula que es similar al de un fototransistor bipolar de unión. En la tesis se presenta un análisis del efecto de cambios metaestables en el funcionamiento de esta barrera, inducido bajo ciertas condiciones de operación (que involucran altas temperaturas o diferentes voltajes). Uno de los hallazgos del estudio es que esta barrera de potencial puede verse afectado por un efecto típico de las uniones Schottky conocido como “barrier-lowering”, en el que la altura de la barrera de potencial disminuye de forma proporcional al incremento de la intensidad del campo eléctrico normal a la interfaz entre el semiconductor y el metal del contacto posterior; por ello, un aumento del nivel de dopaje del semiconductor da lugar a una disminución de la barrera cuando se aplica un voltaje positivo. Finalmente, en la tesis se analiza brevemente el impacto de otras dos barreras de potencial (la primera es el resultado de un gradiente del ancho de la banda prohibida, que aumenta cuanto más se aproxima al contacto posterior, y da lugar a una barrera de electrones; la segunda barrera se origina en la unión pn debido a diferencias en la afinidad electrónica del material del “buffer” con respecto al absorbente, dando lugar a otra barrera de electrones) que afectan al rendimiento del dispositivo; para ello, se realizan simulaciones de dispositivos con cada una de las barreras por separado y se comparan con resultados presentes en la literatura. En conclusión, las células solares de película fina basadas en tecnología de CIGS tienen un gran potencial como competidores en el mercado fotovoltaico frente a las tecnologías de silicio, aunque es necesario realizar más esfuerzos de investigación para mejorar su calidad y mitigar sus defectos. Esta tesis ofrece información útil sobre factores importantes que limitan el rendimiento de las células solares basadas en tecnología de CIGS