Nya fönsterlagerstrukturer för solceller av CIGS- och CZTS-typ

Vi utvecklar nya material till den så kallade fönsterlagerstrukturen hos solceller baserade på Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) och Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS). Genom att ändra optiska, elektriska och strukturella materialegenskaper hos fönsterlagret studeras hur solcellernas elektriska prestanda påverkas.

Fönsterlagret i sig utgörs vanligtvis av tre tunna transparenta lager med varierande elektriska/optiska egenskaper, bland annat en framkontakt och ett buffertskikt. I dagens CIGS-solceller består buffertskiktet oftast av kadmiumsulfid och en framkontakt av aluminiumdopad zinkoxid. Inom projektet arbetar vi främst med att studera och utveckla:

  1. Nya kadmiumfria buffertmaterial till CIGS och CZTS
  2. Studier av gränsskiktet mellan buffert och absorbator med flertalet olika analysmetoder
  3. Framkontakter med förbättrade materialegenskaper

Fönsterlagret utgörs ofta av flera metalloxider då dessa både kan göras transparenta och passa in i solcellens bandstruktur. Det som avgör att oxiden är transparent och släpper igenom ljus till absorbatorskiktet är att skillnaden mellan dess energinivåer för elektroner, vilket kallas dess bandgap, är mycket större än energin i ljuset som används för att generera elektricitet i solcellen. Idealt sett kan därför inte oxiden absorbera detta ljus. Ett exempel på dessa energinivåer för CIGS-solceller visas i figuren nedan.

En framkontakt kan dock utgöra en begränsning av solcellens effekt på grund av en avvägning mellan ledningsförmåga och transparens. Detta beror på att en högre andel fria laddningsbärare i oxiden ökar materialets ledningsförmåga och därmed kan materialåtgången minskas, dock försämras samtidigt transparansen vilket gör att en mindre andel av ljuset når absorbatorskiktet. Genom att utforska nya material och nya metoder för att belägga framkontakter strävas efter att främst minska förluster i ström.

För de nya materialsystemen är det viktigt att noggrant kontrollera tillväxt av material och gränsskikt i solcellsstrukturen. För detta ändamål använder vi mestadels vakuumbaserade kemiska beläggningsmetoder såsom Atomic Layer Deposition (ALD) och Chemical Vapor Deposition (CVD) för tillväxt av fönsterlagren. Dessa är kemiska processer och bygger på att substratet, som lagret ska beläggas på, finns i en kammare där de utsätts för kemikalier i gasfas, som kallas precursors. Kemikalierna tillåts reagera med substratets yta, en i taget eller flera samtidigt, och därigenom skapas en film på dess yta.

Kontakt: Tobias Törndahl

Vill du läsa mer om forskningen på nya fönsterlager? Här kan du läsa sammanfattningar av några av våra vetenskapliga artiklar på svenska.

Senast uppdaterad: 2023-06-26