Deponeringstemperaturens effekt på ledningsbandet i ZnSnO för CIGS-solceller

Ordlista:
Bandgap	Energiskillnad mellan valensbandet och ledningsbandet som elektronen exciterar mellan.
Kristalliter	Väldigt små kristaller.

I CIGS-solceller finns bufferlager som ska förbättra de elektriska och optiska egenskaperna mellan CIGS-lagret och fönsterlagret. För detta krävs en bra balans mellan energinivåerna i materialet, både till absorbatorskiktet och framkontakten. Det vanligaste bufferlagret är CdS, dock har detta några nackdelar då det har lågt bandgap och därför tar upp en del av solljuset, samt att den har en våtkemisk deponeringsmetod som inte är i vakuum, vilket inte är optimalt för industriell tillverkning. Atomskiktsdeponi (ALD) är en vakuum-baserad teknik som visat sig framgångsrik för andra bufferlager. Det är en kemisk teknik där ämnena deponeras från ånga till fast form med självkontrollerande reaktioner, vilket ger en kontrollerbar deponering av enhetliga filmer vid relativt låga temperaturer. ZnSnO (ZTO) är ett exempel på ett bufferlager som deponeras med ALD, där ledningsbandet för elektronerna har visat sig minska i energi med ökande temperatur. Detta tros bero på nanometer-stora kristalliter som bildas i filmerna och påverkar bandgapet kvantmekaniskt, då en högre temperatur ger större kristalliter och lägre bandgap vilket visar sig som ett lägre ledningsband. Önskvärt är att få ett ledningsband som är något högre än ledningsbandet för absorbatorskiktet. I denna studie utreddes prestandan för solceller med ZTO som deponerats med ALD vid olika temperaturer.

Solceller tillverkades med glas/Mo/CIGS/bufferlager/fönsterlager, där ZTO användes som bufferlager. Detta deponerades med ALD med temperaturer mellan 90 och 180°C. För att få ZTO-filmerna lika tjocka trots olika temperaturer anpassades antalet pulscykler för ALD:n. Sammansättningen uppmättes och visade sig ha marginell påverkan från temperaturen. Solcellerna karakteriserades för att utvärdera strukturen och prestandan. En numerisk simulering gjordes också i programmet SCAPS för att förklara de uppmätta värdena.

Strömmen visade sig inte påverkas signifikant av temperaturen, däremot skiljde sig spänningen som var högst vid 105°C och därefter minskade med ökande temperatur. Med mikroskop påvisades kristalliter i ZTO-lagret, för 120°C var dessa relativt få och 3-4 nm stora medan de för 180°C var fler och 5-7 nm stora. Spektroskopi visade att temperaturen inte gav upphov till diffusion mellan materialen, vilket därför inte kan förklara skillnaden i spänningen. Simuleringarna visade att den högsta verkningsgraden erhölls då ledningsbandet för ZTO var 0.1-0.3 eV högre än det för absorbatorskiktet, då ett högre eller lägre värde skulle ge försämrad verkningsgrad bland annat på grund av lägre spänning.

Totalt kan inte den uppmätta förändringen i spänningen förklaras med en annorlunda sammansättning eller diffusion mellan materialen, då dessa har uteslutits. Det är också osannolikt att till exempel koncentrationen av Na skulle påverkas signifikant av ALD-temperaturen då referenser av CdS inte visade förändrad spänning på grund av temperatur. En trolig förklaring är därför energinivån hos ledningsbandet. Den lägre spänningen vid höga och låga temperaturer förklaras sannolikt med rekombination vid gränsytan mellan absorbatorskikt och ZTO, för hög temperatur och lågt ledningsband på grund av defekter och för låg temperatur och högt ledningsband på grund av att elektroner blockeras från att ledas vidare in i materialet. Studien visade därmed att passande temperaturer för att belägga ZTO med ALD var 105-135°C och att förändra bandgapet för ZTO kan användas för att matcha det som bufferskikt till CIGS, även för CIGS-skikt med andra bandgap än i studien.

Läs originalartikeln här