Understanding interfaces in thin-film solar cells using photo electron spectroscopy. : Effect of post-deposition treatment on composition of the solar cell absorber.

• Main Author: Hansson, Henrik
• Format: Others
• Language: English
• Published: Uppsala universitet, Institutionen för fysik och astronomi 2019
• Subjects: solar cell; P-N junction; CIGS; PES; cross section; Condensed Matter Physics; Den kondenserade materiens fysik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:uu:diva-399623

The increasing demand of renewable energy is the big driving force for the research and development of more efficient solar energy conversion solutions. Solar cells, which use the photovoltaic effect to convert the photon energy to electrical current, are an important solar energy conversion technique. One solar cell technology is thin-film solar cells. Thin-film solar cells use an absorption layer with a direct band gap. A direct band gap has the advantage that the photons will penetrate less deep until a photoexcitation occur compared to semiconductors with an indirect band gap (e.g. silicon). For this reason the thin-film solar cells can be made very thin.CIGS is a common thin-film solar cell absorber material containing copper (Cu), indium (In), gallium (Ga) and selenium (Se). One objective of this work has been to determine element concentrations of CIGS absorption layers from sample measurements. The GGI ratio determines the band gap, which is an important factor for optimising the efficiency of the solar cell.1 The copper vacancy is the main acceptor dopant in CIGS. The Cu concentration has shown to be important for the efficiency and for other properties of the absorber [2].The measuring technique used in this work has been photoelectron spectroscopy (PES). PES produces a spectrum showing distinct peaks corresponding to electron binding energy levels for specific element subshells. Measurements with different photon energies have been performed on samples with and without post deposition treatment (PDT). A great deal of the effort has been to calculate relative element concentrations based on the PES peak intensities. Two important parameters when performing the calculations are the photoionization cross section (including the angular dependence of the cross section) and the inelastic mean free path of the photoelectrons.The results show that the GGI and the corresponding band gap will be almost the same with and without PDT except for close to the surface where PDT lowers the GGI.The calculations showed that the copper concentration is lowest at the surface. Moreover, PDT with RbF results in lower copper concentration closer to the junction.The results show a discrepancy of the GGI and CGI ratios when using the angular dependent cross sections in [10] and [11] compared to using the cross sections in [6] and [7]. === Det ökande behovet av förnybar energi gör att forskning och utveckling av solenergilösningar är av största vikt. Solceller, vilka utnyttjar den fotovoltaiska effekten, är den vanligaste tekniken för omvandling av solenergi till elektricitet. Tunnfilmssolceller är en typ av solceller vars absorbent har ett direkt bandgap, till skillnad från kisel som har ett indirekt bandgap. Fördelen med ett direkt bandgap är att det ljusabsorberande materialet kan göras mycket tunt.En vanlig tunnfilmssolcell är CIGS. Det är en komposit bestående av koppar (Cu), indium (In), gallium (Ga) och selen (Se). Ett syfte med detta självständiga arbete har varit att beräkna koncentrationerna av de ingående ämnena i halvledarskiktet av CIGS. GGI-kvoten bestämmer bandgapet, vilket är en viktig faktor för solcellens verkningsgrad. Kopparvakansen är den huvudsakliga halvledaracceptorn i CIGS. Kopparkoncentrationen har visat sig vara viktig för bl.a. solcellens verkningsgrad [2].Mättekniken som används i detta arbete kallas fotoelektronspektroskopi (PES). PES-mätningar ger ett spektrum där spektrallinjerna representerar olika nivåer av elektroners bindningsenergi för olika grundämnen. Mätningar med olika fotonenergier, på prover med och utan ytbehandling (PDT), har utförts. En stor del av arbetet har varit att beräkna relativa koncentrationer av de olika grundämnena från spektrallinjerna i spektrumet. Viktiga parametrar som man behöver ta hänsyn till i uträkningarna är sannolikheten för en fotoemissionsprocess hos fotonerna, vinkelberoendet och den fria medelväglängden hos fotoelektronerna.Resultaten visar att GGI-kvot och bandgap blir nästan detsamma med eller utan PDT, förutom närmast ytan där PDT minskar GGI-kvoten.Resultaten visar också att kopparkoncentrationen är lägst på ytan och att PDT med RbF minskar kopparkoncentrationen närmast ytan.Resultaten visar att det blir skillnader mellan GGI- och CGI-kvoterna beroende på om beräkningarna baserats på vinkelberoende träffytor enligt [10] och [11] eller baserats på träffytor enligt [6] och [7].