ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΑΡΙΑ 8ο ΕΞΑΜΗΝΟ υπεύθυνη καθηγήτρια:κ. Δήμητρα Παπαδημητρίου Χαλκοπυριτικές ομοκυψέλες: η επανάσταση στα φωτοβολταϊκά λεπτών υμενίων ΘΕΟΔΩΡΟΥ ΜΑΡΙΑ 8ο ΕΞΑΜΗΝΟ υπεύθυνη καθηγήτρια:κ. Δήμητρα Παπαδημητρίου

Εναλλακτικές μορφές ενέργειας Αιολική ενέργεια Γεωθερμική ενέργεια Βιόμαζα Ηλιακή ενέργεια Χρήση φωτοβολταϊκών

Τί γίνεται στον ήλιο? 6*1011 kg H2He Κάθε sec!!! Απώλεια μάζας4*103 Κg δηλαδή 4*1020 j Ένταση της ακτινοβολίας στη μέση απόσταση γης-ήλιου:1353 W/m2 Ενέργεια φωτονίων ήλιου:0.5-5 eV (0.2-3 μm)

Ιστορική αναδρομή 1839: Alexander-Edmond Becquerel- φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 1954:Chapin, Fuller, Pearson δίοδος επαφής Si TFSCs:Cu2S/CdS/n=10% 1980:υμένια a:Si-H GaAs/InP CdTe Κυψέλες Χαλκοπυριτών

Η κατανομή των PV υλικών

Ημιαγωγοί-επαφή p/n Ηλεκτρική αντίσταση:10-2-109 Ω Ενεργειακό χάσμα: 0-4 eV Συντελεστής απορρόφησης : α (cm-1) Ένταση ρεύματος φωτονίου: Iν (x)=Iνοe-ax

Διάγραμμα n-Eg Θεωρητικός συντελεστής απόδοσης: 85% Πρακτικά :15-20% 2002:single c-Si : n= 24.7% (θεωρητική τιμή 30%)

Φωτοβολταϊκό φαινόμενο και λειτουργία φωτοκυψέλης φωτορεύμα IL IF=Is (exp(eV/kT)-1) I=IL – IF R=0V=0I=ISC=IL R=∞I=0 I=IL – IS(exp(eVOC/kT)-1) VOC=Vtln(1+IL/Is) Vt=kT/e

Χαρακτηριστική I-V φωτοκυψέλης επαφής p-n Max τιμή: n=Pm/Pin 100% n= ImVm/Pin 100% Συντελεστής πλήρωσης ff ImVm/IscVoc

Δομή CIGS Ετεροκυψέλης Υπόστρωμα Μο (πίσω επαφή) Aπορροφητής CIGS (υμένιο p- τύπου) Υμένιο n-τύπου: Μεταβατική στρώση CdS ‘Παράθυρο’ ZnO/ΙΤΟ Εμπρόσθια επαφή (grid)

Χαλκοπυρίτες ως απορροφητές

Ιδιότητες Ομοκυψέλη Παραγωγή φορέων κοντά στην επιφάνεια Ετεροκυψέλη Παραγωγή φορέων κοντά στην επαφή p-n Μετατόπιση ζωνών (band offset) ΠΡΟΒΛΗΜΑ: Επανασύνδεση φορέων στη διεπιφάνεια ρυθμός επανασύνδεσης: R=np/τ(n+p) → max για n=p AΝΑΓΚΑΙΑ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΔΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ→ Μετατροπή της επιφάνειας του απορροφητή (τύπου p-) σε τύπου n- Ομοκυψέλη Παραγωγή φορέων κοντά στην επιφάνεια Σχεδιασμός → πάχος και doping του απορροφητή Αδρανοποίηση (passivation) επιφάνειας

Ελαχιστοποίηση επανασύνδεσης φορέων στη διεπιφάνεια για τις CIGS ετεροκυψέλες Ασύμμετρο doping-αναστροφή διεπιφάνειας → n+ παράθυρο/p απορροφητής Κατάλληλο φορτίο διεπιφάνειας Q≥0 → Αύξηση κάμψης ζωνών απορροφητή → Αύξηση αναστροφής διεπιφάνειας Επίπεδο Fermi κοντά στη ζώνη αγωγιμότητας Βέλτιστος συνδυασμος ζωνών αγωγιμότητας στη διεπιφάνεια/αποφυγή μείωσης φράγματος επανασύνδεσης Εb Spikes: ΔΕc>0 (ΔΕc<0.3) → ΕΥΝΟΕΙ ΤΗΝ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ Cliffs: ΔΕc<0 Αύξηση του Eg του απορροφητή-μετατόπιση ζώνης σθένους Επίστρωση ενώσεων τύπου CuGa3Se5 ή CuGa5Se8 (Ordered-Vacancy Compounds, OVCs) Αύξηση συγκέντρωσης θείου Doping επιφάνειας απορροφητήομοεπαφή Δεν αυξάνει το φράγμα Εb= Εg - ΔΕc Μείωση φωτορεύματος

Ελαχιστοποίηση επανασύνδεσης φορέων στη διεπιφάνεια για τις CIGS ετεροκυψέλες

Συντελεστές απόδοσης CIGS Scs [3] 1st World Conference of Photovoltaic Solar Energy Conversion, Hawaii, 1994, pp. 68–75 [4] Prog. Photovolt. Res. Appl. 7 (1999) 311–316. [5] Solar Energy Mat. Solar Cells 67 (2001) 159–166. [6] Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, 1997, pp. 1250–1253.

Αξιολόγηση CIGS κυψελών μικρού Εg ZnO/CdS/CuInSe2 a= 3-6 105 cm-1 Αναστροφή διεπιφάνειας Προσθήκη Ga → Cu(In,Ga)Se2 Εg~1.2 eV (30% Ga) Μέγιστο n= 19.2 % [*] Δυσκολία κατάργησης ενδιάμεσης στρώσης-μετατόπιση ζώνης CuInSe2/ZnO Cu(In,Ga)Se2/ZnO (cliff στο ZnO) *Prog. Photovolt: Res. Appl. 11 (2003) 225–230

Αξιολόγηση CIGS κυψελών μεγάλου Εg ZnΟ/CdS/CuInS2 ή CuGaSe2 H μετατόπιση ζώνης (band-offset) δεν ευνοεί αναστροφή διεπιφάνειας Cliffμείωση φράγματος επανασύνδεσης Εb Voc(0 K)= Εb/q Cu(In,Ga)S2 qΔVoc≥ΔΕg αν Εg>1.6 eV CuInS2/ZnO n= 6% Χωρίς ενδιάμεση στρώση (buffer-layer free)

n-τύπου αγωγιμότητα στο Ge-doped CuGaSe2 Ετεροκυψέλες CuGaSe2 n=9.7% (μονοκρυσταλλικό) & n=9.3% (λεπτό υμένιο) Δυσκολία n-doping αυτοαντιστάθμιση (self compensation) πλεγματικά κενά VCu Λύση: Εμφύτευση ιόντων (ion implantation) Ge ή Zn

Διαδικασία εμφύτευσης ιόντων 1.Aνάπτυξη μονοκρυστάλλων CuGaSe2 CVT Κυρίαρχος αποδέκτης: VCu 2.Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) μειώση συγκέντρωσης αποδεκτών (1018 1015 cm-3) 3.Εμφύτευση ιόντων Ge 4. Θερμική ανόπτηση (Thermal annealing) παρουσία Zn ZnCu Ge δότες n –τύπου αγωγιμότητα Συγκέντρωση δοτών> 1015 cm-3

Συμπερασματικά co-doping με Ge/Zn  n-τύπου CuGaSe2 (Εg=1.7 eV, 300 K) Απομάκρυνση ενδιάμεσης στρώσης Μείωση επανασύνδεσης φορέων διεπιφάνειας στις ετεροκυψέλες Βελτίωση απόδοσης CIGS μεγάλου Εg Καλή γνώση της δομής του υλικού Έλεγχος υλικού κατά τη παρασκευή

Βιβλιογραφία K. L. Chopra, P. D. Paulson, V. Dutta, ‘Thin-Film Solar Cells: An Overview’, Prog. Photovolt: Res. Appl. 12 (2004) 69–92. A. Goetzberg, C. Hebling, H.-W. Schock, ’Photovoltaic materials, history, status and outlook, Materials Science and Engineering R 40 (2003) 1–46. R. Klenk, ‘Characterisation and modelling of chalcopyrite solar cells’, Thin Solid Films 387 (2001) 135-140. S.Siebentritt, ‘Wide gap chalcopyrites: material properties an solar cells’, Thin Solid Films 403–404 (2002) 1–8. J. H. Schön, J. Oestereich, O. Schenker, H. Raji-Nejad, M. Klenk, ‘n- type conduction in Ge-doped CuGaSe2, Appl. Phys. Lett. 75 (19) (1999) 2969-2971. C. Xue, PhD Thesis, NTUA, Athens 2003.