Development of ultrathin Cu(In,Ga)Se ₂ –based solar cells with reflective back contacts
Développement de cellules solaires Cu(In,Ga)Se ₂ ultraminces incluant un contact arrière réfléchissant
Résumé
Reducing the absorber thickness of thin-film photovoltaic devices is a promising way to improve their industrial competitiveness, thanks to a lower material usage and an increased throughput. It can also increase their efficiency due to a shorter pathway for the separation of photogenerated charge carriers. Still, the efficiency of ultrathin Cu(In,Ga)Se ₂ -based (CIGS) solar cells , which have an absorber thickness ≤500 nm that is approximately 5 times thinner than standard devices, is limited by two phenomena: the non-radiative recombination of charge carriers at the back contact and the incomplete absorption of the incident light. Several strategies were studied in order to mitigate those losses. First, the composition of ultrathin CIGS layers was optimized to create a grading of the semiconductor’s conduction band minimum. The resulting electric field contributes to a better charge carrier separation and a lower back contact recombination rate. The incorporation of silver in the CIGS composition greatly improved the performances of ultrathin cells, leading to an efficiency of 14.9% (540 nm of ACIGS, without antireflection coating), close to the current record of 15.2% (490 nm of CIGS, with antireflection coating). Besides, the addition of an alumina passivation layer at the interface between CIGS (470 nm) and Mo was also investigated, and resulted in an improvement of the open-circuit voltage of 55 mV. Second, a novel architecture of reflective back contacts was developed. It consists of a silver mirror that is encapsulated with layers of transparent conductive oxides. Based on a transmission electron microscopy study, this back contact was shown to be compatible with the co-evaporation of CIGS at 500°C or more. Thanks to a high reflectivity and an ohmic contact with CIGS, it led to an increase of the efficiency from 12.5% to 13.5% and of the short-circuit current from 26.2 mA/cm² to 28.9 mA/cm² as compared to cells with a standard molybdenum back contact. This reflective back contact paves the way toward higher photovoltaic efficiencies as well as novel strategies for further light trapping.
Réduire l’épaisseur de l’absorbeur des dispositifs photovoltaïques à base de couches minces est une voie prometteuse pour améliorer leur compétitivité industrielle, via une économie de matières premières et une cadence de production plus élevée. Cela peut aussi accroître leur efficacité en diminuant le parcours des porteurs de charge photogénérés. Cependant, l’efficacité des cellules solaires à base de Cu(In,Ga)Se ₂ (CIGS) ultramince avec une épaisseur d’absorbeur d’environ 500 nm, soit environ 5 fois inférieure aux cellules conventionnelles, est limitée par deux phénomènes : les recombinaisons non-radiatives de charges au contact arrière et l’absorption incomplète de la lumière solaire incidente. Différentes stratégies ont été étudiées afin de limiter ces pertes. Dans un premier temps, la composition des couches ultraminces de CIGS a été optimisée pour y créer un gradient du minimum de la bande de conduction. Le champ électrique résultant permet de faciliter la séparation des charges et de limiter les recombinaisons au contact arrière. L’incorporation d’argent dans la composition du CIGS a également amélioré significativement les performances des cellules ultraminces, pour aboutir à une efficacité de 14.9% (avec 540 nm d’ACIGS, sans couche antireflet), proche du record actuel de 15.2% (avec couche antireflet et 490 nm de CIGS). En parallèle, l’ajout d’une couche de passivation en alumine à l’interface entre le CIGS (470 nm) et le Mo a été étudiée, et a conduit à une augmentation de la tension de circuit ouvert de 55 mV. Dans un deuxième temps, une nouvelle architecture de contact arrière réfléchissant a été développée. Elle consiste en un miroir d’argent encapsulé dans des couches d’oxydes transparents conducteurs. A l’aide d’observations au microscope électronique en transmission, il a été montré que ce contact arrière est compatible avec la co-évaporation de CIGS à des températures ≥500°C. Grâce à une haute réflectivité et un contact ohmique avec le CIGS, il a mené à une amélioration de l’efficacité de 12.5% à 13.5% et du courant de court-circuit de 26.2 mA/cm² à 28.9 mA/cm² par rapport à un contact arrière standard en molybdène. Cette nouvelle architecture ouvre la voie à une augmentation du rendement photovoltaïque des cellules solaires CIGS ultraminces ainsi qu’à de nouvelles stratégies de piégeage optique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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