High efficiency solar cells based on copper indium gallium diselenide (CIGS) prepared by a simplified electrochemical process and innovative structures
Cellules solaires de hautes performances à base de couches minces de diséléniure de cuivre de gallium et d’indium (CIGS) préparées par voie électrochimique simplifiée et structures innovantes
Résumé
Thin-film solar cells based on Cu(In,Ga)Se2 obtained by a vacuum process achieve conversion efficiencies higher than 20%, but require the use of expensive apparatus. Electrodeposition is a low cost alternative deposition method that can be used to prepare Cu-In-Ga films. In this manuscript, the electrodeposition method consists of a one-step deposition of Cu-In-Ga oxide/hydroxide thin-films. This method is based on a local pH increase on the surface of the electrode, generated by the electrochemical reduction of nitrate ions. The reaction mechanism governing the deposition of the oxide thin-films was investigated by means of a ring-disc electrode to identify the generated reaction intermediates and products. The reducing heat treatment of the oxide layer was then studied under an atmosphere of diluted and pure hydrogen gas. The use of pure hydrogen gas reduces the temperature and the annealing time necessary for the complete reduction of the oxide layer into the corresponding metal alloy layer. The selenization of the metal alloy at 550°C leads to the formation of CuInSe2, and the formation of Cu(In,Ga)Se2 near the back contact. Increasing the selenization temperature and gallium content and inserting sodium from an external source lead to the homogenization of gallium throughout the CIGS layer. Cells with 11.9% efficiency were obtained. In order to reduce the quantity of material used, localized electrodeposition of Cu-In-Ga oxide layer was also studied using microelectrodes array. After a reducing heat treatment and selenization of the microcells, an efficiency of 1.4% was obtained at 240 suns.
Les cellules solaires en couches minces à base de Cu(In,Ga)Se2 atteignent des rendements de conversion supérieurs à 20%, préparées par un procédé sous vide. Cette méthode nécessite l’utilisation d’appareillages onéreux. L’électrodépôt est une méthode permettant la synthèse de Cu-In-Ga à faible coût. Dans ce manuscrit, l’électrodépôt consiste à réaliser en une étape une couche d’oxyde/hydroxyde de Cu-In-Ga. Ce procédé est basé sur l’augmentation du pH à la surface de l’électrode, générée par l’électroréduction des ions nitrates. Le mécanisme réactionnel du dépôt d’oxyde a été étudié à l’aide d’une électrode disque-anneau pour identifier les produits intermédiaires et réactionnels générés. Le traitement thermique réducteur de la couche d’oxyde a ensuite été étudié sous atmosphère de dihydrogène diluée et pure. L’utilisation de dihydrogène pur permet de diminuer la température et la durée du recuit pour réduire complètement la couche d’oxyde en une couche d’alliage métallique. La sélénisation de ce précurseur à 550°C conduit à la formation de CuInSe2, et de Cu(In,Ga)Se2 en face arrière. L’augmentation de la température de sélénisation, du taux de Ga et l’insertion de sodium par une source extérieure permettent d’homogénéiser le gallium dans l’ensemble de la couche de CIGS. Des cellules de 11.9% de rendement ont été obtenues. Par ailleurs, afin de réaliser une économie de matière, l’électrodépôt localisé d’oxyde de Cu-In-Ga dans un réseau de microélectrodes a été étudié. Après recuits réducteur et sélénisant, un rendement de 1.4% a été obtenu sous 240 soleils.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|