Fabrication and Optoelectronic Characterization of Chalcogenide Thin-film Solar Cells

Abstract

This thesis explores thin-film PV technology by investigating the efficiency potential and scalability of Kesterite-based solar cells in contrast to CIGS solar cells. Experimental studies and theoretical analyses were conducted to push the performance boundaries of CZTSe solar cells closer to the world record of 13.8% total area efficiency. Kesterite materials have emerged as promising candidates due to their earth-abundant and non-toxic elements, offering favorable PV properties and significant progress in conversion efficiencies. Despite challenges associated with toxic elements and rare constituents in traditional thin-film PV technologies like CIGS, exploration of RoHS-compliant alternatives without critical raw materials is imperative for sustainable PV development. In this thesis two types of thin-film solar cells were produced and analyzed, CIGS and Kesterite. For CIGS solar cells, various compositions and treatments were tested to explore their effects on efficiency and performance. The addition of extra layers of bismuth and antimony made the cells unusable, and the inclusion of ammonium sulfide resulted in significant improvements of the overall results. The efficiency of the reference sample, enhanced with ammonium sulfide treatment, reached 12%, with a Voc of 630 mV, while maintaining a high FF. In contrast, Kesterite solar cells were fabricated using physical and chemical processes. While physical processes yielded inconsistent results, with the best sample Zn-poor achieving 5% efficiency, solution processes proved to be more effective, achieving efficiencies of 10.58% and 7.41%. Further optimization of parameters, such as annealing time and temperature, are necessary to enhance reproducibility and reliability of Kesterite solar cells. In conclusion, this thesis provides insights into the fabrication, characterization, and optimization of thin-film chalcogenide materials, and into sustainable and efficient PV solutions.

Esta tese explora a tecnologia fotovoltaica de filme fino, investigando a eficiência e escalabilidade de células solares baseadas em Kesterite, em contraste com as células solares CIGS. Estudos experimentais e análises teóricas foram conduzidos de forma a aproximar os limites de desempenho das células solares CZTSe ao recorde mundial de eficiência de área de 13,8%. Os materiais Kesterite surgiram como candidatos promissores devido aos seus elementos não tóxicos e abundantes, oferecendo propriedades fotovoltaicas favoráveis e progresso significativo nas eficiências de conversão. Apesar dos desafios associados a elementos tóxicos e constituintes raros em tecnologias fotovoltaicas tradicionais de filme fino, como CIGS, a exploração de alternativas compatíveis com RoHS sem matérias-primas críticas é imperativa para o desenvolvimento fotovoltaico sustentável. Nesta tese foram produzidos e analisados dois tipos de células solares de película fina, CIGS e Kesterite. Para células solares CIGS, várias composições e tratamentos foram testados para explorar os efeitos na eficiência e no desempenho. A adição de camadas extras de bismuto e antimônio tornou as células inutilizáveis, e a inclusão de sulfeto de amônio resultou em melhorias significativas nos resultados finais. A eficiência da amostra de referência, com tratamento com sulfeto de amônio, atingiu 12%, com Voc de 630 mV, mantendo um alto fator de preenchimento. Em contraste, as células solares Kesterite foram fabricadas por processos físicos e químicos. Embora os processos físicos produzissem resultados inconsistentes, com a melhor amostra pobre em Zn atingindo 5% de eficiência, os processos de solução provaram ser mais eficazes, alcançando eficiências de 10,58% e 7,41%. Otimização de parâmetros, como tempo de recozimento e temperatura, é necessária para aumentar a reprodutibilidade e confiabilidade das células solares Kesterite. Concluindo, esta tese explora os tópicos de fabricação, caracterização e otimização de materiais de calcogeneto de filme fina e soluções fotovoltaicas sustentáveis e eficientes.