Contactos selectivos de portadores basados en óxidos metálicos de transición para células solares de kesterita

Abstract

(English) In recent years, there has been an increasing need to find an environmentally friendly and low-pollution alternative for electricity production through solar energy absorption. Since 1950, photovoltaic researchers have been working to find a low-cost photovoltaic technology to allow access for more people around the world. Although silicon cells dominate the photovoltaic market, the search for new materials that allow the production of solar cells with new functionalities continues to be very active. Among these new functionalities, we can highlight the manufacture of flexible, semi-transparent or with controllable energy gap solar cells. These new functionalities would allow the manufacture of solar cells compatible with building facades or compatible with the production of tandem cells. Thin-film solar cells, such as kesterite, emerge as an alternative to traditional silicon technologies, in order to reduce manufacturing and material costs, and to allow compatibility with emerging technologies such as tandem and bifacial solar cells, as well as their application or integration into building facades. In addition, kesterite solar cells have a theoretical limit of 33%, which is higher than that calculated for silicon solar cells. The main advantage of this PV technology is that it uses abundant materials on the earth's surface. However, the convectional way to implement the electron selective contact is uses cadmium sulfide layers, whose main compound (cadmium) is recognized as toxic and carcinogenic. The objective of this thesis is to implement charge-selective layers (electrons and holes) using transition metal oxides for kesterite solar cells. The experience of the MNT-UPC group in the application of these materials in charge selective layers in silicon technologies and the experience of IREC in the growth and manufacturing of kesterite solar cells are allies for the development of this research. The possibility of including V2Ox films deposited by ALD technique as a hole transport layers are studied. This material opens the door to the production of semi-transparent solar cells, reaching a solar cell with photovoltaic efficiency about 4%. Regarding electron selective contacts, multiple Cd-free alternatives are presented in this work. Concretely, ALD stacks of Al2O3/TiO2 and ZnO(i)/AZO has been studied as potential ETLs. The application of polymer-based dipoles (PEI/Glycine) is also explored. These dipoles allow to improve the selectivity of the aforementioned ETLs increasing the efficiency of the manufactured solar cells. As a result of this research work, CZTSe bifacial and cadmium free solar cells have been fabricated using transparent contacts based on ZnO as an electron transport layer (ETL) and V2Ox as a hole transport layer (HTL). The efficiency achieved for these solar cells is approximately 3.5%.

(Español) En los últimos años, ha aumentado la necesidad de encontrar una alternativa respetuosa con el medio ambiente y de baja contaminación para la producción de energía eléctrica mediante la absorción de la luz solar. Desde 1950, los investigadores en el ámbito fotovoltaico han estado trabajando en encontrar una tecnología fotovoltaica de bajo costo que permita un mayor acceso de la población mundial a la energía fotovoltaica. A pesar de que las células de silicio cristalino dominan el mercado fotovoltaico, la búsqueda de nuevos materiales que permitan la fabricación de células solares con nuevas funcionalidades continua muy activa. Entre estas nuevas funcionalidades podemos destacar la fabricación de células solares flexibles, semitransparentes o con una energía del gap controlable. Dichas nuevas funcionalidades permitirían fabricar células solares compatibles con las fachadas de los edificios, o compatibles con la fabricación de células tándem. Las células solares de capa fina basadas en kesterita, surgen como una alternativa a las tecnologías tradicionales de silicio, con el fin de reducir el costo de fabricación y materiales, y permitir su compatibilidad con tecnologías emergentes como las células solares tándem, bifaciales y su aplicación o integración en fachadas de edificios. Además las células solares de kesterita tienen un límite teórico de eficiencia de conversión fotovoltaica del 33%, que es superior al calculado para células solares de silicio. Esta tecnología tiene como principal ventaja el utilizar materiales abundantes en la superficie terrestre y su proceso de fabricación es relativamente sencillo. No obstante, la forma convencional de realizar el contacto selectivo de electrones en células de Kesterita es mediante capas de sulfuro de cadmio, cuyo compuesto principal (el cadmio) es reconocido como tóxico y cancerígeno. El objetivo de esta tesis es implementar capas selectoras de cargas (electrones y huecos) a partir del uso de óxidos metálicos de transición para células solares de kesterita. La experiencia del grupo MNT-UPC en la aplicación de estos materiales en capas selectivas de cargas en tecnologías de silicio y la experiencia del IREC en el crecimiento y fabricación de células solares de kesterita son aliados para el desarrollo de esta investigación. Se analiza la posibilidad de incluir al V2Ox depositado por ALD como capa transportadora de huecos. La utilización de un contacto trasero transparente basado en este material abre la puerta a la fabricación de células solares semitransparentes, obteniéndose una célula solar de aproximadamente el 4%. En cuanto a la capa selectora de electrones, se han analizado diferentes alternativas libres de Cd. Concretamente, se han estudiado combinaciones (stacks) de Al2O3/TiO2 y de ZnO(i)/AZO, todas ellas depositadas por ALD. También se ha explorado la aplicación de dipolos basados en polímeros (PEI/Glicina) para la mejora de la selectividad de los comentados ETLs, mejorando las prestaciones de las células solares fabricadas. Como resultado de esta investigación se han fabricado células solares bifaciales de CZTSe libres de cadmio que utilizan contactos transparentes basados en ZnO como capa de transporte de electrones (ETL) y V2Ox como capa de transporte de huecos (HTL). Estas nuevas células han logrado alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 3.5%.