Células solares de seleniuro de cobre, indio, galio
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Celda CIGS sobre soporte de plástico flexible . Otras arquitecturas utilizan paneles CIGS rígidos intercalados entre dos paneles de vidrio.

Una celda solar de seleniuro de galio, indio y cobre (o celda CIGS , a veces celda CI (G) S o CIS) es una celda solar de película delgada que se utiliza para convertir la luz solar en energía eléctrica. Se fabrica depositando una fina capa de cobre, indio, galio y selenio sobre un respaldo de vidrio o plástico, junto con electrodos en la parte delantera y trasera para recoger la corriente. Debido a que el material tiene un alto coeficiente de absorción y absorbe fuertemente la luz solar, se requiere una película mucho más delgada que la de otros materiales semiconductores.

CIGS es una de las tres tecnologías fotovoltaicas (PV) de película delgada convencionales , las otras dos son el telururo de cadmio y el silicio amorfo . Al igual que estos materiales, las capas CIGS son lo suficientemente delgadas como para ser flexibles, lo que les permite depositarse sobre sustratos flexibles. Sin embargo, como todas estas tecnologías utilizan normalmente técnicas de deposición a alta temperatura, el mejor rendimiento normalmente proviene de las células depositadas sobre vidrio, aunque los avances en la deposición a baja temperatura de las células CIGS han borrado gran parte de esta diferencia de rendimiento. CIGS supera al polisilicio a nivel de celda, sin embargo, la eficiencia de su módulo es aún menor, debido a un escalado menos maduro. [1]

La cuota de mercado de las películas delgadas está estancada en alrededor del 15 por ciento, dejando el resto del mercado fotovoltaico a las células solares convencionales hechas de silicio cristalino . En 2013, la participación de mercado de CIGS por sí sola fue de alrededor del 2 por ciento y todas las tecnologías de película delgada combinadas cayeron por debajo del 10 por ciento. [2] Las células CIGS continúan desarrollándose, ya que prometen alcanzar eficiencias similares al silicio, mientras mantienen sus bajos costos, como es típico en la tecnología de película delgada. [3] Los fabricantes prominentes de energía fotovoltaica CIGS fueron las empresas ahora en quiebra Nanosolar y Solyndra . El líder actual del mercado es la empresa japonesa Solar Frontier , con Global Solary GSHK Solar también produce módulos solares libres de metales pesados ​​como cadmio y / o plomo. [4] Muchas empresas fabricantes de paneles solares CIGS se han declarado en quiebra. [5]

Propiedades

CIGS es un material semiconductor compuesto I - III - VI 2 compuesto de cobre , indio , galio y selenio . El material es una solución sólida de seleniuro de cobre e indio (a menudo abreviado "CIS") y seleniuro de cobre y galio, con una fórmula química de CuIn
XGeorgia
(1-x)Se
2, donde el valor de x puede variar de 1 (seleniuro de indio de cobre puro) a 0 (seleniuro de galio de cobre puro). Es un semiconductor unido tetraédricamente , con la estructura cristalina de calcopirita . La banda prohibida varía continuamente con x desde aproximadamente 1,0 eV (para seleniuro de cobre e indio) hasta aproximadamente 1,7 eV (para seleniuro de cobre y galio). [6]

Figura 1: Estructura de un dispositivo CIGS. El CdS se utiliza opcionalmente y algunas células CIGS no contienen cadmio en absoluto. [7]

CIGS tiene un coeficiente de absorción excepcionalmente alto de más de 10 5 / cm para fotones de energía de 1,5 eV y superiores. [8] El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) y el Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW) alemanes han afirmado que las células solares CIGS con eficiencias de alrededor del 20% ( traducido: Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno ), que es el récord hasta la fecha para cualquier célula solar de película delgada . [9] [10]

Estructura

La estructura de dispositivo más común para las células solares CIGS se muestra en el diagrama (consulte la Figura 1: Estructura de un dispositivo CIGS) . El vidrio de cal sodada de aproximadamente 1 a 3  milímetros de espesor se usa comúnmente como sustrato, porque las hojas de vidrio contienen sodio, que se ha demostrado que produce un aumento sustancial de voltaje en circuito abierto, [11] notablemente a través de defectos en la superficie y en los límites del grano. pasivación. [12] Sin embargo, muchas empresas también están buscando sustratos más ligeros y flexibles, como poliimida o láminas metálicas. [13] Se deposita una capa de metal de molibdeno (Mo) (comúnmente por pulverización) que sirve como contacto posterior y refleja la mayor parte de la luz no absorbida hacia el absorbedor CIGS. Después de la deposición de molibdeno , se hace crecer una capa absorbente CIGS de tipo p mediante uno de varios métodos únicos. Se añade una fina capa tampón de tipo n en la parte superior del absorbente. El tampón es típicamente sulfuro de cadmio (CdS) depositado a través de un baño químico . El tampón está superpuesto con una fina capa intrínseca de óxido de zinc (i-ZnO) que está cubierta por una capa de aluminio más gruesa.Capa de ZnO dopada con (Al). La capa i-ZnO se utiliza para proteger el CdS y la capa absorbente del daño por pulverización catódica mientras se deposita la capa de ventana de ZnO: Al, ya que esta última suele depositarse mediante pulverización catódica de CC, conocida como proceso dañino. [14] El ZnO dopado con Al sirve como un óxido conductor transparente para recolectar y mover electrones fuera de la celda mientras absorbe la menor cantidad de luz posible.

Los materiales basados ​​en CuInSe 2 que son de interés para aplicaciones fotovoltaicas incluyen varios elementos de los grupos I, III y VI en la tabla periódica . Estos semiconductores son especialmente atractivos para aplicaciones solares debido a sus altos coeficientes de absorción óptica y características ópticas y eléctricas versátiles, que en principio pueden manipularse y ajustarse para una necesidad específica en un dispositivo dado. [15]

Eficiencia de conversión

CIGS se utiliza principalmente en forma de películas delgadas policristalinas . La mejor eficiencia alcanzada a septiembre de 2014 fue del 21,7%. [16] Un equipo del Laboratorio Nacional de Energía Renovable logró el 19,9%, un récord en ese momento, [17] modificando la superficie CIGS y haciéndola parecer CIS. [18] Estos ejemplos se depositaron sobre vidrio, lo que significaba que los productos no eran mecánicamente flexibles. En 2013, los científicos de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales desarrollaron células CIGS en láminas de polímero flexible con una nueva eficiencia récord del 20,4%. [19] Estos muestran tanto la mayor eficiencia como la mayor flexibilidad.

El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. Confirmó la eficiencia del módulo del 13,8% de un panel de producción de área grande (metro cuadrado) y la eficiencia del área total del 13% (y el área de apertura del 14,2%) con algunos módulos de producción. [18] En septiembre de 2012, la alemana Manz AG presentó un módulo solar CIGS con una eficiencia del 14,6% en la superficie total del módulo y el 15,9% en la apertura, que se produjo en una instalación de producción en masa. [20] MiaSolé obtuvo una eficiencia certificada del área de apertura del 15,7% en un módulo de producción de 1 m 2 , [21] y Solar Frontier reclamó una eficiencia del 17,8% en un módulo de 900 cm 2 . [22]

Se pueden obtener eficiencias más altas (alrededor del 30%) utilizando ópticas para concentrar la luz incidente. El uso de galio aumenta la banda prohibida óptica de la capa CIGS en comparación con CIS puro, aumentando así el voltaje de circuito abierto. [18] [23] La abundancia relativa del galio, en comparación con el indio, reduce los costos.

Registro de laboratorio eficiencias CIGS por sustrato  (a)
SustratoVidrioAceroAluminioPolímero
Eficiencia22,9%17,7%16,2%20,4%
InstitutoFrontera solar  (b)EmpaEmpaEmpa
Fuente: Swissolar, Flisom - presentación noviembre de 2014 [24]
Nota: (a)  celda de laboratorio con ~ 0,5 cm 2 ,  (b)  http://www.solar-frontier.com/eng/news/2017/1220_press.html

Comparación

Silicio cristalino convencional

A diferencia de las células de silicio cristalino convencionales basadas en una homounión , la estructura de las células CIGS es un sistema de heterounión más complejo . Un material de banda prohibida directa , CIGS tiene una absorción de luz muy fuerte y una capa de solo 1-2 micrómetros (µm) es suficiente para absorber la mayor parte de la luz solar. En comparación, se requiere un espesor mucho mayor de aproximadamente 160-190 µm para el silicio cristalino.

La capa activa de CIGS se puede depositar en forma policristalina directamente sobre molibdeno (Mo) recubierto sobre una variedad de sustratos diferentes, como láminas de vidrio, bandas de acero y láminas de plástico hechas de poliimida. Esto utiliza menos energía que la fundición de grandes cantidades de arena de cuarzo en hornos eléctricos y el crecimiento de cristales grandes, necesarios para las células de silicio convencionales, y por lo tanto reduce significativamente el tiempo de recuperación de la energía . También a diferencia del silicio cristalino, estos sustratos pueden ser flexibles . [25]

En la industria fotovoltaica altamente competitiva , la presión sobre los fabricantes de CIGS aumentó , lo que provocó la quiebra de varias empresas, ya que los precios de las células de silicio convencionales disminuyeron rápidamente en los últimos años. Sin embargo, las células solares CIGS se han vuelto tan eficientes como las células de silicio multicristalino , el tipo más común de células solares. CIGS y CdTe-PV siguen siendo las dos únicas tecnologías de película delgada comercialmente exitosas en un mercado fotovoltaico de rápido crecimiento a nivel mundial .

Otras películas delgadas

En la energía fotovoltaica, la "delgadez" se refiere generalmente a las llamadas células de silicio de alta eficiencia de "primera generación", que se fabrican a partir de obleas a granel de cientos de micrómetros de espesor. [26] Las películas delgadas sacrifican algo de eficiencia en la recolección de luz pero usan menos material. [27] En CIGS, la compensación de la eficiencia es menos severa que en el silicio. Las eficiencias récord para las celdas CIGS de película delgada son ligeramente más bajas que las de CIGS para las celdas de alto rendimiento a escala de laboratorio. En 2008, la eficiencia CIGS fue, con mucho, la más alta en comparación con las logradas por otras tecnologías de película delgada, como la energía fotovoltaica de telururo de cadmio (CdTe) o el silicio amorfo (a-Si). [17]Las células solares CIS y CGS ofrecen eficiencias de área total del 15,0% y el 9,5%, [28] respectivamente. En 2015, se cerró la brecha con las otras tecnologías de película delgada, con eficiencias de celda récord en los laboratorios del 21,5% para CdTe (FirstSolar) y del 21,7% para CIGS (ZSW). (Véase también el gráfico de eficiencia de las celdas de investigación del mejor NREL . [29] )

Propiedades

Todos los absorbentes CIGS de alto rendimiento en células solares tienen similitudes independientes de la técnica de producción. Primero, son una fase α policristalina que tiene la estructura cristalina de calcopirita que se muestra en la Figura 3. La segunda propiedad es una deficiencia general de Cu . [30] La deficiencia de Cu aumenta la concentración de portadores mayoritarios (huecos) al aumentar el número de vacantes de Cu (que aceptan electrones). Cuando las películas CIGS son ricas en In (Cu deficiente), la capa superficial de la película forma un compuesto defectuoso ordenado (ODC) con una estequiometría de Cu (In, Ga)
3Se
5. El ODC es de tipo n, formando una homounión pn en la película en la interfaz entre la fase α y el ODC. La velocidad de recombinación en la interfaz CIGS / CdS disminuye por la presencia de la homounión. La caída en la recombinación de la interfaz atribuible a la formación de ODC se demuestra mediante experimentos que han demostrado que la recombinación en la mayor parte de la película es el principal mecanismo de pérdida en las películas deficientes en Cu, mientras que en las películas ricas en Cu la pérdida principal se produce en la interfaz CIGS / CdS. [30] [31]

Figura 3: Celda unitaria CIGS. Rojo = Cu, Amarillo = Se, Azul = In / Ga

La incorporación de sodio es necesaria para un rendimiento óptimo. Se considera que la concentración ideal de Na es de aproximadamente 0,1%. El sustrato de vidrio sodocálcico comúnmente suministra Na , pero en los procesos que no utilizan este sustrato, el Na debe agregarse deliberadamente. Los efectos beneficiosos del Na incluyen aumentos en la conductividad , la textura y el tamaño promedio de grano del tipo p . Además, la incorporación de Na permite mantener el rendimiento sobre desviaciones estequiométricas más grandes . [8] Las simulaciones han predicho que el Na en un sitio de In crea un nivel de aceptor poco profundo y que el Na sirve para eliminar los defectos de In sobre Cu (donantes), pero las razones de estos beneficios son controvertidas. Al Na también se le atribuye la catalización del oxígeno.absorción. El oxígeno pasiva Se vacantes que actúan como donantes compensadores y centros de recombinación.

La aleación CIS (CuInSe 2 ) con CGS (CuGaSe 2 ) aumenta la banda prohibida. Para alcanzar la banda prohibida ideal para una celda solar de unión única, 1,5 eV, una relación Ga / (In + Ga) de aproximadamente 0,7 es óptima. Sin embargo, en proporciones superiores a ~ 0,3, el rendimiento del dispositivo disminuye. Actualmente, la industria apunta a la relación de 0,3 Ga / (In + Ga), lo que da como resultado bandas prohibidas entre 1,1 y 1,2 eV. Se ha postulado que la disminución del rendimiento se debe a que CGS no forma el ODC, que es necesario para una buena interfaz con CdS. [30]

Los dispositivos de mayor eficacia muestran una textura sustancial o una orientación cristalográfica preferida . Se observa una orientación de la superficie (204) en los dispositivos de mejor calidad. [8] Se prefiere una superficie absorbente lisa para maximizar la relación entre el área iluminada y el área de la interfaz. El área de la interfaz aumenta con la rugosidad mientras que el área iluminada permanece constante, disminuyendo el voltaje de circuito abierto (V OC ). Los estudios también han relacionado un aumento en la densidad de defectos con una disminución del V OC . Se ha sugerido que la recombinación en CIGS está dominada por procesos no radiativos. Teóricamente, la recombinación se puede controlar mediante la ingeniería de la película y es extrínseca al material. [32]

Producción

Produccion de pelicula

El proceso al vacío más común es co-evaporar o co-pulverizar cobre, galio e indio sobre un sustrato a temperatura ambiente, luego recocer la película resultante con un vapor de seleniuro. Un proceso alternativo es co-evaporar cobre, galio, indio y selenio sobre un sustrato calentado.

A depósitos de proceso alternativos no basados en vacío nanopartículas de los precursores de los materiales en el sustrato y luego sinteriza ellos in situ . La galvanoplastia es otra alternativa de bajo costo para aplicar la capa CIGS.

Las siguientes secciones describen las diversas técnicas para el procesamiento de la deposición de precursores, incluida la pulverización catódica de capas metálicas a bajas temperaturas, la impresión de tintas que contienen nanopartículas , la electrodeposición y una técnica inspirada en la unión de obleas.

Selenización

El entorno de suministro y selenización de Se es importante para determinar las propiedades y la calidad de la película. Cuando Se se suministra en la fase gas (por ejemplo, como H 2 Se o Se elemental) a altas temperaturas, el Se se incorpora en la película por la absorción y posterior difusión. Durante este paso, llamado calcogenización, ocurren interacciones complejas para formar un calcogenuro . Estas interacciones incluyen la formación de aleaciones intermetálicas de Cu-In-Ga , la formación de compuestos binarios intermedios de seleniuro metálico y la separación de fases de varios compuestos CIGS estequiométricos. Debido a la variedad y complejidad de las reacciones, las propiedades de la película CIGS son difíciles de controlar. [8]

La fuente de Se afecta las propiedades de la película resultante. H 2 Se ofrece la incorporación de Se más rápida en el absorbedor; Se puede alcanzar un 50% de Se en películas CIGS a temperaturas tan bajas como 400 ° C. En comparación, el Se elemental solo logra una incorporación completa con temperaturas de reacción superiores a 500 ° C. Las películas formadas a temperaturas más bajas a partir de Se elemental eran deficientes en Se, pero tenían múltiples fases que incluían seleniuros metálicos y diversas aleaciones . El uso de H 2 Se proporciona la mejor uniformidad de composición y los tamaños de grano más grandes. Sin embargo, el H 2 Se es altamente tóxico y está clasificado como un peligro para el medio ambiente .

Pulverización de capas metálicas seguida de selenización

En este método, una película metálica de Cu, In y Ga se pulveriza a temperatura ambiente o cerca de ella y se hace reaccionar en una atmósfera de Se a alta temperatura. Este proceso tiene un rendimiento más alto que la coevaporación y la uniformidad de composición se puede lograr más fácilmente.

La pulverización de una multicapa apilada de metal, por ejemplo, una estructura de Cu / In / Ga / Cu / In / Ga ... produce una superficie más lisa y una mejor cristalinidad en el absorbedor en comparación con una bicapa simple (aleación Cu-Ga / In) o pulverización catódica de tres capas (Cu / In / Ga). Estos atributos dan como resultado dispositivos de mayor eficiencia, pero formar la multicapa es un proceso de deposición más complicado y no amerita el equipo adicional o la complejidad adicional del proceso. [30] Además, las velocidades de reacción de las capas de Cu / Ga y Cu / In con Se son diferentes. Si la temperatura de reacción no es lo suficientemente alta, o no se mantiene el tiempo suficiente, CIS y CGS se forman como fases separadas.

Las empresas que actualmente utilizan procesos similares incluyen Showa Shell, Avancis , Miasolé , Honda Soltec y Energy Photovoltaics (EPV). [33] Showa Shell pulverizó una capa de aleación de Cu-Ga y una capa de In, seguida de selenización en H 2 Se y sulfuración en H 2 S. El paso de sulfuración parece pasivar la superficie de una manera similar al CdS en la mayoría de las otras células. Por lo tanto, la capa amortiguadora utilizada está libre de Cd, lo que elimina cualquier impacto ambiental del Cd. Showa Shell informó una eficiencia máxima del módulo del 13,6% con un promedio del 11,3% para sustratos de 3600 cm 2 . [13]Shell Solar utiliza la misma técnica que Showa Shell para crear el absorbente; sin embargo, su capa de CdS proviene de la deposición de vapor químico. Los módulos vendidos por Shell Solar afirman tener una eficiencia de módulo del 9,4%.

Miasole había adquirido fondos de capital de riesgo para su proceso y ampliación. Fraunhofer confirmó un módulo de eficiencia de apertura récord del 17,4% en 2019 [34]

EPV utiliza un híbrido entre coevaporación y pulverización catódica en el que In y Ga se evaporan en una atmósfera de Se. A esto le sigue la pulverización catódica de Cu y la selenización. Finalmente, In y Ga se evaporan nuevamente en presencia de Se. Según las mediciones de Hall, estas películas tienen una baja concentración de portadores y una movilidad relativamente alta. Las películas de EPV tienen una baja concentración de defectos.

Calcogenización de capas precursoras de partículas

En este método, las nanopartículas de metal o de óxido de metal se utilizan como precursores para el crecimiento de CIGS. Estas nanopartículas generalmente se suspenden en una solución a base de agua y luego se aplican a grandes áreas mediante varios métodos, como la impresión. A continuación, la película se deshidrata y, si los precursores son óxidos metálicos, se reduce en una atmósfera de H 2 / N 2 . Después de la deshidratación, la película porosa restante se sinteriza y seleniza a temperaturas superiores a 400 ° C. [30] [32] [35]

Nanosolar and International Solar Electric Technology (ISET) intentó sin éxito ampliar este proceso. [13] ISET usa partículas de óxido, mientras que Nanosolar no discutió su tinta. Las ventajas de este proceso incluyen uniformidad en áreas grandes, equipos sin vacío o de bajo vacío y adaptabilidad a la fabricación de rollo a rollo . En comparación con las capas precursoras de metales laminares, las nanopartículas sinterizadas se selenizan más rápidamente. El aumento de la tasa es el resultado de la mayor superficie asociada con la porosidad.. La porosidad produce superficies absorbentes más rugosas. El uso de precursores de partículas permite imprimir en una gran variedad de sustratos con una utilización de materiales del 90% o más. Poca investigación y desarrollo apoyaron esta técnica.

Nanosolar informó una eficiencia de celda (no de módulo) del 14%, sin embargo, esto no fue verificado por ninguna prueba de laboratorio nacional , ni permitieron inspecciones en el sitio. En pruebas independientes [32], el absorbedor de ISET tuvo la segunda eficiencia más baja con un 8,6%. Sin embargo, todos los módulos que superaron al módulo de ISET fueron coevaporados, un proceso que tiene desventajas de fabricación y costos más altos. La muestra de ISET sufrió más de un V OC bajo y un factor de relleno bajo , lo que indica una superficie rugosa y / o un alto número de defectos que ayudan a la recombinación. En relación con estos problemas, la película tenía propiedades de transporte deficientes, incluida una baja movilidad Hall y una corta vida útil del portador.

Electrodeposición seguida de selenización

Los precursores pueden depositarse por electrodeposición. Existen dos metodologías: deposición de estructuras elementales en capas y deposición simultánea de todos los elementos (incluido el Se). Ambos métodos requieren un tratamiento térmico en una atmósfera de Se para fabricar películas con calidad de dispositivo. Debido electrodeposición requiere conductoras electrodos , láminas metálicas son un sustrato lógico. La electrodeposición de capas elementales es similar a la pulverización catódica de capas elementales.

La deposición simultánea emplea un electrodo de trabajo ( cátodo ), un contraelectrodo ( ánodo ) y un electrodo de referencia como en la Figura 4. Un sustrato de hoja de metal se usa como electrodo de trabajo en procesos industriales. Un material inerte proporciona el contraelectrodo y el electrodo de referencia mide y controla el potencial. El electrodo de referencia permite que el proceso se realice potenciostáticamente, permitiendo el control del potencial del sustrato. [30]

Figura 4: Aparato de electrodeposición CIGS

La electrodeposición simultánea debe superar el hecho de que los potenciales de reducción estándar de los elementos no son iguales, lo que provoca la deposición preferencial de un solo elemento. Este problema comúnmente se alivia agregando iones contrarios a la solución para cada ion a depositar (Cu 2+ , Se 4+ , In 3+ y Ga 3+ ), cambiando así el potencial de reducción de ese ion. Además, el sistema Cu-Se tiene un comportamiento complicado y la composición de la película depende del Se 4+ / Cu 2+relación de flujo de iones que puede variar sobre la superficie de la película. Esto requiere que se optimicen las concentraciones de precursores y el potencial de deposición. Incluso con la optimización, la reproducibilidad es baja en grandes áreas debido a variaciones de composición y posibles caídas a lo largo del sustrato.

Las películas resultantes tienen granos pequeños, son ricas en Cu y generalmente contienen fases de Cu 2 − x Se x junto con impurezas de la solución. Se requiere recocido para mejorar la cristalinidad. Para eficiencias superiores al 7%, se requiere una corrección de estequiometría. La corrección se realizó originalmente mediante deposición física de vapor a alta temperatura, lo que no es práctico en la industria.

Solopower está produciendo células con una eficiencia de conversión> 13,7% según NREL. [36]

Combinación de precursores mediante una técnica inspirada en la unión de obleas

Figura 5: Esquema de la técnica inspirada en la unión de obleas

En este proceso, dos películas precursoras diferentes se depositan por separado sobre un sustrato y un superestrato. Las películas se presionan juntas y se calientan para liberar la película del superestrato reutilizable, dejando un absorbente CIGS en el sustrato (Figura 5). Heliovolt patentó este procedimiento y lo nombró proceso FASST. En principio, los precursores se pueden depositar a baja temperatura utilizando técnicas de deposición de bajo costo, lo que reduce el costo del módulo. Sin embargo, las primeras generaciones de productos utilizan métodos PVD de mayor temperatura y no alcanzan el potencial de reducción de costes total. Eventualmente se podrían usar sustratos flexibles en este proceso.

Las características típicas de la película no se conocen fuera de la empresa, ya que no se han realizado investigaciones por parte de laboratorios financiados de forma independiente. Sin embargo, Heliovolt reclamó una eficiencia de celda superior del 12,2%.

Coevaporación

La coevaporación, o codeposición, es la técnica de fabricación de CIGS más frecuente. El proceso de coevaporación de Boeing deposita bicapas de CIGS con diferentes estequiometrías sobre un sustrato calentado y les permite entremezclarse.

NREL desarrolló otro proceso que involucra tres pasos de deposición y produjo el actual poseedor del récord de eficiencia de CIGS al 20,3%. El primer paso en el método de NREL es la codeposición de In, Ga y Se. A esto le sigue el Cu y el Se depositados a una temperatura más alta para permitir la difusión y la mezcla de los elementos. En la etapa final, In, Ga y Se se depositan nuevamente para hacer que la composición general de Cu sea deficiente. [30]

Würth Solar comenzó a producir celdas CIGS utilizando un sistema de coevaporación en línea en 2005 con eficiencias de módulo entre el 11% y el 12%. Abrieron otra planta de producción y continuaron mejorando la eficiencia y el rendimiento. Otras empresas que están ampliando los procesos de coevaporación incluyen Global Solar y Ascent Solar . [33] Global Solar utilizó un proceso de deposición en línea de tres etapas. En todas las etapas se suministra Se en exceso en la fase de vapor. In y Ga se evaporan primero, seguidos por Cu y luego por In y Ga para hacer la película deficiente en Cu. Estas películas se comportaron bastante favorablemente en relación con otros fabricantes y absorbentes cultivados en NREL y el Instituto de Conversión de Energía (IEC). [32]Sin embargo, los módulos de las películas de Global Solar no funcionaron tan bien. La propiedad en la que el módulo obviamente tuvo un desempeño inferior fue un bajo V OC , que es característico de una alta densidad de defectos y altas velocidades de recombinación. La capa absorbente de Global Solar superó al absorbente NREL en la vida útil del portador y la movilidad de la sala. Sin embargo, como células completadas, la muestra NREL funcionó mejor. Esto es evidencia de una mala interfaz CIGS / CdS, posiblemente debido a la falta de una capa de superficie ODC en la película Global Solar.

Las desventajas incluyen problemas de uniformidad en áreas extensas y la dificultad relacionada de coevaporar elementos en un sistema en línea. Además, las altas temperaturas de crecimiento elevan el presupuesto y los costes térmicos. Además, la coevaporación está plagada de una baja utilización de material (deposición en las paredes de la cámara en lugar del sustrato, especialmente para el selenio) y costosos equipos de vacío. [13] [35] Una forma de mejorar la utilización de Se es mediante un proceso de craqueo de selenio mejorado con plasma o térmico, [37] [38] que se puede acoplar con una fuente de haz de iones para la deposición asistida por haz de iones . [39]

Deposición de vapor químico

La deposición química en fase de vapor (CVD) se ha implementado de múltiples formas para la deposición de CIGS. Los procesos incluyen CVD orgánico metálico a presión atmosférica (AP- MOCVD ), CVD mejorado con plasma ( PECVD ), MOCVD de baja presión (LP-MOCVD) y MOCVD asistido por aerosol (AA-MOCVD). La investigación está intentando cambiar de precursores de fuente dual a precursores de fuente única. [30] Los precursores de múltiples fuentes deben mezclarse homogéneamente y los caudales de los precursores deben mantenerse en la estequiometría adecuada. Los métodos de precursores de una sola fuente no adolecen de estos inconvenientes y deberían permitir un mejor control de la composición de la película.

A partir de 2014, la CVD no se utilizó para la síntesis comercial de CIGS. Las películas producidas por CVD tienen baja eficiencia y un bajo V OC , en parte como resultado de una alta concentración de defectos. Además, las superficies de la película son generalmente bastante rugosas, lo que sirve para disminuir aún más el V OC . Sin embargo, la deficiencia de Cu requerida se ha logrado usando AA-MOCVD junto con una orientación de cristal (112).

Las temperaturas de deposición de CVD son más bajas que las utilizadas para otros procesos como la co-evaporación y la selenización de precursores metálicos. Por lo tanto, CVD tiene un presupuesto térmico más bajo y costos más bajos. Los posibles problemas de fabricación incluyen dificultades para convertir CVD en un proceso en línea, así como el gasto de manipular precursores volátiles.

Deposición por electropulverización

Las películas CIS se pueden producir mediante deposición por electropulverización . La técnica implica la pulverización asistida por campo eléctrico de tinta que contiene nanopartículas de CIS sobre el sustrato directamente y luego sinterizar en un entorno inerte. [40] La principal ventaja de esta técnica es que el proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente y es posible unir este proceso con algún sistema de producción continuo o en masa, como el mecanismo de producción de rollo a rollo. [41]

Pasivación de la superficie trasera

Los conceptos de pasivación de la superficie trasera para las células solares CIGS muestran el potencial para mejorar la eficiencia. El concepto de pasivación trasera se ha tomado de la tecnología de pasivación de las células solares de silicio. [42] Se han utilizado Al2O3 y SiO2 como materiales de pasivación. Los contactos puntuales de tamaño nanométrico en la capa de Al2O3 [43] y los contactos de línea en la capa de SiO2 [44] proporcionan la conexión eléctrica del absorbedor CIGS al electrodo trasero Molibdeno. Los contactos puntuales en la capa de Al2O3 se crean mediante litografía con haz de electrones y los contactos de línea en la capa de SiO2 se crean mediante fotolitografía. También se ve que la implementación de las capas de pasivación no cambia la morfología de las capas CIGS

Ver también

  • Lista de empresas CIGS
  • CZTS

Referencias

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enlaces externos

  • Base de datos de publicaciones, presentaciones y noticias de diselenuro de cobre e indio del Laboratorio Nacional de Energías Renovables .
  • El arreglo solar CIGS más grande del mundo en funcionamiento en Arizona .
  • Michael Kanellos Silicon vs. CIGS: Con la energía solar, el tema es material 2 de octubre de 2006 CNET News.com
  • CIGS emergerá como la principal tecnología fotovoltaica de película delgada para 2020
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