SLIDE 1
Arno ¡Smets ¡
Thin Film PV Technologies CIGS PV Technology Week 5.3 - - PowerPoint PPT Presentation
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Thin Film PV Technologies CIGS PV Technology Week 5.3 Arno Smets CIGS NiA1 MgF 2 TCO (ZnO:Al) TCO (intrinsic ZnO) CdS (n-type) CuInSe 2 (p-type) Mo Glass CIGS
SLIDE 2
SLIDE 3
CIGS ¡
IV-‑semiconductors: ¡ ¡ III-‑V ¡semiconductors: ¡ ¡ II-‑VI ¡semiconductors ¡ ¡
Rn ¡ Xe ¡ Kr ¡ Ar ¡ Ne ¡ He ¡ At ¡ I ¡ Br ¡ Cl ¡ F ¡ Po ¡ Te ¡ Se ¡ S ¡ O ¡ Bi ¡ Sb ¡ As ¡ P ¡ N ¡ Pb ¡ Sn ¡ Ge ¡ Si ¡ C ¡ Tl ¡ In ¡ Ga ¡ Al ¡ B ¡ Hg ¡ Cd ¡ Zn ¡ Au ¡ Ag ¡ Cu ¡ VlllA ¡ VllA ¡ VlA ¡ VA ¡ lVA ¡ lllVA ¡
llB ¡ lB ¡
2 ¡ 10 ¡ 18 ¡ 36 ¡ 34 ¡ 86 ¡ 9 ¡ 17 ¡ 35 ¡ 53 ¡ 85 ¡ 8 ¡ 16 ¡ 34 ¡ 52 ¡ 84 ¡ 7 ¡ 15 ¡ 33 ¡ 51 ¡ 83 ¡ 6 ¡ 14 ¡ 32 ¡ 50 ¡ 82 ¡ 5 ¡ 13 ¡ 31 ¡ 49 ¡ 81 ¡ 30 ¡ 48 ¡
80 ¡
29 ¡ 47 ¡ 97 ¡ 4.003 ¡ 20.183 ¡ 39.948 ¡ 83.80 ¡ 131 ¡30 ¡ (222) ¡ 35.453 ¡ 79.909 ¡ 126 ¡904 ¡ (210) ¡ 18.998 ¡ 32.064 ¡ 78.96 ¡ 127 ¡60 ¡ (210) ¡ 15.999 ¡ 30.974 ¡ 74.922 ¡ 121.75 ¡ 208.980 ¡ 14.007 ¡ 28.086 ¡ 72.59 ¡ 118 ¡69 ¡ 207.19 ¡ 12.011 ¡ 26.982 ¡ 69.72 ¡ 204.37 ¡ 10.811 ¡ 65.37 ¡ 112.40 ¡ 200.59 ¡ 63.54 ¡ 107.870 ¡ 196.967 ¡ 114 ¡82 ¡
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CIGS ¡
IV-‑semiconductors: ¡ ¡ III-‑V ¡semiconductors: ¡ ¡ II-‑VI ¡semiconductors ¡ ¡
Rn ¡ Xe ¡ Kr ¡ Ar ¡ Ne ¡ He ¡ At ¡ I ¡ Br ¡ Cl ¡ F ¡ Po ¡ Te ¡ Se ¡ S ¡ O ¡ Bi ¡ Sb ¡ As ¡ P ¡ N ¡ Pb ¡ Sn ¡ Ge ¡ Si ¡ C ¡ Tl ¡ In ¡ Ga ¡ Al ¡ B ¡ Hg ¡ Cd ¡ Zn ¡ Au ¡ Ag ¡ Cu ¡ VlllA ¡ VllA ¡ VlA ¡ VA ¡ lVA ¡ lllVA ¡
llB ¡ lB ¡
2 ¡ 10 ¡ 18 ¡ 36 ¡ 34 ¡ 86 ¡ 9 ¡ 17 ¡ 35 ¡ 53 ¡ 85 ¡ 8 ¡ 16 ¡ 34 ¡ 52 ¡ 84 ¡ 7 ¡ 15 ¡ 33 ¡ 51 ¡ 83 ¡ 6 ¡ 14 ¡ 32 ¡ 50 ¡ 82 ¡ 5 ¡ 13 ¡ 31 ¡ 49 ¡ 81 ¡ 30 ¡ 48 ¡
80 ¡
29 ¡ 47 ¡ 97 ¡ 4.003 ¡ 20.183 ¡ 39.948 ¡ 83.80 ¡ 131 ¡30 ¡ (222) ¡ 35.453 ¡ 79.909 ¡ 126 ¡904 ¡ (210) ¡ 18.998 ¡ 32.064 ¡ 78.96 ¡ 127 ¡60 ¡ (210) ¡ 15.999 ¡ 30.974 ¡ 74.922 ¡ 121.75 ¡ 208.980 ¡ 14.007 ¡ 28.086 ¡ 72.59 ¡ 118 ¡69 ¡ 207.19 ¡ 12.011 ¡ 26.982 ¡ 69.72 ¡ 204.37 ¡ 10.811 ¡ 65.37 ¡ 112.40 ¡ 200.59 ¡ 63.54 ¡ 107.870 ¡ 196.967 ¡ 114 ¡82 ¡
CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ ¡
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CIGS ¡
IV-‑semiconductors: ¡ ¡ III-‑V ¡semiconductors: ¡ ¡ II-‑VI ¡semiconductors ¡ ¡
Rn ¡ Xe ¡ Kr ¡ Ar ¡ Ne ¡ He ¡ At ¡ I ¡ Br ¡ Cl ¡ F ¡ Po ¡ Te ¡ Se ¡ S ¡ O ¡ Bi ¡ Sb ¡ As ¡ P ¡ N ¡ Pb ¡ Sn ¡ Ge ¡ Si ¡ C ¡ Tl ¡ In ¡ Ga ¡ Al ¡ B ¡ Hg ¡ Cd ¡ Zn ¡ Au ¡ Ag ¡ Cu ¡ VlllA ¡ VllA ¡ VlA ¡ VA ¡ lVA ¡ lllVA ¡
llB ¡ lB ¡
2 ¡ 10 ¡ 18 ¡ 36 ¡ 34 ¡ 86 ¡ 9 ¡ 17 ¡ 35 ¡ 53 ¡ 85 ¡ 8 ¡ 16 ¡ 34 ¡ 52 ¡ 84 ¡ 7 ¡ 15 ¡ 33 ¡ 51 ¡ 83 ¡ 6 ¡ 14 ¡ 32 ¡ 50 ¡ 82 ¡ 5 ¡ 13 ¡ 31 ¡ 49 ¡ 81 ¡ 30 ¡ 48 ¡
80 ¡
29 ¡ 47 ¡ 97 ¡ 4.003 ¡ 20.183 ¡ 39.948 ¡ 83.80 ¡ 131 ¡30 ¡ (222) ¡ 35.453 ¡ 79.909 ¡ 126 ¡904 ¡ (210) ¡ 18.998 ¡ 32.064 ¡ 78.96 ¡ 127 ¡60 ¡ (210) ¡ 15.999 ¡ 30.974 ¡ 74.922 ¡ 121.75 ¡ 208.980 ¡ 14.007 ¡ 28.086 ¡ 72.59 ¡ 118 ¡69 ¡ 207.19 ¡ 12.011 ¡ 26.982 ¡ 69.72 ¡ 204.37 ¡ 10.811 ¡ 65.37 ¡ 112.40 ¡ 200.59 ¡ 63.54 ¡ 107.870 ¡ 196.967 ¡ 114 ¡82 ¡
CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ CuInS2 ¡ ¡ ¡ ¡Egap ¡= ¡1.5 ¡eV ¡ ¡
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CIGS ¡
IV-‑semiconductors: ¡ ¡ III-‑V ¡semiconductors: ¡ ¡ II-‑VI ¡semiconductors ¡ ¡
Rn ¡ Xe ¡ Kr ¡ Ar ¡ Ne ¡ He ¡ At ¡ I ¡ Br ¡ Cl ¡ F ¡ Po ¡ Te ¡ Se ¡ S ¡ O ¡ Bi ¡ Sb ¡ As ¡ P ¡ N ¡ Pb ¡ Sn ¡ Ge ¡ Si ¡ C ¡ Tl ¡ In ¡ Ga ¡ Al ¡ B ¡ Hg ¡ Cd ¡ Zn ¡ Au ¡ Ag ¡ Cu ¡ VlllA ¡ VllA ¡ VlA ¡ VA ¡ lVA ¡ lllVA ¡
llB ¡ lB ¡
2 ¡ 10 ¡ 18 ¡ 36 ¡ 34 ¡ 86 ¡ 9 ¡ 17 ¡ 35 ¡ 53 ¡ 85 ¡ 8 ¡ 16 ¡ 34 ¡ 52 ¡ 84 ¡ 7 ¡ 15 ¡ 33 ¡ 51 ¡ 83 ¡ 6 ¡ 14 ¡ 32 ¡ 50 ¡ 82 ¡ 5 ¡ 13 ¡ 31 ¡ 49 ¡ 81 ¡ 30 ¡ 48 ¡
80 ¡
29 ¡ 47 ¡ 97 ¡ 4.003 ¡ 20.183 ¡ 39.948 ¡ 83.80 ¡ 131 ¡30 ¡ (222) ¡ 35.453 ¡ 79.909 ¡ 126 ¡904 ¡ (210) ¡ 18.998 ¡ 32.064 ¡ 78.96 ¡ 127 ¡60 ¡ (210) ¡ 15.999 ¡ 30.974 ¡ 74.922 ¡ 121.75 ¡ 208.980 ¡ 14.007 ¡ 28.086 ¡ 72.59 ¡ 118 ¡69 ¡ 207.19 ¡ 12.011 ¡ 26.982 ¡ 69.72 ¡ 204.37 ¡ 10.811 ¡ 65.37 ¡ 112.40 ¡ 200.59 ¡ 63.54 ¡ 107.870 ¡ 196.967 ¡ 114 ¡82 ¡
CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ CuInS2 ¡ ¡ ¡ ¡Egap ¡= ¡1.5 ¡eV ¡ CuGaSe2 ¡Egap ¡= ¡1.7 ¡eV ¡ ¡
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CIGS ¡
Chen ¡and ¡Gong, ¡PRB ¡75, ¡205209 ¡(2007) ¡
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CIGS ¡
Chen ¡and ¡Gong, ¡PRB ¡75, ¡205209 ¡(2007) ¡
CIS: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ ¡
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CIGS ¡
Chen ¡and ¡Gong, ¡PRB ¡75, ¡205209 ¡(2007) ¡
CIS: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ ¡ CuInxGa1-‑xSe2 ¡ ¡ ¡ ¡Egap ¡= ¡1.5 ¡eV ¡ ¡ ¡ ¡
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CIGS ¡
Chen ¡and ¡Gong, ¡PRB ¡75, ¡205209 ¡(2007) ¡
CIS: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ ¡ CuInxGa1-‑xSe2 ¡ ¡ ¡ ¡Egap ¡= ¡1.5 ¡eV ¡ ¡ ¡x=0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuGaSe2 ¡Egap ¡= ¡1.7 ¡eV ¡ ¡ ¡
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CIGS ¡
Chen ¡and ¡Gong, ¡PRB ¡75, ¡205209 ¡(2007) ¡
CIS: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ ¡ CuInxGa1-‑xSe2 ¡ ¡ ¡ ¡Egap ¡= ¡1.5 ¡eV ¡ ¡ ¡x=0 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuGaSe2 ¡Egap ¡= ¡1.7 ¡eV ¡ ¡ x=1 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡CuInSe2 ¡Egap ¡= ¡1.0 ¡eV ¡ ¡
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CIGS ¡
Chen ¡and ¡Gong, ¡PRB ¡75, ¡205209 ¡(2007) ¡
P-‑type ¡ ¡ Cu ¡deficiencies ¡ ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
Glass ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
Mo ¡ Glass ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
P-‑type ¡CIGS ¡ Mo ¡ Glass ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
CdS ¡Buffer ¡ P-‑type ¡CIGS ¡ Mo ¡ Glass ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
CdS ¡Buffer ¡ P-‑type ¡CIGS ¡ Mo ¡ Glass ¡ i-‑ZnO ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
Al-‑ZnO ¡ CdS ¡Buffer ¡ P-‑type ¡CIGS ¡ Mo ¡ Glass ¡ i-‑ZnO ¡
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CI(G)S ¡solar ¡cell ¡band ¡diagram ¡
3.3 eV 2.5 eV 1.1 eV CIGS CdS i-ZnO n-ZnO Ec Ev EF
ZnO ¡ CdS ¡ CIGS ¡
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CIGS ¡solar ¡cell ¡
Al-‑ZnO ¡ CdS ¡Buffer ¡ P-‑type ¡CIGS ¡ Mo ¡ Glass ¡ i-‑ZnO ¡ n-‑type ¡CIGS ¡ Cu(InGa)3Se5 ¡
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Role ¡Sodium ¡in ¡CIGS ¡solar ¡cells ¡
Al-‑ZnO ¡ CdS ¡Buffer ¡ P-‑type ¡CIGS ¡ Mo ¡ Glass ¡ i-‑ZnO ¡
SLIDE 22
SpuCering ¡deposiDon ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Co-‑evaporaDon ¡
to vacuum pump target material material vapour substrate electron beam
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Mo Cu,Ga,In,Se CdS ZnO
1
Processing ¡CIGS ¡solar ¡cells ¡
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Mo Cu,Ga,In,Se CdS ZnO
1 2
Processing ¡CIGS ¡solar ¡cells ¡
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Mo Cu,Ga,In,Se CdS ZnO
1 2 3
Processing ¡CIGS ¡solar ¡cells ¡
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Labscale ¡CIGS ¡solar ¡cells ¡
Glass ¡ NREL: ¡ Eff ¡= ¡19.9 ¡% ¡ Voc ¡~ ¡700 ¡mV ¡ Jsc ¡~ ¡35-‑36 ¡mAcm-‑2 ¡ FF ¡= ¡81 ¡% ¡ ¡ ¡ ¡
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Labscale ¡CIGS ¡solar ¡cells ¡
Glass ¡ NREL: ¡ Eff ¡= ¡19.9 ¡% ¡ Voc ¡~ ¡700 ¡mV ¡ Jsc ¡~ ¡35-‑36 ¡mAcm-‑2 ¡ FF ¡= ¡81 ¡% ¡ ¡ Flexible ¡ ¡ ¡SFL-‑MS: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Eff: ¡20.4 ¡% ¡ ¡ ¡
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glass substrate Mo back contact
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glass substrate Mo back contact glass substrate Mo back contact CI(G)S absorber CdS buffer layer
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glass substrate Mo back contact glass substrate Mo back contact CI(G)S absorber CdS buffer layer glass substrate Mo back contact CI(G)S absorber CdS buffer layer i-ZnO/n-ZnO:Al window
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aperture area
Module ¡Efficiency ¡
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aperture area total module area
Module ¡Efficiency ¡
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Abundance, atoms of element per 106 atoms of Si
109 106 103 1 10-3 10-6 10 20 30 40 50 6 70 80 90
Rock-forming elements
H O Na Mg Ai Si C Li F N B Bc P S Cl K Ca Fe Ti Mn Sc V Cr Co Ni Cu Zn Ga As Ge Br Se Mo Nb Zr Sr Rb Ag Cd In Sb Cs I Ba Hi Ia W Pb Ti Hg Bi Th U Ru Rh Pd Te Il Re Os Ir Pt Au
Rarest “metals” Rare earth elements
Y La Co Nd Gd Sm Pr Eu Tb Ho Im I Dy Er Yb
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CZTS ¡ ¡ ¡(CuZnSnS) ¡
IV-‑semiconductors: ¡ ¡ III-‑V ¡semiconductors: ¡ ¡ II-‑VI ¡semiconductors ¡ ¡
Rn ¡ Xe ¡ Kr ¡ Ar ¡ Ne ¡ He ¡ At ¡ I ¡ Br ¡ Cl ¡ F ¡ Po ¡ Te ¡ Se ¡ S ¡ O ¡ Bi ¡ Sb ¡ As ¡ P ¡ N ¡ Pb ¡ Sn ¡ Ge ¡ Si ¡ C ¡ Tl ¡ In ¡ Ga ¡ Al ¡ B ¡ Hg ¡ Cd ¡ Zn ¡ Au ¡ Ag ¡ Cu ¡ VlllA ¡ VllA ¡ VlA ¡ VA ¡ lVA ¡ lllVA ¡
llB ¡ lB ¡
2 ¡ 10 ¡ 18 ¡ 36 ¡ 34 ¡ 86 ¡ 9 ¡ 17 ¡ 35 ¡ 53 ¡ 85 ¡ 8 ¡ 16 ¡ 34 ¡ 52 ¡ 84 ¡ 7 ¡ 15 ¡ 33 ¡ 51 ¡ 83 ¡ 6 ¡ 14 ¡ 32 ¡ 50 ¡ 82 ¡ 5 ¡ 13 ¡ 31 ¡ 49 ¡ 81 ¡ 30 ¡ 48 ¡
80 ¡
29 ¡ 47 ¡ 97 ¡ 4.003 ¡ 20.183 ¡ 39.948 ¡ 83.80 ¡ 131 ¡30 ¡ (222) ¡ 35.453 ¡ 79.909 ¡ 126 ¡904 ¡ (210) ¡ 18.998 ¡ 32.064 ¡ 78.96 ¡ 127 ¡60 ¡ (210) ¡ 15.999 ¡ 30.974 ¡ 74.922 ¡ 121.75 ¡ 208.980 ¡ 14.007 ¡ 28.086 ¡ 72.59 ¡ 118 ¡69 ¡ 207.19 ¡ 12.011 ¡ 26.982 ¡ 69.72 ¡ 204.37 ¡ 10.811 ¡ 65.37 ¡ 112.40 ¡ 200.59 ¡ 63.54 ¡ 107.870 ¡ 196.967 ¡ 114 ¡82 ¡