Bükülebilir Kalkopirit İnce Film Güneş Pilleri için Kontak Dizaynı ve Optimizasyonu

Abstract

High conversion efficiency, long term stability, low production costs are among the critical issues in the photovoltaic technology. Spray pyrolyzed flexible Cu-based photovoltaics have great opportunities for fulfilling these requirements. In this thesis, CuInS2/In2S3 heterojunction thin film solar cells have been fabricated on flexible substrates -Upilex® and stainless steel foil substrates- by spray pyrolysis technique. MW and atmospheric plasma treatments have been studied systematically before deposition of Mo back contacts. In order to derive large area solar cells without heavy efficiency losses, critical P1, P2 and P3 scribing processes are essential for structuring the photovoltaic cells. With this motivation, P1 scribing processes have been studied systematically using ns and fs fiber lasers. In the case of stainless steel foils, the deposition of barrier layers is required in order to prevent diffusion of iron and other undesired metal atoms. Al2O3 is preferred as a barrier layer due to its unique properties among others. Effects of the barrier layer thickness and thermal annealing processes on the performance of solar devices have been studied. Moreover a novel structure very thin TCO layers -AZO/metal/AZO structure- has been designed for spray pyrolyzed CuInS2/In2S3 heterojunctions. Various types of metals have been studied in AZO/metal/AZO structure to investigate the effect of material selection on TCO quality and device performance. As a result, design and optimization of back contacts and transparent electrodes was performed and effect of processing conditions on both rigid on flexible substrates analyzed deeply.

Yüksek verimli bükülebilir ince film güneş pilleri düşük maliyetli ve uzun vadede istikrarlı olmaları ile fotovoltaik uygulamalarda öne çıkmaktadır. Sprey piroliz yöntemi ile Cu-tabanlı ince film güneş gözeleri cam alttaşlar üzerine üretilmektedir. Böylece atmosferik ortamda düşük maliyetli kaplama olanağı sağlanabilir. Bu tez kapsamında üretilen güneş gözelerinde CuInS2/In2S3 heteroeklemleri sprey piroliz yöntemiyle üretilmiştir. Upilex® ve paslanmaz çelik folyolar bükülebilir alttaşlar olarak seçilmiş ve arka kontak optimizasyonu yapılmıştır. Mo arka kontaklar mikrodalga ve atmosferik plazma yöntemleriyle yüzeyleri modifiye edilen Upilex® alttaşlara kaplanmıştır. Monolitik entegre güneş pillerinde akım kayıplarını azaltmak için P1, P2 ve P3 kazıma işlemleri uygulanmaktadır. Bu doğrultuda cam ve poliimit alttaşlar kullanılarak P1 kazıma işlemleri ns ve fs atımlı fiber lazerlerle çalışılmıştır. Paslanmaz çelik folyolar kullanıldığında proses veya tavlama/iyileştirme işlemleri sırasında alttaşlardan soğurucu tabakaya Fe ve/veya safsızlık atomlarının difüzyonunun olduğu bilinmektedir. Fe difüzyonunu engellemek/azaltmak için arka kontak ile çelik folyo arasına bariyer tabaka kaplanmalıdır. Seçilen alümina filmler 1010 ?.cm civarındaki dirençleri ve amorf yapılarıyla Fe difüzyonunu azaltmakla birlikte monolitik entegrasyonda gerekli olan P1 kazıma işlemi için yalıtkanlığı da sağlamış olmaktadır. Belirlenen alümina filmler için farklı tavlama işlemleri çalışılmıştır. Ayrıca geçirgen iletken oksitlerin sülfürizasyon/selenizasyon olmadan sprey piroliz yöntemiyle üretilen güneş gözeleri optimize edilmiştir. Düşük RF saçtırma güçleri ile üretilen AZO/metal/AZO yapılar farklı metal ara tabakalar ile birlikte çalışılmış ve yaklaşık 110nm kalınlığa sahip AZO/Ag/AZO yapılar yüksek performans göstermiştir. Sonuç olarak bükülebilir güneş gözeleri için arka kontaklar ve geçirgen elektrotlar bu çalışma kapsamında optimize edilmiştir.