[논문 리뷰] Accelerated development of CuSbS2 thin film photovoltaic device prototypes

Adam W. Welch, Lauryn L. Baranowski외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 06.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films참고 문헌 18인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 삼단계 자가조절 성장 공정에 고성능 조합적 접근법을 적용하여 CuSbS2 박막 태양전지의 개발을 가속화한다. 이 방법은 흡수층 상의 순도, 결정학적 정렬, 두께 및 백접촉의 체계적 최적화를 가능하게 하여 약 1%의 전력 변환 효율을 기록한 초기 장치 프로토타입을 도출하였으며, 저하된 전류 수확 능력과 CuSbS2/CdS 인터페이스에서의 클리프형 도너 밴드 오프셋으로 인해 제한된다.

ABSTRACT

Development of alternative thin film photovoltaic technologies is an important research topic due to the potential for low-cost, large-scale fabrication of high-efficiency solar cells. Despite the large number of promising alternative absorbers and corresponding contacts, the rate of progress is limited by complications that arise during solar cell fabrication. One potential solution to this problem is the high-throughput combinatorial method, which has been extensively used for research and development of individual absorber and contact materials. Here, we demonstrate an accelerated approach to development of thin film photovoltaic device prototypes based on the novel CuSbS2 absorber, using the device architecture employed for CuInxGa(1-x)Se2 (CIGS). The newly developed three-stage, self-regulated CuSbS2 growth process enables the study of PV device performance trends as a function of phase purity, crystallographic orientation, layer thickness of the absorber, and numerous back contacts. This exploration results in initial CuSbS2 device prototypes with ~1% conversion efficiency; currently limited by low short-circuit current due to poor collection of photoexcited electrons, and a small open-circuit voltage due to a cliff-type conduction band offset at the CuSbS2/CdS interface (suggested by first-principles calculations). Overall, these results illustrate the potential of combinatorial methods to accelerate the development of thin film photovoltaic devices with novel absorbers.

연구 동기 및 목표

• 새로운 CuSbS2 흡수층 재료 기반 박막 태양전지 장치의 개발을 가속화하기 위해.
• 신규 흡수층 통합에 있어 느린 진전을 극복하기 위해 고성능 조합적 방법을 장치 구조에 적용하기 위해.
• 상태 순도, 결정학적 정렬, 흡수층 두께 및 백접촉 재료가 장치 성능에 미치는 영향을 체계적으로 탐색하기 위해.
• 초기 단계의 CuSbS2 장치에서 성능 제한 요인을 제1원리 계산과 실험 데이터를 통해 규명하기 위해.

제안 방법

• 상태 순도와 결정학적 정렬을 제어하기 위해 삼단계 자가조절 CuSbS2 성장 공정을 적용하였다.
• 한 개의 기판에 걸쳐 흡수층 두께와 백접촉 재료를 동시에 변화시킬 수 있는 조합적 접근법을 적용하였다.
• 장치 제작 및 시험을 위해 기존의 CIGS 장치 구조를 템플릿으로 사용하였다.
• 조성 및 공정 조건에 따른 성능 추세를 맵핑하기 위해 고성능 전기적 및 구조적 특성 분석을 수행하였다.
• CuSbS2/CdS 인터페이스에서의 도너 밴드 오프셋을 분석하기 위해 제1원리 계산을 수행하였다.
• 실험 결과를 이론적 예측과 통합하여 장치 구조 최적화를 이끌었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CuSbS2의 상 순도는 박막 장치에서 태양전지 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 결정학적 정렬과 흡수층 두께는 장치 효율성과 전류 수확 능력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다른 백접촉 재료는 장치 성능과 인터페이스 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CuSbS2/CdS 이종접합에서의 도너 밴드 오프셋은 개방회로 전압을 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 고성능 조합적 방법은 신규 박막 태양전지 프로토타입의 개발을 상당히 가속화할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 CuSbS2 장치 프로토타입은 약 1%의 전력 변환 효율을 달성하였다.
• 낮은 단락 전류는 흡수층 내에서 광자극 전자의 열악한 수확으로 인한 것으로 기인되었다.
• CuSbS2/CdS 인터페이스에서의 클리프형 도너 밴드 오프셋이 개방회로 전압을 낮추는 주요 원인으로 규명되었다.
• 제1원리 계산을 통해 전자 추출을 저해하는 상당한 밴드 오프셋 존재를 확인하였다.
• 삼단계 자가조절 성장 공정은 상의 순도와 결정학적 텍스처를 재현 가능하게 제어할 수 있었다.
• 조합적 방법은 초기 단계 장치 개발에서 성능 추세와 핵심 제한 요인을 신속하게 규명하는 데 효과적임을 입증하였다.