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Filmes calcogenetos para células solares: crescimento e propriedades
Doutoramento em FísicaThin film solar cells have in recent years gained market quota against
traditional silicon photovoltaic panels. These developments were in a large part
due to CdTe solar panels on whose development started earlier than their
competitors. Panels based on Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), despite being more
efficient in a laboratory and industrial scale than the CdTe ones, still need a
growth technology cheaper and easier to apply in industry. Although usually
presented as a good candidate to make cheap panels, CIGS uses rare and
expensive materials as In and Ga. The price evolution of these materials might
jeopardize CIGS future.
This thesis presents three different studies. The first is the study of different
processes for the incorporation of Ga in a hybrid CIGS growth system. This
system is based on sputtering and thermal evaporation. This technology is, in
principle, easier to be applied in the industry and solar cells with efficiencies
around to 7% were fully made in Aveiro.
In the second part of this thesis, a new material to replace CIGS in thin film
solar cells is studied. The growth conditions and fundamental properties of
Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) were studied in depth. Suitable conditions of
temperature and pressure for the growth of this material are reported. Its band
gap energy was estimated at 1.05 eV and the Raman scattering peaks were
identified. Solar cells made with this material showed efficiencies lower than
0.1%.
Finally, preliminary work regarding the incorporation of selenium in Cu2ZnSnS4
(CZTS) thin films was carried out. The structural and morphological properties
of thin films of Cu2ZnSn(S,Se)4 have been studied and the results show that the
incorporation of selenium is higher in films with precursors rather with already
formed Cu2SnS3 or Cu2ZnSnS4 thin films. A solar cell with 0.9 % of efficiency
was prepared.As células solares de filmes finos têm nos últimos anos ganho cota de
mercado aos tradicionais painéis fotovoltaicos de Silício. Estes
desenvolvimentos devem-se em grande parte ao painéis baseados em CdTe
cujo desenvolvimento começou mais cedo que os seus competidores. Os
painéis baseados em Cu(In,Ga)Se2 (CIGS), apesar de serem mais eficientes
tanto numa escala industrial como em laboratório, necessitam de uma
tecnologia de crescimento que seja barata e de fácil aplicação na indústria.
Apesar de se apresentarem como um bom candidato para painéis baratos o
CIGS usa materiais caros e raros na crosta terrestre como o In e o Ga. A
evolução do preço destes materiais podem comprometer o seu futuro.
Nesta tese são apresentados três estudos diferentes. O primeiro é o estudo de
diferentes processos de incorporação de Ga em CIGS crescido por um sistema
híbrido de pulverização catódica e evaporação térmica. Esta tecnologia é, em
princípio, mais fácil de ser aplicada a nível industrial e células solares feitas em
Aveiro com eficiências próximas dos 7% foram produzidas.
Numa segunda parte, outro material cujas propriedades o aponta como
possível substituto ao CIGS é estudado. As condições de crescimento e
propriedades fundamentais do Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) foram estudados. São
apresentadas condições de temperatura e de pressão para o crescimento
reprodutível deste material. O seu hiato energético foi estimado em 1.05 eV e
descobriu-se que podem existir flutuações de bandas de potencial que
influenciam as suas propriedades ópticas. As células preparadas com CZTSe
mostraram eficiências baixas, inferiores a 0.1%
Finalmente uma abordagem inicial à incorporação de Selénio em filmes finos
de Cu2ZnSnS4 é feita. As propriedades estruturais e morfológicas de filmes
finos de Cu2ZnSn(S,Se)4 foram estudadas e os resultados mostram que a
incorporação de Selénio é maior em filmes precursores do que directamente
em filmes finos de Cu2SnS3 ou Cu2ZnSnS4. Uma célula solar com eficiência de
conversão de 0.9 % foi preparada.FCT; POPH; FS