Influence of Grain Boundary Chemistry on the properties of CIGS photovoltaic cells
Influence de la chimie des joints de grains sur les propriétés des cellules photovoltaïques Cu(In,Ga)Se 2
Résumé
With efficiency more than 21%, polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) semiconductors present maximum efficiency among thin film solar cells, making them a promising material to develop solar cell modules. Most efficient CIGSe cells produced till date are Ga poor cells (≈7.5% Ga) having band gap (Eg) =1.2 eV, however cells with optimum band gap (according to solar spectrum) 1.4 eV (≈18% Ga) presented much lower efficiency. This degraded performance of
wide band gap CIGSe lead to scientific debates for many years suggesting various theories behind its decline in performance. Beneficial properties of Grain boundaries (GBs) are one of the main reasons for high efficiency of CIGSe and modifications in GBs could be the reason for hindered performance of Ga rich cells. In order to detect changes in chemistry of GBs, a technique able to resolve materials at atomic scale is employed in this research, known as atom
probe tomography (APT). Exploring GB chemistry, we found that Ga poor cells always exhibit Cu deprived GBs which are known beneficial for cells due to their hole barrier properties, however Cu enriched GBs emerges for Ga concentration higher than 7.5%. This composition surprisingly coincides with decline in CIGSe performance and further increase in Ga concentration results in increase in Cu enriched GBs followed by degraded CIGSe performance. This suggests modifications in GBs can alter device’s performance, hence to retain GB properties some propositions and experiments are illustrated in the end.
Avec une efficacité de plus de 21%, le matériau polycristallin semiconducteur Cu(In,Ga)Se2
(CIGSe) présente le maximum d’efficacité pour les cellules solaires dites à couches minces.
Les cellules CIGSe les plus efficaces produites jusqu'à ce jour sont des cellules pauvres en Ga
(≈7.5% Ga) et ayant une largeur de bande interdite (Eg) de 1,2 eV. Cependant, les cellules
avec une largeur de bande optimale d’ 1,4 eV (≈18% Ga) présentent une efficacité beaucoup
plus faible. Cette dégradation des performances des cellules à large bande interdite CIGSe
conduit à des débats scientifiques depuis de nombreuses années ayant mené à diverses théories
pour expliquer le déclin des performances de ces cellules avec l’augmentation de Ga. Les
propriétés bénéfiques des joints de grains (GB) sont l'une des principales raisons de rendement
élevé du CIGSe et les modifications de la chimie des GB pourraient être la raison de la
performance limitée des cellules riches en Ga. Afin de détecter des changements dans la
chimie des GB, une technique capable d’imager des matériaux à l'échelle atomique est
employée dans ce travail : la sonde atomique tomographique (APT). L’exploration de la
chimie des GB nous a permis de constater que les cellules pauvres en Ga présentent toujours
une déplétion en Cu. Cette chimie semble bénéfique pour les cellules en raison de leurs car les
GB agissent alors comme barrière pour trous, évitant ainsi les recombinaisons aux joints de
grain. Cependant pour des concentrations de Ga supérieures à 7,5%, un enrichissement en Cu
est observé. Cette composition coïncide étonnamment avec la baisse de la performance des
cellules CIGSe. Cela suggère que des modifications dans les joints de grains peuvent altérer les
performances de l'appareil. Donc, pour améliorer les propriétés des joints de grains, de
nouvelles pistes sont envisagées à la fin du document.