Una célula solar de cobre, indio y galio seleniuro (o célula CIGS , a veces CI(G)S o célula CIS) es una célula solar de película fina que se utiliza para convertir la luz solar en energía eléctrica. Se fabrica depositando una fina capa de solución sólida de cobre, indio y galio seleniuro sobre un soporte de vidrio o plástico, junto con electrodos en la parte delantera y trasera para recoger la corriente. Debido a que el material tiene un alto coeficiente de absorción y absorbe fuertemente la luz solar, se requiere una película mucho más fina que la de otros materiales semiconductores.
La CIGS es una de las tres principales tecnologías fotovoltaicas (PV) de película delgada , las otras dos son el telururo de cadmio y el silicio amorfo . Al igual que estos materiales, las capas de CIGS son lo suficientemente delgadas como para ser flexibles, lo que permite depositarlas sobre sustratos flexibles. Sin embargo, como todas estas tecnologías normalmente utilizan técnicas de deposición a alta temperatura, el mejor rendimiento normalmente proviene de las células depositadas sobre vidrio, aunque los avances en la deposición a baja temperatura de células CIGS han borrado gran parte de esta diferencia de rendimiento. La CIGS supera al polisilicio a nivel de célula, sin embargo, la eficiencia de su módulo es aún menor, debido a un aumento de escala menos maduro. [1]
La cuota de mercado de las películas delgadas se ha estancado en torno al 15 por ciento, dejando el resto del mercado fotovoltaico a las células solares convencionales hechas de silicio cristalino . En 2013, la cuota de mercado de las CIGS por sí solas era de alrededor del 2 por ciento y todas las tecnologías de película delgada combinadas cayeron por debajo del 10 por ciento. [2] Las células CIGS siguen desarrollándose, ya que prometen alcanzar eficiencias similares a las del silicio, manteniendo al mismo tiempo sus bajos costes, como es típico de la tecnología de película delgada. [3] Los fabricantes destacados de fotovoltaica CIGS fueron las empresas ahora en quiebra Nanosolar y Solyndra . El líder actual del mercado es la empresa japonesa Solar Frontier , con Global Solar y GSHK Solar también produciendo módulos solares libres de metales pesados como el cadmio y/o el plomo. [4] Muchas empresas fabricantes de paneles solares CIGS han quebrado. [5]
El CIGS es un material semiconductor compuesto de I - III - VI 2 formado por cobre , indio , galio y selenio . El material es una solución sólida de seleniuro de cobre e indio (a menudo abreviado como "CIS") y seleniuro de cobre y galio, con una fórmula química de CuIn x Ga (1−x) Se 2 , donde el valor de x puede variar de 1 (seleniuro de cobre e indio puro) a 0 (seleniuro de cobre y galio puro). Es un semiconductor con enlaces tetraédricos , con la estructura cristalina de calcopirita . La banda prohibida varía continuamente con x desde aproximadamente 1,0 eV (para el seleniuro de cobre e indio) hasta aproximadamente 1,7 eV (para el seleniuro de cobre y galio). [6]
El CIGS tiene un coeficiente de absorción excepcionalmente alto de más de 10 5 /cm para fotones de energía de 1,5 eV y superiores. [8] El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) y el Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstoff Forschung (ZSW) alemán ( traducido: Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno ) han reivindicado células solares CIGS con eficiencias de alrededor del 20%, lo que supone el récord hasta la fecha para cualquier célula solar de película fina . [9] [10] En 2024 se reivindicó un récord de eficiencia CIGS del 23,64%. [11]
Todos los absorbentes CIGS de alto rendimiento en las células solares tienen similitudes independientemente de la técnica de producción. En primer lugar, son policristalinos en fase α que tienen la estructura cristalina de calcopirita que se muestra en la Figura 3. La segunda propiedad es una deficiencia general de Cu . [12] La deficiencia de Cu aumenta la concentración de portadores mayoritarios (huecos) al aumentar el número de vacantes de Cu (aceptores de electrones). Cuando las películas CIGS son ricas en In (deficientes en Cu), la capa superficial de la película forma un compuesto defectuoso ordenado (ODC) con una estequiometría de Cu(In,Ga)
3Sí
5El ODC es de tipo n y forma una homojunción pn en la película en la interfaz entre la fase α y el ODC. La velocidad de recombinación en la interfaz CIGS/CdS disminuye con la presencia de la homojunción. La caída en la recombinación en la interfaz atribuible a la formación del ODC se demuestra mediante experimentos que han demostrado que la recombinación en la mayor parte de la película es el principal mecanismo de pérdida en películas deficientes en Cu, mientras que en películas ricas en Cu la pérdida principal se produce en la interfaz CIGS/CdS. [12] [13]
La incorporación de sodio es necesaria para un rendimiento óptimo. Se considera que la concentración ideal de Na es aproximadamente del 0,1%. El Na se suministra habitualmente mediante el sustrato de vidrio sódico-cálcico , pero en los procesos que no utilizan este sustrato, el Na debe añadirse deliberadamente. Los efectos beneficiosos del Na incluyen aumentos en la conductividad de tipo p , la textura y el tamaño medio de grano. Además, la incorporación de Na permite mantener el rendimiento en desviaciones estequiométricas mayores . [8] Las simulaciones han predicho que el Na en un sitio In crea un nivel aceptor superficial y que el Na sirve para eliminar los defectos de In en Cu (donadores), pero las razones de estos beneficios son controvertidas. También se le atribuye al Na la catalización de la absorción de oxígeno . El oxígeno pasiva las vacantes de Se que actúan como donantes compensadores y centros de recombinación.
La aleación de CIS (CuInSe 2 ) con CGS (CuGaSe 2 ) aumenta la banda prohibida. Para alcanzar la banda prohibida ideal para una célula solar de unión simple, 1,5 eV, una relación Ga/(In+Ga) de aproximadamente 0,7 es óptima. Sin embargo, con relaciones superiores a ~0,3, el rendimiento del dispositivo disminuye. La industria actualmente apunta a la relación Ga/(In+Ga) de 0,3, lo que da como resultado bandas prohibidas entre 1,1 y 1,2 eV. Se ha postulado que la disminución del rendimiento es el resultado de que CGS no forma el ODC, que es necesario para una buena interfaz con CdS. [12]
Los dispositivos de mayor eficiencia muestran una textura sustancial u orientación cristalográfica preferida. Se observa una orientación de superficie (204) en los dispositivos de mejor calidad. [8] Se prefiere una superficie absorbente lisa para maximizar la relación entre el área iluminada y el área de la interfaz. El área de la interfaz aumenta con la rugosidad mientras que el área iluminada permanece constante, lo que disminuye el voltaje de circuito abierto (V OC ). Los estudios también han vinculado un aumento en la densidad de defectos con una disminución de V OC . Se ha sugerido que la recombinación en CIGS está dominada por procesos no radiativos. Teóricamente, la recombinación se puede controlar mediante la ingeniería de la película y es extrínseca al material. [14]
La estructura de dispositivo más común para células solares CIGS se muestra en el diagrama (ver Figura 1: Estructura de un dispositivo CIGS) . El vidrio sódico-cálcico de aproximadamente 1 a 3 milímetros de espesor se usa comúnmente como sustrato, porque las láminas de vidrio contienen sodio, que ha demostrado producir un aumento sustancial del voltaje de circuito abierto, [15] notablemente a través de la pasivación de defectos de superficie y de límite de grano. [16] Sin embargo, muchas compañías también están buscando sustratos más livianos y flexibles como poliimida o láminas de metal. [17] Se deposita una capa de metal de molibdeno (Mo) (comúnmente por pulverización catódica ) que sirve como contacto posterior y refleja la mayor parte de la luz no absorbida de regreso al absorbedor CIGS. Después de la deposición de molibdeno, se cultiva una capa absorbente CIGS de tipo p mediante uno de varios métodos únicos. Se agrega una capa amortiguadora delgada de tipo n sobre el absorbedor. El amortiguador es típicamente sulfuro de cadmio (CdS) depositado mediante deposición de baño químico . El tampón está recubierto con una fina capa de óxido de zinc intrínseco (i-ZnO) que está cubierta por una capa más gruesa de ZnO dopado con aluminio (Al). La capa de i-ZnO se utiliza para proteger el CdS y la capa absorbente de daños por pulverización catódica mientras se deposita la capa de ventana ZnO:Al, ya que esta última suele depositarse mediante pulverización catódica de CC, conocida como un proceso dañino. [18] El ZnO dopado con Al actúa como un óxido conductor transparente para recoger y mover electrones fuera de la celda mientras absorbe la menor cantidad de luz posible.
Los materiales basados en CuInSe 2 que son de interés para aplicaciones fotovoltaicas incluyen varios elementos de los grupos I, III y VI de la tabla periódica . Estos semiconductores son especialmente atractivos para aplicaciones solares debido a sus altos coeficientes de absorción óptica y características ópticas y eléctricas versátiles, que en principio pueden manipularse y ajustarse para una necesidad específica en un dispositivo determinado. [19]
El CIGS se utiliza principalmente en forma de películas delgadas policristalinas . La mejor eficiencia lograda en septiembre de 2014 fue del 21,7 %. [20] Un equipo del Laboratorio Nacional de Energías Renovables logró un 19,9 %, un récord en ese momento, [21] modificando la superficie del CIGS y haciéndola parecer CIS. [22] Estos ejemplos se depositaron sobre vidrio, lo que significaba que los productos no eran mecánicamente flexibles. En 2013, los científicos de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales desarrollaron células CIGS en láminas de polímero flexibles con una nueva eficiencia récord del 20,4 %. [23] Estas muestran tanto la mayor eficiencia como la mayor flexibilidad.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de Estados Unidos confirmó una eficiencia del módulo del 13,8% de un panel de producción de área grande (metro cuadrado) y una eficiencia del 13% en el área total (y del 14,2% en el área de apertura) con algunos módulos de producción. [22] En septiembre de 2012, la empresa alemana Manz AG presentó un módulo solar CIGS con una eficiencia del 14,6% en la superficie total del módulo y del 15,9% en la apertura, que se produjo en una instalación de producción en masa. [24] MiaSolé obtuvo una eficiencia certificada del 15,7% en el área de apertura en un módulo de producción de 1 m 2 , [25] y Solar Frontier afirmó una eficiencia del 17,8% en un módulo de 900 cm 2 . [26]
Se pueden obtener mayores eficiencias (alrededor del 30%) utilizando óptica para concentrar la luz incidente. El uso de galio aumenta la brecha de banda óptica de la capa CIGS en comparación con el CIS puro, lo que aumenta el voltaje de circuito abierto. [22] [27] La abundancia relativa del galio, en comparación con el indio, reduce los costos.
A diferencia de las células de silicio cristalino convencionales basadas en homojunción , la estructura de las células CIGS es un sistema de heterojunción más complejo. El CIGS, un material de banda prohibida directa , tiene una absorción de luz muy fuerte y una capa de solo 1-2 micrómetros (μm) es suficiente para absorber la mayor parte de la luz solar. En comparación, para el silicio cristalino se requiere un espesor mucho mayor de aproximadamente 160-190 μm. [ cita requerida ]
La capa CIGS activa se puede depositar en forma policristalina directamente sobre molibdeno (Mo) recubierto sobre una variedad de sustratos diferentes, como láminas de vidrio, bandas de acero y láminas de plástico hechas de poliimida. Esto utiliza menos energía que fundir grandes cantidades de arena de cuarzo en hornos eléctricos y hacer crecer cristales grandes, necesarios para las células de silicio convencionales, y por lo tanto reduce significativamente su tiempo de recuperación de energía . Además, a diferencia del silicio cristalino, estos sustratos pueden ser flexibles . [30]
En la altamente competitiva industria fotovoltaica , la presión sobre los fabricantes de CIGS aumentó , lo que llevó a la quiebra de varias empresas, ya que los precios de las células de silicio convencionales disminuyeron rápidamente en los últimos años. Sin embargo, las células solares CIGS se han vuelto tan eficientes como las células de silicio policristalino , el tipo más común de células solares. CIGS y CdTe-PV siguen siendo las dos únicas tecnologías de película delgada comercialmente exitosas en un mercado fotovoltaico de rápido crecimiento a nivel mundial . [ cita requerida ]
En el campo de la energía fotovoltaica, el término "delgadez" se refiere generalmente a las denominadas células de silicio de alta eficiencia de "primera generación", que se fabrican a partir de obleas de cientos de micrómetros de espesor. [31] Las películas delgadas sacrifican algo de eficiencia en la captación de luz, pero utilizan menos material. [32] En los CIGS, la compensación de eficiencia es menos severa que en el silicio. Las eficiencias récord para las células CIGS de película delgada son ligeramente inferiores a las de los CIGS para las células de alto rendimiento a escala de laboratorio. En 2008, la eficiencia de los CIGS fue, con diferencia, la más alta en comparación con las logradas con otras tecnologías de película delgada, como la fotovoltaica de telururo de cadmio (CdTe) o el silicio amorfo (a-Si). [21] Las células solares CIS y CGS ofrecen eficiencias de área total del 15,0% y el 9,5%, [33] respectivamente. En 2015, la brecha con las demás tecnologías de película delgada se ha cerrado, con eficiencias récord en las celdas en laboratorios del 21,5% para CdTe (FirstSolar) y del 21,7% para CIGS (ZSW). (Véase también el gráfico de mejor eficiencia de celdas de investigación del NREL . [34] )
El proceso más común basado en el vacío consiste en coevaporar o copular por pulverización catódica cobre, galio e indio sobre un sustrato a temperatura ambiente y luego recocer la película resultante con vapor de seleniuro. Un proceso alternativo consiste en coevaporar cobre, galio, indio y selenio sobre un sustrato calentado. [ cita requerida ]
Un proceso alternativo que no utiliza vacío deposita nanopartículas de los materiales precursores sobre el sustrato y luego las sinteriza in situ . La galvanoplastia es otra alternativa de bajo costo para aplicar la capa CIGS. [ cita requerida ]
Las siguientes secciones describen las diversas técnicas para el procesamiento de deposición de precursores, incluida la pulverización catódica de capas metálicas a bajas temperaturas, la impresión de tintas que contienen nanopartículas , la electrodeposición y una técnica inspirada en la unión de obleas. [ cita requerida ]
El entorno de suministro de Se y selenización es importante para determinar las propiedades y la calidad de la película. Cuando se suministra Se en fase gaseosa (por ejemplo, como H2Se o Se elemental) a altas temperaturas, el Se se incorpora a la película por absorción y posterior difusión. Durante este paso, llamado calcogenización, ocurren interacciones complejas para formar un calcogenuro . Estas interacciones incluyen la formación de aleaciones intermetálicas Cu-In-Ga , la formación de compuestos binarios intermedios de metal-seleniuro y la separación de fases de varios compuestos CIGS estequiométricos. Debido a la variedad y complejidad de las reacciones, las propiedades de la película CIGS son difíciles de controlar. [8]
La fuente de Se afecta las propiedades de la película resultante. El H2Se ofrece la incorporación más rápida de Se en el absorbente; se puede lograr un 50% atómico de Se en películas CIGS a temperaturas tan bajas como 400 °C. En comparación, el Se elemental solo logra una incorporación completa con temperaturas de reacción superiores a 500 °C. Las películas formadas a temperaturas más bajas a partir de Se elemental eran deficientes en Se, pero tenían múltiples fases que incluían seleniuros metálicos y varias aleaciones . El uso de H2Se proporciona la mejor uniformidad de composición y los tamaños de grano más grandes. Sin embargo, el H2Se es altamente tóxico y está clasificado como un peligro ambiental . [ cita requerida ]
En este método, se pulveriza una película metálica de Cu, In y Ga a temperatura ambiente o cerca de ella y se hace reaccionar en una atmósfera de Se a alta temperatura. Este proceso tiene un mayor rendimiento que la coevaporación y se puede lograr más fácilmente la uniformidad de la composición. [ cita requerida ]
La pulverización catódica de una multicapa apilada de metal (por ejemplo, una estructura Cu/In/Ga/Cu/In/Ga...) produce una superficie más lisa y una mejor cristalinidad en el absorbedor en comparación con una simple pulverización catódica de dos capas (aleación Cu-Ga/In) o de tres capas (Cu/In/Ga). Estos atributos dan como resultado dispositivos de mayor eficiencia, pero la formación de la multicapa es un proceso de deposición más complicado y no ameritaba el equipo adicional ni la complejidad añadida del proceso. [12] Además, las velocidades de reacción de las capas Cu/Ga y Cu/In con Se son diferentes. Si la temperatura de reacción no es lo suficientemente alta o no se mantiene durante el tiempo suficiente, el CIS y el CGS se forman como fases separadas.
Las empresas que actualmente utilizan procesos similares incluyen Showa Shell, Avancis , Miasolé , Honda Soltec y Energy Photovoltaics (EPV). [35] Showa Shell pulveriza una capa de aleación de Cu-Ga y una capa de In, seguida de selenización en H 2 Se y sulfuración en H 2 S. El paso de sulfuración parece pasivar la superficie de una manera similar al CdS en la mayoría de las otras células. Por lo tanto, la capa intermedia utilizada está libre de Cd, lo que elimina cualquier impacto ambiental del Cd. Showa Shell informó una eficiencia máxima del módulo del 13,6% con un promedio del 11,3% para sustratos de 3600 cm 2 . [17] Shell Solar utiliza la misma técnica que Showa Shell para crear el absorbedor; sin embargo, su capa de CdS proviene de la deposición química de vapor. Los módulos vendidos por Shell Solar afirman tener una eficiencia del módulo del 9,4%. [ cita requerida ]
Miasole había obtenido fondos de capital de riesgo para su proceso y ampliación. En 2019, Fraunhofer confirmó un módulo de eficiencia de apertura récord del 17,4 %. [36]
La EPV utiliza un híbrido entre coevaporación y pulverización catódica en el que el In y el Ga se evaporan en una atmósfera de Se. A esto le sigue la pulverización catódica de Cu y la selenización. Por último, el In y el Ga se evaporan de nuevo en presencia de Se. Según las mediciones de Hall, estas películas tienen una baja concentración de portadores y una movilidad relativamente alta. Las películas EPV tienen una baja concentración de defectos. [ cita requerida ]
En este método, se utilizan nanopartículas de metal u óxido de metal como precursores para el crecimiento de CIGS. Estas nanopartículas generalmente se suspenden en una solución a base de agua y luego se aplican a áreas grandes mediante varios métodos, como la impresión. Luego, la película se deshidrata y, si los precursores son óxidos de metal, se reduce en una atmósfera de H 2 /N 2 . Después de la deshidratación, la película porosa restante se sinteriza y se seleniza a temperaturas superiores a 400 °C. [12] [14] [37]
Nanosolar e International Solar Electric Technology (ISET) intentaron sin éxito ampliar este proceso. [17] ISET utiliza partículas de óxido, mientras que Nanosolar no habló de su tinta. Las ventajas de este proceso incluyen uniformidad en áreas grandes, equipo sin vacío o con bajo vacío y adaptabilidad a la fabricación de rollo a rollo . En comparación con las capas precursoras de metal laminar, las nanopartículas sinterizadas se selenizan más rápidamente. La mayor velocidad es el resultado de la mayor área de superficie asociada con la porosidad . La porosidad produce superficies absorbentes más rugosas. El uso de precursores de partículas permite la impresión en una gran variedad de sustratos con una utilización de materiales del 90% o más. Poca investigación y desarrollo respaldaron esta técnica. [ cita requerida ]
Nanosolar informó una eficiencia de celda (no módulo) del 14%, sin embargo, esto no fue verificado por ninguna prueba de laboratorio nacional , ni permitieron inspecciones en el sitio. En pruebas independientes [14] el absorbedor de ISET tuvo la segunda eficiencia más baja con 8.6%. Sin embargo, todos los módulos que superaron al módulo de ISET fueron coevaporados, un proceso que tiene desventajas de fabricación y costos más altos. La muestra de ISET sufrió más de bajo OC de VOC y bajo factor de llenado , indicativo de una superficie rugosa y/o un alto número de defectos que ayudan a la recombinación. En relación con estos problemas, la película tenía malas propiedades de transporte, incluida una baja movilidad de Hall y una vida útil corta del portador. [ cita requerida ]
Los precursores se pueden depositar mediante electrodeposición. Existen dos metodologías: la deposición de estructuras elementales en capas y la deposición simultánea de todos los elementos (incluido el Se). Ambos métodos requieren un tratamiento térmico en una atmósfera de Se para crear películas de calidad para el dispositivo. Dado que la electrodeposición requiere electrodos conductores , las láminas metálicas son un sustrato lógico. La electrodeposición de capas elementales es similar a la pulverización catódica de capas elementales. [ cita requerida ]
La deposición simultánea emplea un electrodo de trabajo ( cátodo ), un contraelectrodo ( ánodo ) y un electrodo de referencia, como en la Figura 4. En los procesos industriales se utiliza un sustrato de lámina metálica como electrodo de trabajo. Un material inerte proporciona el contraelectrodo, y el electrodo de referencia mide y controla el potencial. El electrodo de referencia permite que el proceso se realice de forma potenciostática, lo que permite controlar el potencial del sustrato. [12]
La electrodeposición simultánea debe superar el hecho de que los potenciales de reducción estándar de los elementos no son iguales, lo que provoca la deposición preferencial de un solo elemento. Este problema se suele aliviar añadiendo iones contrarios a la solución para cada ion que se va a depositar (Cu 2+ , Se 4+ , In 3+ y Ga 3+ ), modificando así el potencial de reducción de ese ion. Además, el sistema Cu-Se tiene un comportamiento complicado y la composición de la película depende de la relación de flujo de iones Se 4+ /Cu 2+ que puede variar en la superficie de la película. Esto requiere que se optimicen las concentraciones de precursores y el potencial de deposición. Incluso con la optimización, la reproducibilidad es baja en áreas grandes debido a las variaciones de composición y las caídas de potencial a lo largo del sustrato. [ cita requerida ]
Las películas resultantes tienen granos pequeños, son ricas en Cu y generalmente contienen fases Cu 2−x Se x junto con impurezas de la solución. Se requiere recocido para mejorar la cristalinidad. Para eficiencias superiores al 7%, se requiere una corrección estequiométrica. La corrección se realizó originalmente mediante deposición física de vapor a alta temperatura, lo que no es práctico en la industria. [ cita requerida ]
Actualmente, Solopower produce células con una eficiencia de conversión >13,7 % según NREL. [38]
En este proceso, se depositan por separado dos películas precursoras diferentes sobre un sustrato y un superestrato. Las películas se presionan juntas y se calientan para liberar la película del superestrato reutilizable, dejando un absorbente CIGS sobre el sustrato (Figura 5). Heliovolt patentó este procedimiento y lo denominó proceso FASST. En principio, los precursores se pueden depositar a baja temperatura utilizando técnicas de deposición de bajo costo, lo que reduce el costo del módulo. Sin embargo, las primeras generaciones de productos utilizan métodos de PVD a temperaturas más altas y no alcanzan el potencial de reducción de costos total. Con el tiempo, se podrían utilizar sustratos flexibles en este proceso. [ cita requerida ]
Las características típicas de las películas no se conocen fuera de la empresa, ya que no se han realizado investigaciones en laboratorios financiados de forma independiente. Sin embargo, Heliovolt afirmó que la eficiencia máxima de las celdas es del 12,2 %. [ cita requerida ]
La coevaporación, o codeposición, es la técnica de fabricación de CIGS más utilizada. El proceso de coevaporación de Boeing deposita bicapas de CIGS con diferentes estequiometrías sobre un sustrato calentado y permite que se entremezclen. [ cita requerida ]
El NREL desarrolló otro proceso que implica tres pasos de deposición y produjo el actual poseedor del récord de eficiencia de CIGS con un 20,3%. El primer paso en el método del NREL es la codeposición de In, Ga y Se. A esto le sigue Cu y Se depositados a una temperatura más alta para permitir la difusión y la mezcla de los elementos. En la etapa final, In, Ga y Se se depositan nuevamente para hacer que la composición general sea deficiente en Cu. [12]
Würth Solar comenzó a producir células CIGS utilizando un sistema de coevaporación en línea en 2005 con eficiencias de módulo entre 11% y 12%. Abrieron otra planta de producción y continuaron mejorando la eficiencia y el rendimiento. Otras empresas que ampliaron los procesos de coevaporación incluyen Global Solar y Ascent Solar . [35] Global Solar utilizó un proceso de deposición en línea de tres etapas. En todos los pasos, Se se suministra en exceso en la fase de vapor. In y Ga se evaporan primero seguidos de Cu y luego In y Ga para hacer que la película sea deficiente en Cu. Estas películas se desempeñaron bastante favorablemente en relación con otros fabricantes y absorbentes cultivados en NREL y el Instituto de Conversión de Energía (IEC). [14] Sin embargo, los módulos de películas de Global Solar no se desempeñaron tan bien. La propiedad en la que el módulo obviamente tuvo un rendimiento inferior fue un bajo V OC , que es característico de una alta densidad de defectos y altas velocidades de recombinación. La capa absorbente de Global Solar superó al absorbente NREL en vida útil del portador y movilidad de Hall. Sin embargo, como células completas, la muestra NREL tuvo un mejor desempeño. Esto es evidencia de una interfaz CIGS/CdS deficiente, posiblemente debido a la falta de una capa superficial de ODC en la película Global Solar. [ cita requerida ]
Las desventajas incluyen problemas de uniformidad en áreas grandes y la dificultad relacionada de coevaporar elementos en un sistema en línea. Además, las altas temperaturas de crecimiento aumentan el presupuesto térmico y los costos. Además, la coevaporación está plagada de una baja utilización del material (deposición en las paredes de la cámara en lugar del sustrato, especialmente para el selenio) y un costoso equipo de vacío. [17] [37] Una forma de mejorar la utilización del Se es a través de un proceso de craqueo de selenio mejorado térmicamente o con plasma, [39] [40] que se puede acoplar con una fuente de haz de iones para la deposición asistida por haz de iones . [41]
La deposición química en fase de vapor (CVD) se ha implementado de múltiples maneras para la deposición de CIGS. Los procesos incluyen CVD orgánico metálico a presión atmosférica (AP- MOCVD ), CVD mejorado con plasma ( PECVD ), MOCVD a baja presión (LP-MOCVD) y MOCVD asistido por aerosol (AA-MOCVD). La investigación está intentando cambiar de precursores de doble fuente a precursores de fuente única. [12] Los precursores de múltiples fuentes deben mezclarse homogéneamente y las velocidades de flujo de los precursores deben mantenerse en la estequiometría adecuada. Los métodos de precursor de fuente única no sufren estos inconvenientes y deberían permitir un mejor control de la composición de la película.
A partir de 2014, la CVD no se utilizó para la síntesis comercial de CIGS. Las películas producidas por CVD tienen una baja eficiencia y un bajo VO , en parte como resultado de una alta concentración de defectos. Además, las superficies de las películas son generalmente bastante rugosas, lo que sirve para reducir aún más el VO . Sin embargo, la deficiencia de Cu requerida se ha logrado utilizando AA-MOCVD junto con una orientación de cristal (112).
Las temperaturas de deposición por CVD son inferiores a las que se utilizan para otros procesos, como la coevaporación y la selenización de precursores metálicos. Por lo tanto, la CVD tiene un presupuesto térmico menor y costos más bajos. Los posibles problemas de fabricación incluyen las dificultades para convertir la CVD en un proceso en línea, así como el costo de manipulación de precursores volátiles.
Las películas de CIS se pueden producir mediante deposición por electropulverización . La técnica implica la pulverización asistida por un campo eléctrico de tinta que contiene nanopartículas de CIS directamente sobre el sustrato y luego la sinterización en un entorno inerte. [42] La principal ventaja de esta técnica es que el proceso se lleva a cabo a temperatura ambiente y es posible combinar este proceso con algún sistema de producción continua o en masa como el mecanismo de producción de rollo a rollo. [43]
Los conceptos de pasivación de la superficie trasera de las células solares CIGS muestran el potencial para mejorar la eficiencia. El concepto de pasivación trasera se ha tomado de la tecnología de pasivación de las células solares de silicio. [44] Se han utilizado Al2O3 y SiO2 como materiales de pasivación. Los contactos puntuales de tamaño nanométrico en la capa de Al2O3 [45] y los contactos lineales en la capa de SiO2 [46] proporcionan la conexión eléctrica del absorbedor CIGS al electrodo trasero de molibdeno. Los contactos puntuales en la capa de Al2O3 se crean mediante litografía por haz de electrones y los contactos lineales en la capa de SiO2 se crean mediante fotolitografía. También se observa que la implementación de las capas de pasivación no cambia la morfología de las capas CIGS.
