Una célula solar de seleniuro de galio, indio y cobre (o célula CIGS , a veces célula CI(G)S o CIS) es una célula solar de película delgada que se utiliza para convertir la luz solar en energía eléctrica. Se fabrica depositando una fina capa de solución sólida de seleniuro de cobre, indio y galio 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 delgada que la de otros materiales semiconductores.
CIGS es una de las tres principales tecnologías fotovoltaicas de película delgada (PV), siendo las otras dos 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 les permite depositarse 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. CIGS supera al polisilicio a nivel de celda, sin embargo, la eficiencia de su módulo es aún menor debido a una mejora menos madura. [1]
La cuota de mercado de película delgada se ha estancado en alrededor del 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 CIGS por sí sola 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 continúan desarrollándose, ya que prometen alcanzar eficiencias similares a las del silicio, manteniendo al mismo tiempo sus bajos costos, como es típico de la tecnología de película delgada. [3] Los principales fabricantes de energía fotovoltaica CIGS fueron las empresas Nanosolar y Solyndra , actualmente en quiebra . Actualmente el líder del mercado es la empresa japonesa Solar Frontier , mientras que Global Solar y GSHK Solar también fabrican módulos solares libres de metales pesados como cadmio y/o plomo. [4] Muchas empresas fabricantes de paneles solares CIGS han quebrado. [5]
CIGS es un material semiconductor compuesto I - III - VI 2 compuesto de cobre , indio , galio y selenio . El material es una solución sólida de seleniuro de cobre e indio (a menudo abreviado "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 (cobre puro seleniuro de indio) a 0 (seleniuro de cobre y galio puro). Es un semiconductor con enlaces tetraédricos , con estructura cristalina de calcopirita . La banda prohibida varía continuamente con x desde aproximadamente 1,0 eV (para seleniuro de cobre e indio) hasta aproximadamente 1,7 eV (para seleniuro de cobre y galio). [6]
CIGS tiene un coeficiente de absorción excepcionalmente alto, de más de 10 5 /cm para fotones de 1,5 eV y de energía superior. [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) de Alemania han reclamado células solares CIGS con eficiencias de alrededor del 20% ( traducido: Centro de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno ), que es el récord hasta la fecha para cualquier célula solar de película delgada . [9] [10] En 2024 se afirmó un récord de eficiencia de CIGS del 23,64%. [11]
Todos los absorbentes CIGS de alto rendimiento en células solares tienen similitudes independientemente de la técnica de producción. Primero, son fase α policristalina que tiene 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 (que aceptan 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).
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5. La ODC es de tipo n y forma una homounión pn en la película en la interfaz entre la fase α y la ODC. La velocidad de recombinación en la interfaz CIGS/CdS disminuye por la presencia de la homounión. La caída en la recombinación de la interfaz atribuible a la formación de 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 principal pérdida 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 comúnmente es suministrado por el sustrato de vidrio sodocálcico , pero en procesos que no utilizan este sustrato, el Na debe agregarse deliberadamente. Los efectos beneficiosos del Na incluyen aumentos en la conductividad tipo p , la textura y el tamaño promedio de grano. Además, la incorporación de Na permite mantener el rendimiento ante desviaciones estequiométricas mayores. [8] Las simulaciones han predicho que el Na en un sitio de In crea un nivel de aceptor superficial y que el Na sirve para eliminar defectos de In en Cu (donantes), pero las razones de estos beneficios son controvertidas. Al Na también se le atribuye el mérito de catalizar 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 única, 1,5 eV, lo óptimo es una relación Ga/(In+Ga) de aproximadamente 0,7. Sin embargo, en proporciones superiores a ~0,3, el rendimiento del dispositivo disminuye. Actualmente, la industria apunta a la relación 0,3 Ga/(In+Ga), lo que da como resultado bandas prohibidas entre 1,1 y 1,2 eV. Se ha postulado que la disminución del rendimiento se debe a que CGS no forma el ODC, que es necesario para una buena interfaz con CdS. [12]
Los dispositivos de mayor eficiencia muestran una texturización sustancial u orientación cristalográfica preferida . En los dispositivos de mejor calidad se observa una orientación superficial (204). [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, disminuyendo el voltaje de circuito abierto (V OC ). Los estudios también han relacionado un aumento en la densidad de defectos con una disminución del COV . Se ha sugerido que la recombinación en CIGS está dominada por procesos no radiativos. En teoría, la recombinación puede controlarse diseñando la película y es extrínseca al material. [14]
La estructura de dispositivo más común para células solares CIGS se muestra en el diagrama (consulte la Figura 1: Estructura de un dispositivo CIGS) . Comúnmente se utiliza como sustrato vidrio sodocálcico de aproximadamente 1 a 3 milímetros de espesor, porque las láminas de vidrio contienen sodio, que se ha demostrado que produce un aumento sustancial del voltaje en circuito abierto, [15] en particular a través de defectos en la superficie y en los límites de grano. pasivación. [16] Sin embargo, muchas empresas también están buscando sustratos más ligeros y flexibles, como poliimida o láminas metálicas. [17] Se deposita una capa de metal de molibdeno (Mo) (comúnmente mediante pulverización catódica ) que sirve como contacto posterior y refleja la mayor parte de la luz no absorbida hacia el absorbente CIGS. Después de la deposición de molibdeno , se cultiva una capa absorbente de CIGS tipo p mediante uno de varios métodos únicos. Se añade una fina capa amortiguadora de tipo n encima del absorbente. El tampón suele ser sulfuro de cadmio (CdS) depositado mediante deposición en baño químico . El amortiguador está recubierto con una fina capa intrínseca de óxido de zinc (i-ZnO) que está cubierta por una capa más gruesa de ZnO dopada con aluminio (Al). La capa de i-ZnO se utiliza para proteger el CdS y la capa absorbente del daño por pulverización catódica mientras se deposita la capa de ventana de ZnO:Al, ya que esta última generalmente se deposita mediante pulverización catódica con CC, lo que se conoce como proceso dañino. [18] El ZnO dopado con Al sirve como un óxido conductor transparente para recolectar 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 sus características ópticas y eléctricas versátiles, que en principio pueden manipularse y sintonizarse para una necesidad específica en un dispositivo determinado. [19]
CIGS se utiliza principalmente en forma de películas delgadas policristalinas . La mejor eficiencia lograda a septiembre de 2014 fue del 21,7%. [20] Un equipo del Laboratorio Nacional de Energías Renovables logró el 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 sobre láminas de polímero flexibles con una eficiencia récord del 20,4%. [23] Éstos muestran tanto la mayor eficiencia como la mayor flexibilidad.
El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU. confirmó una eficiencia del módulo del 13,8 % de un panel de producción de área grande (metros cuadrados) y una eficiencia del 13 % del área total (y del 14,2 % del área de apertura) con algunos módulos de producción. [22] En septiembre de 2012, la 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 apertura, que fue producido 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 eficiencias más altas (alrededor del 30%) utilizando ópticas para concentrar la luz incidente. El uso de galio aumenta la banda prohibida óptica de la capa CIGS en comparación con el CIS puro, aumentando así 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 una homounión , la estructura de las células CIGS es un sistema de heterounión más complejo . El CIGS, un material de banda prohibida directa , tiene una absorción de luz muy fuerte y una capa de sólo 1 a 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 a 190 μm.
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 cultivar cristales de gran tamaño, necesarios para las células de silicio convencionales, y, por tanto, reduce significativamente el tiempo de recuperación de la 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 cayeron rápidamente en los últimos años. Sin embargo, las células solares CIGS se han vuelto tan eficientes como las células de silicio multicristalino , 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 .
En la energía fotovoltaica, la "delgadez" generalmente se refiere a las llamadas 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 CIGS la compensación de eficiencia es menos severa que en el silicio. Las eficiencias récord de las celdas CIGS de película delgada son ligeramente inferiores a las de los CIGS para celdas 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 por otras tecnologías de película delgada, como la energía 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 9,5%, [33] respectivamente. En 2015, se cerró la brecha con otras tecnologías de película delgada, con eficiencias celulares récord en laboratorios del 21,5% para CdTe (FirstSolar) y del 21,7% para CIGS (ZSW). (Consulte también el cuadro de eficiencia celular de mejor investigación de NREL . [34] )
El proceso más común basado en vacío es coevaporar o copulverizar cobre, galio e indio sobre un sustrato a temperatura ambiente y luego recocer la película resultante con un vapor de seleniuro. Un proceso alternativo es coevaporar cobre, galio, indio y selenio sobre un sustrato calentado.
Un proceso alternativo sin 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.
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.
El entorno de suministro y selenización de Se 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 de Cu-In-Ga , la formación de compuestos binarios intermedios de seleniuro de metal 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. H 2 Se ofrece la incorporación de Se más rápida al absorbente; Se puede lograr un 50 at% 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, incluidos seleniuros metálicos y varias aleaciones . El uso de H 2 Se proporciona la mejor uniformidad de composición y los tamaños de grano más grandes. Sin embargo, el H 2 Se es altamente tóxico y está clasificado como un peligro para el medio ambiente .
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 rendimiento mayor que la coevaporación y se puede lograr más fácilmente la uniformidad de la composición.
La pulverización catódica de una multicapa apilada de metal (por ejemplo, una estructura de Cu/In/Ga/Cu/In/Ga...) produce una superficie más lisa y una mejor cristalinidad en el absorbente en comparación con una bicapa simple (aleación Cu-Ga/In) o pulverización catódica tricapa (Cu/In/Ga). Estos atributos dan como resultado dispositivos de mayor eficiencia, pero formar la multicapa es un proceso de deposición más complicado y no amerita el equipo adicional ni la complejidad adicional del proceso. [12] Además, las velocidades de reacción de las capas de Cu/Ga y Cu/In con Se son diferentes. Si la temperatura de reacción no es lo suficientemente alta o no se mantiene el tiempo suficiente, CIS y CGS se forman como fases separadas.
Entre las empresas que actualmente utilizan procesos similares se encuentran Showa Shell, Avancis , Miasolé , Honda Soltec y Energy Photovoltaics (EPV). [35] Showa Shell farfulló 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 sulfurización parece pasivar la superficie de una manera similar al CdS en la mayoría de las otras células. Por lo tanto, la capa amortiguadora utilizada no contiene 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 absorbente; sin embargo, su capa de CdS proviene de la deposición química de vapor. Los módulos vendidos por Shell Solar afirman tener una eficiencia del 9,4%.
Miasole había conseguido fondos de capital riesgo para su proceso y ampliación. Fraunhofer confirmó en 2019 un módulo récord de eficiencia de apertura del 17,4% .
EPV utiliza un híbrido entre coevaporación y pulverización catódica en el que In y Ga se evaporan en una atmósfera de Se. A esto le sigue la pulverización catódica de Cu y la selenización. Finalmente, In y Ga se evaporan nuevamente 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.
En este método, se utilizan nanopartículas de metal u óxido de metal como precursoras para el crecimiento de CIGS. Estas nanopartículas generalmente se suspenden en una solución a base de agua y luego se aplican en grandes áreas mediante diversos métodos, como la impresión. A continuación se deshidrata la película y, si los precursores son óxidos metálicos, se reduce en una atmósfera de H2 /N2 . Después de la deshidratación, la película porosa restante se sinteriza y 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, equipos sin vacío o con bajo vacío y adaptabilidad a la fabricación rollo a rollo . En comparación con las capas precursoras de metales laminares, las nanopartículas sinterizadas se selenizan más rápidamente. El aumento de la tasa es el resultado de la mayor superficie asociada con la porosidad . La porosidad produce superficies absorbentes más rugosas. El uso de precursores de partículas permite imprimir en una gran variedad de sustratos con una utilización de materiales del 90 % o más. Poca investigación y desarrollo apoyaron esta técnica.
Nanosolar informó una eficiencia de la celda (no del módulo) del 14 %, sin embargo, esto no fue verificado por ninguna prueba de laboratorio nacional , ni permitieron inspecciones in situ. En pruebas independientes [14], el absorbente de ISET tuvo la segunda eficiencia más baja con un 8,6%. Sin embargo, todos los módulos que superaron al módulo de ISET fueron coevaporados, proceso que tiene desventajas de fabricación y mayores costos. La muestra de ISET sufrió más de VOC bajo y factor de llenado bajo , lo que indica una superficie rugosa y/o una gran cantidad de defectos que ayudan a la recombinación. En relación con estos problemas, la película tenía malas propiedades de transporte, incluida una baja movilidad en el pasillo y una corta vida útil.
Los precursores pueden depositarse mediante electrodeposición. Existen dos metodologías: deposición de estructuras elementales en capas y deposición simultánea de todos los elementos (incluido el Se). Ambos métodos requieren tratamiento térmico en una atmósfera de Se para producir películas con calidad de 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.
La deposición simultánea emplea un electrodo de trabajo ( cátodo ), un contraelectrodo ( ánodo ) y un electrodo de referencia como en la Figura 4. Un sustrato de lámina metálica se utiliza como electrodo de trabajo en procesos industriales. 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, permitiendo 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 comúnmente se alivia agregando iones contrarios a la solución para cada ion que se va a depositar (Cu 2+ , Se 4+ , In 3+ y Ga 3+ ), cambiando 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 a lo largo de la superficie de la película. Esto requiere optimizar las concentraciones de precursores y el potencial de deposición. Incluso con la optimización, la reproducibilidad es baja en áreas grandes debido a variaciones de composición y posibles caídas a lo largo del sustrato.
Las películas resultantes tienen granos pequeños, son ricas en Cu y generalmente contienen fases de 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 cual no es práctico en la industria.
Actualmente, Solopower produce celdas 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 entre sí y se calientan para liberar la película del superestrato reutilizable, dejando un absorbente CIGS en 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 PVD de mayor temperatura y no logran todo el potencial de reducción de costos. Eventualmente se podrían utilizar sustratos flexibles en este proceso.
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 una eficiencia celular máxima del 12,2%.
La coevaporación o codeposición es la técnica de fabricación de CIGS más frecuente. El proceso de coevaporación de Boeing deposita bicapas de CIGS con diferentes estequiometrías sobre un sustrato calentado y les permite entremezclarse.
NREL desarrolló otro proceso que involucra tres pasos de deposición y produjo el actual poseedor del récord de eficiencia CIGS con un 20,3%. El primer paso en el método de 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 de Cu sea deficiente. [12]
Würth Solar comenzó a producir células CIGS utilizando un sistema de coevaporación en línea en 2005 con eficiencias de módulo de entre el 11% y el 12%. Abrieron otra instalación de producción y continuaron mejorando la eficiencia y el rendimiento. Otras empresas que están ampliando los procesos de coevaporación son Global Solar y Ascent Solar . [35] Global Solar utilizó un proceso de deposición en línea de tres etapas. En todos los pasos se suministra Se en exceso en la fase de vapor. Primero se evaporan In y Ga, seguidos por Cu y luego In y Ga para hacer que la película sea deficiente en Cu. Estas películas obtuvieron resultados bastante favorables en relación con otros fabricantes y con los absorbentes cultivados en el NREL y el Instituto para la Conversión de Energía (IEC). [14] Sin embargo, los módulos de las películas de Global Solar no funcionaron tan bien. La propiedad en la que el módulo tuvo un rendimiento inferior más evidente fue un VOC bajo , 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 cuanto a vida útil del portador y movilidad de la sala. Sin embargo, como celdas 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 ODC en la película Global Solar.
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 y los costos térmicos. Además, la coevaporación se ve afectada por una baja utilización de material (deposición en las paredes de la cámara en lugar del sustrato, especialmente para el selenio) y costosos equipos de vacío. [17] [37] Una forma de mejorar la utilización del Se es mediante un proceso de craqueo de selenio mejorado térmicamente o con plasma, [39] [40] que puede combinarse con una fuente de haz de iones para la deposición asistida por haz de iones . [41]
La deposición química de vapor (CVD) se ha implementado de múltiples formas para la deposición de CIGS. Los procesos incluyen CVD metalorgánico a presión atmosférica (AP- MOCVD ), CVD mejorado con plasma ( PECVD ), MOCVD de baja presión (LP-MOCVD) y MOCVD asistido por aerosol (AA-MOCVD). La investigación está intentando pasar de precursores de fuente dual a precursores de fuente única. [12] Los precursores de múltiples fuentes deben mezclarse homogéneamente y los caudales de los precursores deben mantenerse en la estequiometría adecuada. Los métodos de precursores de fuente única no adolecen de estos inconvenientes y deberían permitir un mejor control de la composición de la película.
A partir de 2014, CVD no se utilizó para la síntesis comercial de CIGS. Las películas producidas por CVD tienen baja eficiencia y un bajo VOC , en parte como resultado de una alta concentración de defectos. Además, las superficies de las películas son generalmente bastante rugosas, lo que sirve para disminuir aún más el VOC . Sin embargo, la deficiencia de Cu requerida se logró utilizando AA-MOCVD junto con una orientación cristalina (112).
Las temperaturas de deposición de CVD son más bajas que las utilizadas para otros procesos como la coevaporación y la selenización de precursores metálicos. Por lo tanto, CVD tiene un presupuesto térmico menor y costos más bajos. Los posibles problemas de fabricación incluyen dificultades para convertir el CVD en un proceso en línea, así como el gasto de manipulación de precursores volátiles.
Las películas CIS se pueden producir mediante deposición por electropulverización . La técnica implica la pulverización asistida por un campo eléctrico de tinta que contiene nanopartículas CIS sobre el sustrato directamente 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 continuo o en masa, como un mecanismo de producción 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 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 de línea en la capa de SiO2 [46] proporcionan la conexión eléctrica del absorbente CIGS al electrodo trasero de molibdeno. Los contactos puntuales en la capa de Al2O3 se crean mediante litografía de haz de electrones y los contactos lineales en la capa de SiO2 se crean mediante fotolitografía. También se ve que la implementación de las capas de pasivación no cambia la morfología de las capas CIGS.
