Development of industrially viable nanotechnology for thin film solar cells

Abstract

Recent geo-politics events reinforced the need to accelerate efforts towards a green energy transition. With the photovoltaics (PV) technology showing already a high demand and growth in global installation power. To keep increasing its global capacity the PV industry must increase its performance, while reducing the use of critical raw materials. Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) based solar cells emerge as an alternative to the PV market leader, Silicon (Si) solar cells, as they allow for reducing material and fabrication costs, while enabling the use for flexible, lightweight applications and improving integration into integrated applications such as building integrated photovoltaics. Currently, to increase the technology competiveness and reduce the use of critical raw materials, the absorber thickness must decrease towards the ultrathin range. However, ultrathin CIGS devices show high interface recombination and optical losses. To tackle rear interface recombination, the CIGS technology mimicked the strategy used in Si PV by introducing a patterned dielectric layer at the rear interface. Whereas, to tackle optical losses, novel strategies must be developed to improve its optical performance. The implementation of electrical and optical losses strategies in ultrathin CIGS devices, should be conducted with techniques that allows upscaling towards the industry. This doctoral thesis will focus on the fabrication and implementation of light trapping and rear passivation architectures for ultrathin CIGS devices, using up scalable lithography processes. For that nanoimprint lithography (NIL) will be used as it allows for a high resolution, high throughput towards large area substrates at a low costs. Furthermore, the influence of rear interface passivation in conjugation with a post deposition treatment (PDT) will be discussed as well the optimization of the demoulding step in a NIL process. Chapter 1, provides a brief introduction to the PV market as well as the position of CIGS technology. Then, the main parameters to evaluate a solar cell will be described together with the respective formulation. A typical CIGS solar cells structure will be described and each individual layer will be scrutinized, and the most common fabrication processes will be mentioned. The losses of ultrathin CIGS devices will be summarized, and we will give a summary of the deposition techniques used for the dielectric layer, i.e: RF sputtering, Atomic layer deposition and plasma enhanced deposition. At the end of the chapter an outline of the remaining chapters will be provided. Next, Chapter 2 provides a state of the art review of NIL fabrication processes used for implementing light trapping architectures in solar cells, which will be discussed in Paper 1. First, an overview of thermal and UV NIL processes will be given. Then, the stamp fabrication processes, the imprint parameters and influence of light trapping architectures on the device performance will be provided for Silicon, CIGS, CdTe, perovskites and organic solar cells. This review showed that so far little architectures have been implemented in CIGS solar cell using NIL, and reinforced the main objective of this thesis. Chapter 3, will focus on the implementation of light trapping architectures at the rear interface of ultrathin CIGS devices. This chapter includes, two studies (Paper 2 and Paper 3), both presenting different architectures. In the first study, Paper 2, an architecture based on a patterned metallic/dielectric layer is provided. Optical simulations were performed to study the optical losses of ultrathin devices and studied the influence of the fabricated architecture on the devices optical performance. The devices performances were evaluated by current density against voltage (J-V) measurements with and indicated that several metallic layers may have reacted with CIGS elements degrading its performances. The architecture in Paper 2, indicated that for highly reflective metals optimization is required to prevent its reaction during the CIGS growth. With the objective to prevent such reaction a novel architectures was fabricated, based on a Mo lift off process, which is shown in Paper 3. Scanning Transmission Electron Microscopy – Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (STEM-EDS) was used to studied the reaction between the metallic layer and the CIGS, with J-V and optical simulations being used to evaluate the device performance. Chapter 4, studies the influence of rear interface passivation in conjugation with a post deposition treatment (PDT). Paper 4 shows that using only one strategy is ineffective at mitigating losses present in ultrathin devices and both strategies show a compound effect. Temperature current against voltage (J-V-T), admittance circuit fitting and Time resolved photoluminescence (TRPL) were performed to studied the device recombination mechanisms. A presence of a front interface barrier was hinted by SCAPS 1-D simulations and depth profile- X-ray Photoelectron Spectroscopy measurements. Such results, point to a need to introduce both strategies for ultrathin devices, which will become critical when manipulating the CIGS front surface. Chapter 5, presents a NIL process for implementing a rear interface passivation on ultrathin CIGS devices. Paper 5, describes a NIL process for patterning small area rigid and large area flexible substrates, and is benchmarked with EBL patterning. Scanning Electron Microscopy (SEM) top view images were used to study the NIL process. The patterned devices show similar performance between the rigid substrates with the flexible device showing a small decrease in performance. J-V measurements were performed to compare the device performance, with XPS surveys being used to study the etch-by products and SCAPS 1-D fit procedure being used. STEM-EDS and TRPL measurements were performed to study the influence of a possible impurity diffusion from the flexible substrate towards the absorber. The mechanical stability of a flexible CIGS device was also tested. The following chapter (Chapter 6), studied the chemical properties of the antisticking layer and its influence on the final feature size, during a NIL process. Paper 6, shows similar chemical properties and hydrophobic behaviour for the studied ASL thickness values. The influence of the ASL thickness on the final features size, was studied using 100 and 400 nm point contact stamps and varying the thickness values. Life time test of the thinnest ASL were performed with XPS being used to study the ASL chemical composition after the imprinit. The final chapter (Chapter 7) summarizes the main achievements achieved throughout the thesis. It is provided a comparison between each lithography technique used in this thesis and its contribution towards the shown results and the work flow. In the end, personal comments of future work and how NIL could be integrated into CIGS technology is provided.

Recente geopolitieke gebeurtenissen versterkten de noodzaak om de groene energietransitie te versnellen, met de fotovoltaïsche (PV) technologie die nu al een grote vraag en groei van het wereldwijde installatievermogen laat zien. Om haar wereldwijde capaciteit te blijven vergroten, moet de PV-industrie efficiënter worden en tegelijkertijd het gebruik van kritieke grondstoffen verminderen. Op Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) gebaseerde zonnecellen zijn interessant als een alternatief voor de PV-marktleider, Silicium (Si) zonnecellen, omdat ze het mogelijk maken om de materiaal- en fabricagekosten te verlagen, terwijl ze het gebruik mogelijk maken voor flexibele, lichtgewicht toepassingen en verbetering van de integratie in geïntegreerde toepassingen, zoals het bouwen van geïntegreerde fotovoltaïsche cellen. Om het technologische concurrentievermogen te vergroten en het gebruik van kritieke grondstoffen te verminderen, moet de dikte van de absorber verder afnemen in de richting van het ultradunne bereik. Ultradunne CIGS-zonnecellen vertonen echter een hoge interface-recombinatie en optische verliezen. Om de recombinatie van het achtercontact aan te pakken, bootste de CIGS-technologie de strategie na die wordt gebruikt in Si PV door een diëlektrische laag met een patroon op het achtercontact te introduceren.Om optische verliezen aan te pakken, moeten nieuwe strategieën worden ontwikkeld. De implementatie van strategieën voor elektrische en optische verliezen in ultradunne CIGS zonnecellen te verminderen, moet worden uitgevoerd met technieken die industriële opschaling mogelijk maken. Dit doctoraatsproefschrift zal zich richten op de fabricage en implementatie van light trapping en rear passiveringsarchitecturen voor ultradunne CIGSzonnecellen, gebruikmakend van schaalbare lithografieprocessen. Hiervoor zal nano-imprintlithografie (NIL) worden gebruikt, omdat het een hoge resolutie, hoge doorvoer naar substraten met een groot oppervlak tegen lage kosten mogelijk maakt. Verder zal de invloed van passivering van het achterste grensvlak in conjugatie met een post-depositiebehandeling (PDT) worden besproken, evenals de optimalisatie van de onthechtingsstap in een NIL-proces. Hoofdstuk 1 geeft een korte inleiding over de PV-markt en de positie van CIGStechnologie. Vervolgens worden de belangrijkste parameters voor het evalueren van een zonnecel beschreven, samen met de bijbehorende formulering. Een typische CIGS-zonnecelstructuur zal worden beschreven en elke individuele laag zal nauwkeurig worden bekeken, en de meest voorkomende fabricageprocessen zullen worden genoemd. De verliezen van ultradunne CIGS zonnecellen zullen worden samengevat en we zullen een samenvatting geven van de afzettingstechnieken die worden gebruikt voor de diëlektrische laag, d.w.z.: RFsputteren, afzetting van atoomlagen en plasma afzetting. Aan het einde van het hoofdstuk wordt een overzicht gegeven van de resterende hoofdstukken. Hoofdstuk 2 geeft vervolgens een state-of-the-art overzicht van NILfabricageprocessen die worden gebruikt voor het implementeren van lichtvangende architecturen in zonnecellen, hetgeen zal worden besproken in Paper 1. Eerst zal een overzicht worden gegeven van thermische en UV-NILprocessen. Vervolgens worden de stempelfabricageprocessen, de afdrukparameters en de invloed van light trapping-architecturen op de apparaatprestaties geleverd voor Silicium, CIGS, CdTe, perovskieten en organische zonnecellen beschreven. Dit overzicht toonde aan dat er tot nu toe weinig architecturen zijn geïmplementeerd in CIGS-zonnecellen met behulp van NIL, en versterkte de hoofddoelstelling van dit proefschrift. Hoofdstuk 3 zal zich richten op de implementatie van light trapping-architecturen op de achtercontact van ultradunne CIGSzonnecellen. Dit hoofdstuk bevat twee studies (Paper 2 en Paper 3), die beide verschillende architecturen presenteren. In de eerste studie, Paper 2, wordt een architectuur verschaft die gebaseerd is op een gedessineerde metaal/diëlektrische laag. Optische simulaties werden uitgevoerd om de optische verliezen van ultradunne apparaten te bestuderen en de invloed van de gefabriceerde architectuur op de optische prestaties van de apparaten. De prestaties van de zonnecel werden geëvalueerd door metingen van stroomdichtheid tegen spanning (J-V) en gaven aan dat verschillende metaallagen mogelijk hebben gereageerd met CIGS-elementen die de prestaties verslechterden. De architectuur in Paper 2 gaf aan dat voor sterk reflecterende metalen optimalisatie vereist is om de reactie ervan tijdens de CIGS-groei te voorkomen. Met als doel een dergelijke reactie te voorkomen, werd een nieuwe architectuur gefabriceerd, gebaseerd op een Mo-lift-off-proces, dat wordt getoond in Paper 3. Scanning Transmission Electron Microscopy – Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (STEM-EDS) werd gebruikt om de reactie te bestuderen tussen de metaallaag en de CIGS, waarbij J-V en optische simulaties worden gebruikt om de prestaties van het apparaat te evalueren. In Hoofdstuk 4 wordt de invloed van passivering van het achterste grensvlak in conjugatie met een post-depositiebehandeling (PDT) beschreven. Paper 4 laat zien dat het gebruik van slechts één strategie niet effectief is bij het verminderen van verliezen in ultradunne zonnecellen en dat beide strategieën een optelsom van de effecten laten zien. Temperatuurstroom tegen spanning (JVT), fitten van het toelatingscircuit en tijdsopgeloste fotoluminescentie (TRPL) werden uitgevoerd om de recombinatiemechanismen van zonnecellen te bestuderen. Een aanwezigheid van een grensvlak aan de voorzijde werd gesuggereerd door SCAPS 1-D simulaties dat werd bevestigd met diepteprofiel- X-ray fotoelektronenspectroscopiemetingen. Dergelijke resultaten wijzen op de noodzaak om beide strategieën te introduceren voor ultradunne apparaten, die cruciaal zullen worden bij het manipuleren van het CIGS-vooroppervlak. Hoofdstuk 5 presenteert een NIL-proces voor het implementeren van passivatie van het achtercontact op ultradunne CIGS-apparaten. Paper 5 beschrijft een NILproces voor het modelleren van harde substraten met een klein oppervlak en flexibele substraten met een groot oppervlak, en wordt vergeleken met EBLpatroonvorming. Scanning Electron Microscopy (SEM) bovenaanzichtbeelden werden gebruikt om het NIL-proces te bestuderen. De apparaten met patroon vertonen vergelijkbare prestaties tussen de harde substraten, waarbij de flexibele zonnecellen een kleine afname in prestaties laten zien. Er werden J-V-metingen uitgevoerd om de prestaties van de zonnecellen te vergelijken, waarbij XPSonderzoeken werden gebruikt om de etch--bijproducten te bestuderen en de SCAPS 1-D fit-procedure werd gebruikt. STEM-EDS- en TRPL-metingen werden uitgevoerd om de invloed van een mogelijke onzuiverheidsdiffusie van het flexibele substraat naar de absorber te bestuderen. De mechanische stabiliteit van een flexibel CIGS-apparaat werd ook getest. Het volgende hoofdstuk (Hoofdstuk 6) bestudeerde de chemische eigenschappen van de antikleeflaag (AKL) en de invloed ervan op de uiteindelijke kenmerkgrootte tijdens een NIL-proces. Paper 6 toont vergelijkbare chemische eigenschappen en hydrofoob gedrag voor de bestudeerde AKL-diktewaarden. De invloed van de AKL-dikte op de uiteindelijke grootte van de kenmerken werd bestudeerd met behulp van 100 en 400 nm puntcontactstempels en variërende diktewaarden. Levensduurtesten van de dunste AKL werden uitgevoerd waarbij XPS werd gebruikt om de chemische samenstelling van AKL na de afdruk te bestuderen. Het laatste hoofdstuk (Hoofdstuk 7) vat de belangrijkste resultaten samen die in dit proefschrift zijn bereikt. Er wordt een vergelijking gegeven tussen elke lithografietechniek die in dit proefschrift wordt gebruikt en zijn bijdrage aan de getoonde resultaten en de workflow. Uiteindelijk wordt persoonlijk commentaar gegeven op toekomstig werk en hoe NIL zou kunnen worden geïntegreerd in CIGS-technologie