Dunne film zonnecellen: op zoek naar flexibele en goedkopere energie
In de huidige evolutie naar elektrificatie van het net en een koolstof neutrale samenleving speelt zonne-energie een immens belangrijke rol. Deze vorm van hernieuwbare energie is maar weinig beperkt door omgevingsfactoren, waar andere bronnen wel door worden tegengehouden. PV zal ongetwijfeld uitgroeien tot een van de belangrijkste vormen van elektrische energieproductie. Het draagt bij tot de ambitie van de Europese Unie, doormiddel van energie besparingen, diversificatie van energiebronnen en een versneld uitrollen van hernieuwbare energie. De EU Solar Strategy bestaat uit het verdubbelen van de totale PV capaciteit en eisen dat elk nieuw gebouw voorzien wordt van zonnepanelen.
Transparante zonnecellen.
Het meest bekende type PV is ongetwijfeld op basis van silicium, maar er zijn tegenwoordig valabele alternatieven, zoals dunnefilm PV. Zij bieden vele voordelen welke voornamelijk het resultaat zijn van de hoge lichtabsorptie. Zo is er een minder dikke laag nodig om eenzelfde hoeveelheid licht te absorberen en vereisen deze cellen een veel lager materiaalgebruik. De dunnefilm zonnecellen zijn dus ook goedkoper. Daarnaast biedt de gereduceerde dikte ook de kans om deze zonnecellen te fabriceren op flexibele substraten. Dit voordeel kan benut worden bij onder andere Building Integrated PV (BIPV) en de integratie in tandem toepassingen, waar twee cellen bovenop elkaar gefabriceerd worden om meer van het zonnespectrum te benutten. De belangrijkste pijlers om dunne film onderzoek te rechtvaardigen zijn dus duurzaamheid (lager gebruik materialen/energie), tandem (hogere efficiëntie) en integrated PV (in building, vehicle of zelfs agri toepassingen).
Een van de meest bepalende factoren voor fotovoltaïsche toepassingen is de efficiëntie waarmee zonnelicht wordt omgezet in bruikbare elektrische energie. De efficiëntie van CIGS is nog steeds lager dan deze van de alomtegenwoordige silicium varianten omwille van fysische beperkingen maar ook andere materiaalkundige obstakels die nog onderzocht kunnen worden. In mijn onderzoek voor de masterproef werd een verbetering van de omzettings efficiëntie gerealiseerd door de procescondities tijdens het sputteren van de toplagen te optimaliseren . Zeker in het hele PV-gebeuren telt elke percent verbetering zwaar door.
Naast efficiëntie is ook de levensduur van een PV-installatie een essentiële factor. Bedrijven die investeren in hernieuwbare energie verwachten dat een installatie zo lang mogelijk rendabel blijft. Het is echter onvermijdelijk dat zonnecellen na verloop van tijd degraderen, waardoor hun prestatiekracht afneemt. Eens dat een installatie een bepaald piekvermogen niet meer behaalt, zal het vervangen moeten worden. Hierdoor zorgt een verbetering van de levensduur rechtstreeks voor een economisch, maar ook ecologisch, interessanter product. In mijn onderzoek werd vastgesteld dat het veranderen van een bepaalde parameter tijdens het sputteren ook hier significante verbeteringen teweeg bracht. In tegenstelling tot het normale proces, waar de degradatie een merkbare impact op de prestatie van de cellen, resulteerde het nieuwe proces in cellen met een verlengde levensduur. Een prestatiedaling op middellange termijn was zelfs niet merkbaar.
Als conclusie kan er gezegd worden dat met deze verbeteringen een succesvolle optimalisatie van de toplagen gerealiseerd werd. Mijn masterthesis heeft op die manier bijgedragen aan de inspanningen om van CIGS een interessantere PV keuze te maken. Dit werd gerealiseerd door cellen te fabriceren die beter presteren en minder degraderen. Beide verbeteringen dragen bij tot een garantie van de duurzaamheid. Zo worden dunne film PV steeds interessanter om in vele toepassingen gebruikt te worden. Goedkopere en meer performante hernieuwbare energie is dan ook essentieel voor een groene toekomst.
Het verlagen van de power bij het sputteren geeft betere efficienties.
Bibliografie
[1] DS New Energy, “Cigs zonneceltechnologie,” [online]. Available:
https://nl.dsisolar.com/info/cigs-solar-cell-technology-32787367.html [Accessed: 12-04-
2022].
[2] W. N. Shafarman and L. Stolt, Cu(InGa)Se2 Solar Cells, chapter 13 in Handbook of Photovoltaic
Science and Engineering. Newark: Wiley, 2011.
[3] Matt Hughes, “What is rf sputtering?,” [online]. Available:
https://http://www.semicore.com/news/92-what-is-rf-sputtering [Accessed: 10-04-2022].
[4] T. Karasawa and Y. Miyata, “Electrical and optical properties of indium tin oxide thin films
deposited on unheated substrates by d.c. reactive sputtering ,” Thin Solid Fimls, vol. 223,
pp. 135–139, 1993.
[5] Y.-S. Kim, “Influence of O2 admixture and sputtering pressure on the properties of ITO
thin films deposited on PET substrate using RF reactive magnetron sputtering ,” Surface
and Coatings Technology, vol. 173, no. 2-3, pp. 299–308, 2003.
[6] M.-J. Zhao et al., “Effect of working pressure on Sn/In composition and optoelectronic
properties of ITO films prepared by high power impulse magnetron sputtering,” Vacuum,
vol. 196, 2022.
[7] M. H. Ahn, “Characteristics of ITO-resistive touch film deposited on a PET substrate by
in-line DC magnetron sputtering,” Vacuum, vol. 101, pp. 221–227, 2014.
[8] K.-S. Tseng and Y.-L. Lo, “Effect of sputtering parameters on optical and electrical properties
of ITO films on PET substrates,” Applied Surface Science, vol. 285, no. Part B,
pp. 157–166, 2019.
[9] W.-S. Liu and H.-M. Cheng, “Indium tin oxide with titanium doping for transparent conductive
film application on CIGS solar cells,” Applied Surface Science, vol. 354, no. Part A,
pp. 31–35, 2015.
[10] S. Almhammadi et al., “Optimization of Intrinsic ZnO Thickness in Cu(In,Ga)Se2-Based
Thin Film Solar Cells,” Materials, vol. 12, no. 1365, 2005.
[11] J. L. Gray, The physics of the solar cell, chapter 3 in Handbook of Photovoltaic Science and
Engineering. West Lafayette: Wiley, 2011.
[12] L. Alvarez-Fraga, “Indium-tin oxide thin films deposited at room temperature on glass and
PET substrates: Optical and electrical properties variation with the H2–Ar sputtering gas
mixture,” Applied Surface Science, vol. 344, pp. 217–222, 2015.
59
[13] A. Klamchuen et al., “Characterization of ITO thin films on PET substrates prepared by
gas-timing RF magnetron sputtering,” e-Journal of Surface Science and Nanotechnology,
vol. 3, pp. 272–275, 2005.
[14] B. Yoo, “ITO/ATO/TiO2 triple-layered transparent conducting substrates for dye-sensitized
solar cells,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 92, no. 8, pp. 873–877, 2008.
[15] D. Kim, “Characterization of low pressure annealed ITO/Au/ITO films prepared by reactive
magnetron sputtering,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 493, no. 1-2, pp. 208–211,
2010.
[16] W. K. A. Kl¨oppel, “Dependence of the electrical and optical behaviour of ITO–silver–ITO
multilayers on the silver properties,” Thin Solid Films, vol. 365, no. 1, pp. 139–146, 2000.
[17] H. L. Yu Wen, “Transparent and conductive indium tin oxide/polyimide films prepared
by high-temperature radio-frequency magnetron sputtering,” Journal of Applied Polymer
Science, vol. 132, no. 44, 2015.
[18] S. M. Diederik Depla, Reactive Sputter Deposition. Gent: Springer, 2008.
[19] D. M. Mattox, The Foundations of Vacuum Coating Technology. Oxford: William Andrew,
2018.
[20] K. F. Toshiro Maruyama, “Indium tin oxide thin films prepared by chemical vapour deposition,”
Thin Solid Films, vol. 203, no. 2, pp. 297–302, 1991.
[21] J. H. Kim, “Electrical, structural, and optical properties of ITO thin films prepared at
room temperature by pulsed laser deposition,” Applied Surface Science, vol. 252, no. 13,
pp. 4834–4837, 2006.
[22] N. F. Cooray, “arge area ZnO films optimized for graded band-gap Cu(InGa)Se2-based thinfilm
mini-modules,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 49, pp. 291–297, 1997.
[23] W. Gao, “ZnO thin films produced by magnetron sputtering,” Ceramics International,
vol. 30, no. 7, pp. 1155–1159, 2004.
[24] A. Chen et al., “A new investigation of oxygen flow influence on ITO thin films by magnetron
sputtering,” Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 120, pp. 157–162, 2003.
[25] S. Yang and J. Zhong, “Influence of base pressure on property of sputtering deposited ITO
film,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, vol. 30, pp. 13005–13012, 2019.
[26] V. Teixeira et al., “Amorphous ITO thin films prepared by DC sputtering for electrochromic
application,” Thin Solid Films, vol. 420-421, pp. 70–75, 2002.
[27] T. Sathiaraj, “Effect of annealing on the structural, optical and electrical properties of ITO
films by RF sputtering under low vacuum level,” Microelectronics Journal, vol. 39, no. 12,
pp. 1444–1451, 2019.
[28] M. Medina-Montes et al., “Effect of Sputtered ZnO Layers on Behavior of Thin-Film Transistors
Deposited at Room Temperature in a Nonreactive Atmosphere,” Journal of Electronic
Materials, vol. 40, no. 6, pp. 1461–1469, 2011.
60
[29] H.-J. Yu et al., “Light-soaking effects and capacitance profiling in Cu(In,Ga)Se2 thin-film
solar cells with chemical-bath-deposited ZnS buffer layers,” Physical Chemistry Chemical
Physics, vol. 18, pp. 33211–33217, 2016.
