Chalcogenide Photovoltaics: Physics, Technologies, and Thin Film Devices

Chalcogenide Photovoltaics......Page 5
Contents......Page 7
Preface......Page 13
Symbols and Acronyms......Page 15
1.1 History of Cu(In,Ga)(S,Se)2 Solar Cells......Page 19
1.1.1 Milestones of Cu(In,Ga)(S,Se)2 Development......Page 21
1.2 History of CdTe Solar Cells......Page 23
1.2.1 Milestones of CdTe Development......Page 24
1.3 Prospects of Chalcogenide Photovoltaics......Page 25
2.1 Energies and Potentials......Page 27
2.2 Charge Densities and Fluxes......Page 29
2.3.1 Rules and Conventions......Page 31
2.3.2 Absorber/Window......Page 35
2.3.3 Absorber/Buffer/Window......Page 38
2.3.4 Interface States......Page 42
2.3.6 Deep Bulk States......Page 47
2.3.7 Bandgap Gradients......Page 50
2.4.1 Superposition Principle and Shifting Approximation......Page 54
2.4.2 Regions of Recombination......Page 55
2.4.3 Radiative Recombination......Page 58
2.4.4 Auger Recombination......Page 61
2.4.5 Defect Related Recombination......Page 62
2.4.5.1 SCR Recombination......Page 68
2.4.5.2 QNR Recombination......Page 78
2.4.5.3 Back Surface Recombination......Page 80
2.4.5.4 Interface Recombination......Page 81
2.4.6.1 SCR and QNR Recombination......Page 91
2.4.6.2 SCR and IF Recombination......Page 93
2.4.7 Barriers for Diode Current......Page 94
2.4.8 Bias Dependence......Page 96
2.4.9 Non-Homogeneities......Page 97
2.5 Light Generated Currents......Page 98
2.5.1 Generation Currents......Page 99
2.5.2 Generation Function......Page 102
2.5.3 Photo Current......Page 104
2.5.4.1 Absorber Quasi Neutral Region......Page 105
2.5.4.2 QNR with Graded Bandgap......Page 108
2.5.4.3 QNR with Back Surface Field......Page 109
2.5.4.4 Absorber Space Charge Region......Page 110
2.5.4.5 Buffer Layer......Page 112
2.5.4.6 Simulating the Collection Function......Page 113
2.5.5 Quantum Efficiency and Charge Collection Efficiency......Page 114
2.5.6 Barriers for Photo Current......Page 115
2.5.7.1 Width of SCR......Page 117
2.5.7.3 Photo Current Barriers......Page 118
2.6.1.1 DC Equivalent Circuit......Page 119
2.6.1.2 AC Equivalent Circuit......Page 121
2.6.1.3 Module Equivalent Circuit......Page 123
2.6.2.1 External Collection Efficiency......Page 125
2.6.2.2 Diode Parameters......Page 126
2.6.2.3 Open Circuit Voltage......Page 130
2.6.2.4 Fill Factor......Page 134
2.6.3 Capacitance–Voltage Analysis......Page 137
2.6.4 Admittance Spectroscopy......Page 140
3.1 Absorber Bandgap......Page 147
3.2 Band Alignment......Page 149
3.3 Emitter Doping and Doping Ratio......Page 155
3.4 Fermi Level Pinning......Page 158
3.5 Absorber Doping......Page 160
3.6 Absorber Thickness......Page 165
3.7 Grain Boundaries......Page 168
3.8 Back Contact Barrier......Page 174
3.9 Buffer Thickness......Page 177
3.10 Front Surface Gradient......Page 180
3.11 Back Surface Gradients......Page 183
3.12 Monolithic Series Interconnection......Page 189
4.1.1 Physico-Chemical Properties......Page 193
4.1.2 Lattice Dynamics......Page 197
4.1.3.1 Practical Doping Limits......Page 198
4.1.3.3 Minority Carrier Lifetime......Page 200
4.1.4.1 CdTe......Page 203
4.1.4.2 Multinary Phases......Page 205
4.1.5 Surface Properties......Page 206
4.1.6 Properties of Grain Boundaries......Page 207
4.2 AI-BIII-CVI 2 Absorbers......Page 210
4.2.1.1 Ternary Phase Diagrams......Page 211
4.2.1.2 Multinary Phases......Page 216
4.2.1.3 Diffusion Coefficients......Page 218
4.2.2 Lattice Dynamics......Page 219
4.2.3 Electronic Properties......Page 221
4.2.3.1 Single Point Defects......Page 222
4.2.3.2 Defect Complexes......Page 227
4.2.3.3 Defect Spectroscopy......Page 228
4.2.3.4 Practical Doping Limits......Page 232
4.2.3.5 Carrier Mobility......Page 233
4.2.4 Optical Properties......Page 234
4.2.4.1 Ternary Semiconductors......Page 235
4.2.4.2 Multinary Semiconductors......Page 236
4.2.5.1 Surface Composition......Page 238
4.2.5.2 Surface Electronics......Page 240
4.2.6 Properties of Grain Boundaries......Page 242
4.4.1 Low Resistance Windows......Page 244
4.5 Interfaces......Page 248
5.1.1 Substrates......Page 253
5.1.2 Window Layers for CdTe Cells......Page 254
5.1.3 Buffer Layers for CdTe Cells......Page 255
5.1.4 CdTe Absorber Layer......Page 258
5.1.5 Activation by Chlorine Treatment......Page 261
5.1.6 Influence of Oxygen......Page 263
5.1.7 Influence of Copper......Page 264
5.1.8.1 Surface Modification......Page 267
5.1.8.2 Primary and Secondary Contacts......Page 268
5.1.9 Module Fabrication and Life Cycle Analysis......Page 269
5.2 Cu(In,Ga)(S,Se)2 Cells and Modules......Page 270
5.2.2 Back Contacts......Page 271
5.2.3 Cu(In,Ga)(S,Se)2 Absorber Layers......Page 273
5.2.3.1 Co-evaporation......Page 275
5.2.3.2 Deposition Reaction......Page 278
5.2.4 Influence of Sodium......Page 280
5.2.6 Influence of Sulfur......Page 283
5.2.7 Influence of Oxygen......Page 284
5.2.8.1 Chemical Bath Deposited CdS......Page 286
5.2.8.2 Alternative Buffer Layers......Page 288
5.2.9 Window Layers of CIGS......Page 290
5.2.10 Module Fabrication......Page 291
6.1.2 Diode Currents......Page 295
6.1.3 Collection Functions......Page 297
6.1.4 Device Anomalies......Page 298
6.1.5 Transient Effects and Metastability......Page 299
6.1.6 Device Model......Page 300
6.1.7 Stability......Page 303
6.2.1 Solar Cell Parameters......Page 304
6.2.2 Diode Currents......Page 306
6.2.3 Collection Function......Page 308
6.2.4.1 Relaxed State......Page 310
6.2.4.2 Models for Relaxed State......Page 311
6.2.4.3 Red Light Effect......Page 312
6.2.4.5 Blue Light Effect......Page 313
6.2.4.7 Reverse Bias Effect......Page 314
6.2.4.8 Models for Metastability......Page 315
6.2.4.9 Implications for Module Testing......Page 316
6.2.5 Device Model......Page 317
6.2.6 Stability......Page 320
7.1.1 Roll Over Effect......Page 323
7.1.3 Kink in Light JV Curve......Page 324
7.1.4 Violation of Shifting Approximation......Page 325
7.2.2 Reduced Voc but High Jsc......Page 326
7.3.2 Activation Energy Ea < Eg,a......Page 327
7.3.4 Diode Quality Factor Temperature-Dependent......Page 328
7.4.3 Low Blue Response in IQE......Page 329
7.4.5 Quantum Efficiency Low at All Wavelengths......Page 330
7.5.1 Voc Time-Dependent with dVoc/dt > 0......Page 331
7.5.2 Voc Time-Dependent with dVoc/dt < 0......Page 332
8 Appendix B: Tables......Page 333
References......Page 339
Index......Page 379