Growth and Characterization of High Efficiency CdTe/CdS Solar Cells

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1 Diss. ETH Nr Growth and Characterization of High Efficiency CdTe/CdS Solar Cells A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZÜRICH For the degree of DOCTOR OF NATURAL SCIENCES presented by Alessandro Romeo Master of Science Degree in Physics, University of Parma Born October 6, 1969 Parma, Italy Citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Gernot Kostorz examiner Prof. Marc Burgelman co-examiner Dr. Ayodhya Nath Tiwari co-examiner P.D. Dr. Hans Zogg co-examiner 2002

2 Sommario Questa tesi descrive lo sviluppo di diversi tipi di celle solari a film sottili di CdTe/CdS e le loro caratteristiche strutturali e opto-elettroniche. La crescita di strati policristallini di CdS (strato finestra) e di CdTe (assorbitore di luce), la loro qualità cristallina, la struttura degli strati e della interfaccia e l influenza del trattamento di CdCl 2 sono presentati e discussi. Sono stati sviluppati processi per la preparazione di celle solari di CdTe in configurazione superstrato e substrato ed è stata ottenuta un efficienza di 12.3 %.Viene inoltre presentata una caratterizzazione strutturale della regione di interfaccia del CdS/CdTe. Lo strato di CdS policristallino viene cresciuto per evaporazione da alto vuoto o deposizione per bagno su diversi tipi di ossidi trasparenti conduttori (TCO). Immagini da microscopio a forza atomica mostra che la morfologia dei grani di CdS va da 0.1 a 0.5 µm a seconda del tipo di substrato, del processo di crescita e delle condizioni di annealing. È stato osservato che il trattamento con CdCl 2 ricristallizza il CdS. Gli strati di CdTe policristallino sono cresciuti per evaporazione in alto vuoto (10 8 ) su substrati di CdS/TCO/vetro. Gli strati vengono poi ricristallizzati depositandovi CdCl 2 e riscaldandoli in aria (trattamento di CdCl 2 ). Immagini al microscopio elettronico (SEM) hanno mostrato che i grani di CdTe crescono con una grandezza che va da 0.5 a 2 µm (a seconda del substrato: CdS e ossido trasparente conduttore) e dopo il trattamento col CdCl 2 i grani possono raggiungere grandezze fino a 10 µm. Questi grani hanno una morfologia irregolare con larghi bordi di grano. Una analisi di diffrazione di raggi X ha indicato che il CdTe cresce orientato prevalentemente lungo la direzione (111) e che questa orientazione è fortemente dipendente dal substrato e dalla temperatura di crescita. Inoltre dopo il trattamento col CdCl 2, xv

3 il CdTe perde orientazione preferenziale tendendo a riorientarsi in altre direzioni, diverse a seconda del trattamento e del processo di crescita. L intermixing di CdS e di CdTe all interfaccia è stato studiato con analisi a raggi X, calcolando il passo reticolare di strati CdTe su CdS con differenti trattamenti di post-deposizione. E stato osservato che il processo di crescita e il trattamento di post-deposizione influenza l intermixing. È stato sviluppato un processo a bassa temperatura ( 450 C) per la preparazione di celle solari di CdTe/CdS in configurazione superstrato. CdS e CdTe sono stati susseguentemente evaporati nella stessa camera da vuoto su vetri con TCO. Prima della deposizione del CdTe, il CdS è stato scaldato in vuoto a 450 C per stabilizzare lo strato e controllare l intermixing con il CdTe. Dopo il trattamento di ricristallizzazione del CdTe, viene applicato un contatto Cu/Au sulla superficie del CdTe e la cella viene scaldata per 20 minuti. Questo semplice processo ha dimostrato una alta riproducibilità e sono state preparate celle solari con efficienze fino a 12.3 % su vetro. Sono state preparate e studiate celle solari in configurazione substrato (configurazione invertita). Gli strati di CdTe sono stati depositati su molibdeno (depositato per DC sputtering) o su strati di Sb/Mo. Dopo la ricristallizzazione del CdTe, gli strati di CdS sono stati depositati e ricristallizzati. Infine uno strato di ossido trasparente conduttore (ZnO:Al) è stato depositato per RF (radiofrequenza) sputtering. Immagini al microscopio elettronico hanno mostrato che i grani del CdTe depositato su molibdeno hanno una diversa morfologia e ricristallizzazione rispetto a quelli depositati su CdS. Diffrazione di raggi X su CdTe hanno mostrato che il CdTe è orientato 111 e che il trattamento di ricristallizazione, in questo caso e meno efficace nella riorientazione dei grani. Celle solari di CdTe/CdS sono state irraggiate con protoni ad alta energia di diverse fluenze in modo da testare l instabilità nello spazio. Caratteristiche I-V e misure di risposta spettrale delle celle solari prima e dopo l irraggiamento da protoni hanno mostrato che c è una minima degradazione del 10 % solo nel caso di protoni con alta fluenza e che non c è degradazione ma anzi un miglioramento dei parametri fotovoltaici per fluenze più basse. Una alta stabilità, una alta potenza specifica (rapporto kw/kg) e un basso xvi

4 costo di queste celle le rende una valida alternativa alle convenzionali celle di silicio e GaAs per applicazioni spaziali. Un processso per la preparazione di celle solari di CdTe/CdS su polimeri flessibili è stato ideato e realizzato. Un polimero realizzato nel nostro laboratorio è stato depositato su vetro (precedentemente coperto da NaCl) per spin coating, poi un ossido trasparente conduttore è stato depositato per RF sputtering e gli strati di CdS/CdTe sono stati depositati seguendo le procedure standard per le celle su vetro. Dopo aver depositato il contatto superiore la cella è stata staccata dal vetro dissolvendo il NaCl in acqua. Questi dispositivi hanno una alta riproducibilita e una efficienza dell 11 % che risulta essere fino ad ora la più alta efficienza registrata per celle solari di CdTe/CdS flessibili. xvii

5 Summary This thesis describes the development of different type of CdTe/CdS thin film solar cells and their structural and opto-electronics characteristics. The growth of polycrystalline layers of CdS (window layer) and CdTe (light absorber), their crystal quality, the microstructure of the layers and interfaces, and the influence of the CdCl 2 annealing treatment are presented. Processes for the preparation of CdTe solar cells in the superstrate and substrate configurations were developed and a solar cell conversion efficiency of up to 12.3 % was achieved. A structural characterization of the CdS/CdTe interfacial region is presented. Polycrystalline CdS layers were grown by high vacuum evaporation or by chemical bath deposition on different type of transparent conducting oxide coated glass. Atomic force microscopy images showed that the layer morphology of CdS grains ranges from 0.1 to 0.5 µm depending on the substrate type, the growth process, and the annealing conditions. It has been observed that the CdCl 2 treatment is effective for the recrystallization of CdS. Polycrystalline CdTe layers were grown by evaporation in high vacuum (10 8 Torr) on CdS/TCO/glass substrates. The layers were then recrystallized with vapor deposition of CdCl 2 and annealed in air (CdCl 2 treatment). Scanning electron microscopy (SEM) images showed that the as-deposited CdTe grains are from 0.5 to 2 µm large (depending on the substrate: CdS and transparent conducting oxide) and after the CdCl 2 treatment grains can reach sizes of up to 10 µm. These grains have irregular morphology with large grain boundaries. X-ray diffraction patterns indicated that as-deposited CdTe is predominantly (111) oriented and that this orientation is strongly dependent on the substrate and the growth temperature. They also indicate that after the CdCl 2 treatment, CdTe looses the extent of preferred orientaxix

6 tion, tending to reorient in other directions that are different depending on the treatment and on the growth process. Intermixing of CdS and CdTe at the interface was studied with analysis of the X-ray diffraction patterns by calculating the lattice parameters of differently treated CdTe layers. It has been observed that the growth process and post-deposition treatment influence the intermixing. A low temperature ( 450 C) process for the preparation of CdTe/CdS superstrate solar cells was developed. On transparent conducting oxide coated glass CdS and CdTe were subsequently evaporated without breaking the vacuum. Prior to the deposition of CdTe, CdS was annealed in vacuum at 450 C to stabilize the layer and control the intermixing with CdTe. After recrystallization treatment of CdTe, a Cu/Au contact is applied on the top surface of CdTe and the cell is annealed for 20 minutes. This simple process exhibited a very high reproducibility and solar cells of efficiencies of up to 12.3 % were prepared on glass substrates. Solar cell in substrate configuration (inverted type) were prepared and studied. CdTe stacks were deposited on direct current sputtered molybdenum layer or on stacks of Sb/Mo layers. After recrystallization of CdTe, CdS layers were deposited and recrystallized. Finally transparent conducting oxide layer (ZnO:Al) was deposited by radio frequency sputtering technique. SEM images have shown that grains and morphology of CdTe deposited on Mo have different morphology and recrystallization compared to the ones deposited on CdS. X-ray diffraction patterns of CdTe have shown that CdTe is (111) oriented and that recrystallization treatment,in this case, is less effective for orientation loss. CdTe/CdS solar cells were irradiated with high energy protons of different fluences in order to test the instability in space environment. I-V characteristics and spectral response measurements of as-prepared and irradiated cells showed that a degradation of less than 10 % is registered only in case of high proton fluence and no degradation but an improvement of the performance is observed for lower fluences. High stability, high specific power (kw/kg ratio) and low cost of CdTe thin film solar cells make them a valid alternative to conventional Si and GaAs cells for space applications. xx

7 A process for the preparation of CdTe/CdS solar cells on flexible polymers was established. Non-commercial polyimide layer was spin-coated on sodium chloride coated glass, as transparent conducting oxide front contact ZnO:Al layer was grown by radio-frequency sputtering and the CdS/CdTe stacks were deposited by vacuum evaporation and standard cell fabrication procedure was adopted. After deposition of back contact the solar cell stack was detached from the glass by dissolving NaCl layer. These devices have high reproducibility and efficiency of 11 % which happens to be the highest efficiency reported for flexible CdTe/CdS solar cells. xxi