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Célula solar de seleniuro de cobre, indio y galio

Celda CIGS sobre un soporte de plástico flexible . Otras arquitecturas utilizan paneles CIGS rígidos intercalados entre dos láminas de vidrio. Una célula solar de seleniuro de c...

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Celda CIGS sobre un soporte de plástico flexible . Otras arquitecturas utilizan paneles CIGS rígidos intercalados entre dos láminas de vidrio.

Una célula solar de seleniuro de cobre, indio y galio ( célula CIGS , a veces llamada CI(G)S o CIS ) es un tipo de célula solar de película delgada . 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 frontal y posterior para captar la corriente eléctrica. 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.

El CIGS es una de las tres principales tecnologías fotovoltaicas (FV) de película delgada , 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 permite depositarlas sobre sustratos flexibles. Sin embargo, dado que todas estas tecnologías suelen utilizar técnicas de deposición a alta temperatura, el mejor rendimiento generalmente se obtiene con células depositadas sobre vidrio, aunque los avances en la deposición a baja temperatura de células CIGS han reducido considerablemente esta diferencia de rendimiento. El CIGS supera al polisilicio a nivel de célula, pero su eficiencia de módulo sigue siendo menor debido a una menor madurez en la ampliación de escala. [ 1 ]

La cuota de mercado de las células fotovoltaicas de película delgada se ha estancado en torno al 15 por ciento, dejando el resto del mercado fotovoltaico a las células solares convencionales de silicio cristalino . En 2013, la cuota de mercado de las células CIGS por sí sola era de aproximadamente el 2 por ciento y todas las tecnologías de película delgada combinadas cayeron por debajo del 10 por ciento. [ 2 ] Las células CIGS siguen desarrollándose, ya que prometen alcanzar eficiencias similares a las del silicio, manteniendo sus bajos costes, como es típico de la tecnología de película delgada. [ 3 ] Los fabricantes más destacados de células fotovoltaicas CIGS fueron las empresas Nanosolar y Solyndra , que posteriormente quebraron . El líder del mercado es la empresa japonesa Solar Frontier , con Global Solar y Group Solar Hong Kong (GSHK Solar) también produciendo módulos solares libres de metales pesados ​​como el cadmio y/o el plomo. [ 4 ] Muchas empresas fabricantes de paneles solares CIGS han quebrado. [ 5 ]

Propiedades

El CIGS es un material semiconductor compuesto I - III - VI2 formado por cobre , indio , galio y selenio . Es una solución sólida de seleniuro de cobre e indio (a menudo abreviado como "CIS") y seleniuro de cobre y galio, con la fórmula química CuIn x Ga (1−x) Se 2 , donde el valor de x puede variar de 1 (seleniuro de cobre e indio puro) a 0 (seleniuro de cobre y galio puro). Es un semiconductor con enlaces tetraédricos y estructura cristalina de calcopirita . La banda prohibida varía continuamente con x desde aproximadamente 1,0 eV (para el seleniuro de cobre e indio) hasta aproximadamente 1,7 eV (para el seleniuro de cobre y galio). [ 6 ]

Figura 1: Estructura de un dispositivo CIGS. El CdS se utiliza opcionalmente y algunas celdas CIGS no contienen cadmio en absoluto. [ 7 ]

El CIGS tiene un coeficiente de absorción excepcionalmente alto de más de 10 5 /cm para fotones de 1,5 eV y energías superiores. [ 8 ] El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (Empa) y el Centro Alemán de Investigación de Energía Solar e Hidrógeno ( ZSW) han afirmado que las células solares de CIGS tienen eficiencias cercanas al 20 %, lo que constituye el récord hasta la fecha para cualquier célula solar de película delgada . [ 9 ] [ 10 ] En 2024 se afirmó un récord de eficiencia del CIGS del 23,64%. [ 11 ]

Todos los absorbedores CIGS de alto rendimiento en células solares tienen similitudes independientemente de la técnica de producción. Primero, son de 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 (aceptores de electrones). Cuando las películas de CIGS son ricas en In (deficientes en Cu), la capa superficial de la película forma un compuesto de defectos ordenados (ODC) con una estequiometría de Cu(In,Ga)3 Se5. El ODC es de tipo n, formando una homounión pn en la película en la interfaz entre la fase α y el ODC. Lavelocidad de recombinaciónen la interfaz CIGS/CdS disminuye debido a la presencia de la homounión. La disminución de la recombinación en la interfaz atribuible a la formación del ODC se demuestra mediante experimentos que han mostrado que la recombinación en el volumen 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 ]

Figura 3: Celda unitaria de CIGS. Rojo = Cu, Amarillo = Se, Azul = In/Ga

La incorporación de sodio es necesaria para un rendimiento óptimo. La concentración ideal de Na se considera aproximadamente 0,1%. El Na se suministra comúnmente a través del sustrato de vidrio de cal sodada , pero en los procesos que no utilizan este sustrato, el Na debe agregarse deliberadamente. Los efectos beneficiosos del Na incluyen aumentos en la conductividad de tipo p , la textura y el tamaño promedio del grano. Además, la incorporación de Na permite que el rendimiento se mantenga sobre desviaciones estequiométricas mayores. [ 8 ] Las simulaciones han predicho que el Na en un sitio de In crea un nivel aceptor poco profundo y que el Na sirve para eliminar In en defectos de Cu (donantes), pero las razones de estos beneficios son controvertidas. También se le atribuye al Na la catálisis de la absorción de oxígeno . El oxígeno pasiva las vacantes de Se que actúan como donantes compensadores y centros de recombinación.

La aleación de CIS (CuInSe₂ ) con CGS (CuGaSe₂ ) aumenta la banda prohibida. Para alcanzar la banda prohibida ideal para una celda solar de unión simple, 1,5 eV, una relación Ga/(In+Ga) de aproximadamente 0,7 es óptima. Sin embargo, con relaciones superiores a ~0,3, el rendimiento del dispositivo disminuye. Actualmente, la industria apunta a una relación Ga/(In+Ga) de 0,3, lo que resulta en bandas prohibidas entre 1,1 y 1,2 eV. Se ha postulado que la disminución del rendimiento se debe a que el CGS no forma el ODC, que es necesario para una buena interfaz con el CdS. [ 12 ]

Los dispositivos de mayor eficiencia muestran una texturización sustancial o una 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, lo que disminuye el voltaje de circuito abierto (V OC ). Los estudios también han relacionado un aumento en la densidad de defectos con una disminución de V OC . Se ha sugerido que la recombinación en CIGS está dominada por procesos no radiativos. Teóricamente, la recombinación puede controlarse mediante la ingeniería de la película y es extrínseca al material. [ 14 ]

Estructura

La estructura de dispositivo más común para células solares CIGS se muestra en el diagrama (ver Figura 1: Estructura de un dispositivo CIGS) . El vidrio de sílice-soda de aproximadamente 1–3 milímetros de espesor se usa comúnmente como sustrato, porque las láminas de vidrio contienen sodio, que ha demostrado producir un aumento sustancial del voltaje de circuito abierto, [ 15 ] notablemente a través de la pasivación de defectos de superficie y de límite de grano. [ 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 molibdeno (Mo) (comúnmente por pulverización catódica ) que sirve como contacto posterior y refleja la mayor parte de la luz no absorbida de vuelta al absorbedor CIGS. Después de la deposición de molibdeno, se crece una capa absorbedora CIGS de tipo p mediante uno de varios métodos únicos. Se agrega una capa tampón delgada de tipo n sobre el absorbedor. El tampón es típicamente sulfuro de cadmio (CdS) depositado mediante deposición química en baño . El amortiguador está recubierto con una fina capa de óxido de zinc intrínseco (i-ZnO) que está cubierta por una capa más gruesa de ZnO dopado con aluminio (Al). La capa de i-ZnO se utiliza para proteger el CdS y la capa absorbente del daño por pulverización catódica durante la deposición de la capa ventana de ZnO:Al, ya que esta última se suele depositar mediante pulverización catódica de CC, un proceso conocido por ser dañino. [ 18 ] El ZnO dopado con Al actúa como un óxido conductor transparente para recolectar y transportar electrones fuera de la celda, absorbiendo la menor cantidad de luz posible. 

Los materiales basados ​​en CuInSe₂ que resultan 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 versátiles características ópticas y eléctricas, que en principio pueden manipularse y ajustarse para una necesidad específica en un dispositivo determinado. [ 19 ]

Eficiencia de conversión

Eficiencias de las células solares de diversas tecnologías según el seguimiento realizado por NREL , con el progreso de CIGS en materia de energía verde.

El CIGS se utiliza principalmente en forma de películas delgadas policristalinas . La mejor eficiencia alcanzada en septiembre de 2014 fue del 21,7 %. [ 20 ] Un equipo del Laboratorio Nacional de Energías Renovables alcanzó el 19,9 %, un récord en ese momento, [ 21 ] modificando la superficie del CIGS y haciéndola similar al CIS. [ 22 ] Estos ejemplos se depositaron sobre vidrio, lo que significaba que los productos no eran mecánicamente flexibles. En 2013, científicos de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales desarrollaron celdas de CIGS sobre láminas de polímero flexibles con una nueva eficiencia récord del 20,4 %. [ 23 ] Estas muestran tanto la mayor eficiencia como la mayor flexibilidad.

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables de EE. UU. confirmó una eficiencia del módulo del 13,8 % en un panel de producción de gran superficie (metro cuadrado) y una eficiencia del 13 % en la superficie total (y del 14,2 % en la superficie de apertura) con algunos módulos de producción. [ 22 ] En septiembre de 2012, la empresa 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 la apertura, que se produjo en una planta de producción en masa. [ 24 ] MiaSolé obtuvo una eficiencia certificada del 15,7 % en la superficie de apertura de un módulo de producción de 1 m²  , [ 25 ] y Solar Frontier afirmó una eficiencia del 17,8 % en un módulo de 900 cm² . [ 26 ] 

Se pueden obtener eficiencias más altas (alrededor del 30%) utilizando óptica para concentrar la luz incidente. El uso de galio aumenta la banda prohibida óptica de la capa de CIGS en comparación con el CIS puro, lo que incrementa el voltaje de circuito abierto. [ 22 ] [ 27 ] La abundancia relativa del galio, en comparación con el indio, reduce los costos.

Comparación

Silicio cristalino convencional

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 , presenta una absorción de luz muy intensa, y una capa de tan solo 1-2 micrómetros  (μm) es suficiente para absorber la mayor parte de la luz solar. En comparación, el silicio cristalino requiere un espesor mucho mayor, de aproximadamente 160-190 μm.

La capa activa de CIGS se puede depositar en forma policristalina directamente sobre molibdeno (Mo) recubierto en diversos sustratos, como láminas de vidrio, bandas de acero y láminas de plástico de poliimida. Esto consume menos energía que la fundición de grandes cantidades de arena de cuarzo en hornos eléctricos y el crecimiento de grandes cristales, procesos necesarios para las células de silicio convencionales, lo que reduce significativamente el tiempo de recuperación energética . Además, a diferencia del silicio cristalino, estos sustratos pueden ser flexibles . [ 30 ]

En el competitivo sector fotovoltaico, los fabricantes de CIGS se enfrentaron a una presión creciente, lo que provocó la quiebra de varias empresas ante la caída de los precios de las células de silicio convencionales. A pesar de ello, las células solares de CIGS han alcanzado eficiencias comparables a las de las células de silicio multicristalino, el tipo más común. Las tecnologías CIGS y CdTe-PV siguen siendo las únicas tecnologías de película delgada con éxito comercial en el mercado fotovoltaico mundial, que experimenta un rápido crecimiento.

Otras películas delgadas

En fotovoltaica, el término "delgado" generalmente se refiere a las llamadas células de silicio de alta eficiencia de "primera generación", que se fabrican a partir de obleas masivas de cientos de micrómetros de espesor. [ 31 ] Las películas delgadas sacrifican algo de eficiencia de captación de luz, pero utilizan menos material. [ 32 ] En CIGS, la compensación de eficiencia es menos severa que en el silicio. Las eficiencias récord para las células CIGS de película delgada son ligeramente inferiores a las de CIGS para células de alto rendimiento a escala de laboratorio. En 2008, la eficiencia de CIGS fue, con mucho, la más alta en comparación con las alcanzadas por otras tecnologías de película delgada, como la 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 del 9,5 %, [ 33 ] respectivamente. En 2015, se cerró la brecha con las demás tecnologías de película delgada, con eficiencias de celdas récord en laboratorios del 21,5 % para CdTe (FirstSolar) y del 21,7 % para CIGS (ZSW). (Véase también la tabla de eficiencia de celdas de investigación de NREL . [ 34 ] )

Producción

Producción cinematográfica

El proceso más común basado en vacío consiste en la coevaporación o copulverización catódica de cobre, galio e indio sobre un sustrato a temperatura ambiente, para luego recocer la película resultante con vapor de seleniuro. Un proceso alternativo consiste en la coevaporación de cobre, galio, indio y selenio sobre un sustrato calentado.

Un proceso alternativo que no requiere vacío deposita nanopartículas de los materiales precursores sobre el sustrato y luego las sinteriza in situ . La electrodeposición es otra alternativa de bajo costo para aplicar la capa de CIGS.

Las siguientes secciones describen las diversas técnicas para el procesamiento de deposición de precursores, incluyendo 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.

Selenización

El suministro de Se y el entorno de selenización son importantes para determinar las propiedades y la calidad de la película. Cuando el Se se suministra en fase gaseosa (por ejemplo, como H₂Se o Se elemental) a altas temperaturas, se incorpora a la película por absorción y posterior difusión. Durante este proceso, denominado calcogenización, se producen interacciones complejas que dan lugar a la formación de un calcogenuro . Estas interacciones incluyen la formación de aleaciones intermetálicas de Cu-In-Ga , la formación de compuestos binarios intermedios de metal-seleniuro y la separación de fases de diversos compuestos estequiométricos de CIGS. Debido a la variedad y complejidad de las reacciones, las propiedades de la película de CIGS son difíciles de controlar. [ 8 ]

La fuente de Se afecta las propiedades de la película resultante. El H₂Se ofrece la incorporación más rápida de Se en el absorbedor; se puede lograr un 50% atómico de 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, incluyendo seleniuros metálicos y varias aleaciones . El uso de H₂Se proporciona la mejor uniformidad composicional y los tamaños de grano más grandes. Sin embargo, el H₂Se es altamente tóxico y está clasificado como un peligro ambiental .

Pulverización catódica de capas metálicas seguida de selenización

En este método, se deposita una película metálica de Cu, In y Ga mediante pulverización catódica a temperatura ambiente o cercana a ella, y se hace reaccionar en una atmósfera de Se a alta temperatura. Este proceso ofrece un mayor rendimiento que la coevaporación y permite lograr una uniformidad composicional con mayor facilidad.

La pulverización catódica de una multicapa apilada de metal, por ejemplo una estructura Cu/In/Ga/Cu/In/Ga..., produce una superficie más lisa y una mejor cristalinidad en el absorbedor en comparación con la pulverización catódica de una simple bicapa (aleación Cu-Ga/In) o tricapa (Cu/In/Ga). Estos atributos dan como resultado dispositivos de mayor eficiencia, pero la formación de la multicapa es un proceso de deposición más complicado y no justificaba el equipo adicional ni la complejidad del proceso añadido. [ 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.

Las empresas que actualmente utilizan procesos similares incluyen Showa Shell, Avancis , Miasolé , Honda Soltec y Energy Photovoltaics (EPV). [ 35 ] Showa Shell depositó por pulverización catódica una capa de aleación de Cu-Ga y una capa de In, seguida de selenización en H 2 Se y sulfurización en H 2 S. El paso de sulfurización parece pasivar la superficie de una manera similar al CdS en la mayoría de las otras celdas. Por lo tanto, la capa amortiguadora utilizada está libre de Cd, eliminando 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 absorbedor; sin embargo, su capa de CdS proviene de la deposición química de vapor. Los módulos vendidos por Shell Solar afirman una eficiencia del módulo del 9,4%.

Miasole había obtenido fondos de capital riesgo para su proceso y escalado. Fraunhofer confirmó un módulo con una eficiencia de apertura récord del 17,4 % en 2019. [ 36 ]

La técnica EPV utiliza un proceso híbrido entre coevaporación y pulverización catódica, en el que el indio y el galio se evaporan en una atmósfera de selenio. A continuación, se aplica pulverización catódica de cobre y selenización. Finalmente, el indio y el galio se evaporan nuevamente en presencia de selenio. Según las mediciones de efecto Hall, estas películas presentan una baja concentración de portadores y una movilidad relativamente alta. Las películas EPV tienen una baja concentración de defectos.

Calcogeneización de capas precursoras particuladas

En este método, se utilizan nanopartículas de metal u óxido metálico como precursores para el crecimiento de CIGS. Estas nanopartículas generalmente se suspenden en una solución acuosa y luego se aplican a grandes áreas mediante diversos métodos, como la impresión. Posteriormente, la película se deshidrata y, si los precursores son óxidos metálicos, se reduce en una atmósfera de H₂ / N₂ . Tras la deshidratación, la película porosa resultante se sinteriza y se 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 mencionó su tinta. Las ventajas de este proceso incluyen uniformidad en grandes áreas, equipo sin vacío o de bajo vacío y adaptabilidad a la fabricación rollo a rollo . En comparación con las capas precursoras de metal laminar, las nanopartículas sinterizadas se selenizan más rápidamente. La mayor velocidad es resultado de la mayor área superficial asociada con la porosidad . La porosidad produce superficies absorbentes más rugosas. El uso de precursores particulados permite imprimir en una gran variedad de sustratos con una utilización de materiales del 90 % o más. Poca investigación y desarrollo respaldaron esta técnica.

Nanosolar informó una eficiencia de celda (no de módulo) del 14%, sin embargo, esto no fue verificado por ningún laboratorio nacional de pruebas, ni permitieron inspecciones in situ. En pruebas independientes [ 14 ], el absorbedor 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, un proceso que tiene desventajas de fabricación y costos más altos. La muestra de ISET sufrió principalmente por un V OC bajo y un factor de llenado bajo , indicativo de una superficie rugosa y/o una gran cantidad de defectos que favorecen la recombinación. Relacionado con estos problemas, la película tenía propiedades de transporte deficientes, incluyendo una baja movilidad Hall y una corta vida útil de los portadores.

Electrodeposición seguida de selenización

Los precursores pueden depositarse mediante electrodeposición. Existen dos metodologías: la deposición de estructuras elementales en capas y la deposición simultánea de todos los elementos (incluido el selenio). Ambos métodos requieren un tratamiento térmico en atmósfera de selenio para obtener películas aptas para dispositivos. Dado que la electrodeposición requiere electrodos conductores , las láminas metálicas constituyen un sustrato idóneo. 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 se muestra en la Figura 4. En los procesos industriales, se utiliza un sustrato de lámina metálica como electrodo de trabajo. Un material inerte constituye el contraelectrodo, y el electrodo de referencia mide y controla el potencial. El electrodo de referencia permite realizar el proceso potenciostáticamente, lo que posibilita el control del potencial del sustrato. [ 12 ]

Figura 4: Aparato de electrodeposición de CIGS

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 se suele mitigar añadiendo iones contrarrestantes a la solución para cada ion que se va a depositar (Cu²⁺ , Se⁴⁺ , In³⁺ y Ga³⁺ ) , modificando así el potencial de reducción de dicho ion. Además, el sistema Cu-Se presenta un comportamiento complejo y la composición de la película depende de la relación de flujo de iones Se⁴⁺ / Cu²⁺, que puede variar en la superficie de la película. Esto requiere la optimización de las concentraciones de precursores y del potencial de deposición. Incluso con la optimización, la reproducibilidad es baja en grandes áreas debido a las variaciones de composición y a las caídas de potencial a lo largo del sustrato.

Las películas resultantes presentan granos pequeños, son ricas en cobre y generalmente contienen fases de Cu₂₋ₓSeₓ 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.

Solopower actualmente produce celdas con una eficiencia de conversión >13,7% según NREL. [ 38 ]

Combinación de precursores mediante una técnica inspirada en la unión de obleas.

Figura 5: Esquema de la técnica inspirada en la unión de obleas

En este proceso, se depositan por separado dos películas precursoras diferentes sobre un sustrato y un superestrato. Las películas se comprimen y se calientan para separarlas del superestrato reutilizable, dejando un absorbedor CIGS sobre el sustrato (Figura 5). Heliovolt patentó este procedimiento y lo denominó proceso FASST. En principio, los precursores pueden depositarse a baja temperatura utilizando técnicas de deposición de bajo coste, lo que reduce el coste del módulo. Sin embargo, las primeras generaciones de productos utilizan métodos PVD a temperaturas más elevadas y no alcanzan todo su potencial de reducción de costes. En el futuro, podrían utilizarse sustratos flexibles en este proceso.

Las características típicas de la película son desconocidas fuera de la empresa, ya que no se han realizado investigaciones en laboratorios financiados de forma independiente. Sin embargo, Heliovolt afirmó que la eficiencia máxima de la celda era del 12,2 %.

Coevaporación

La coevaporación, o codeposición, es la técnica de fabricación de CIGS más común. El proceso de coevaporación de Boeing deposita bicapas de CIGS con diferentes estequiometrías sobre un sustrato calentado y permite que se mezclen.

El NREL desarrolló otro proceso que consta de tres etapas de deposición y produjo el material CIGS que ostenta actualmente el récord de eficiencia con un 20,3 %. La primera etapa del método del NREL consiste en la codeposición de In, Ga y Se. A continuación, se depositan Cu y Se a una temperatura más alta para permitir la difusión y la mezcla de los elementos. En la etapa final, se vuelven a depositar In, Ga y Se para lograr una composición general deficiente en Cu. [ 12 ]

Würth Solar comenzó a producir células CIGS utilizando un sistema de coevaporación en línea en 2005 con eficiencias de módulo entre 11% y 12%. Abrieron otra planta de producción y continuaron mejorando la eficiencia y el rendimiento. Otras empresas que están ampliando los procesos de coevaporación incluyen Global Solar y Ascent Solar . [ 35 ] Global Solar utilizó un proceso de deposición en línea de tres etapas. En todos los pasos, el Se se suministra en exceso en la fase de vapor. El In y el Ga se evaporan primero seguidos del Cu y luego por In y Ga para hacer que la película sea deficiente en Cu. Estas películas tuvieron un rendimiento bastante favorable en relación con otros fabricantes y con los absorbedores cultivados en NREL y el Instituto para la Conversión de Energía (IEC). [ 14 ] Sin embargo, los módulos de las películas de Global Solar no tuvieron un rendimiento tan bueno. La propiedad en la que el módulo tuvo un rendimiento inferior más evidente fue un V OC bajo , que es característico de una alta densidad de defectos y altas velocidades de recombinación. La capa absorbedora de Global Solar superó al absorbedor de NREL en tiempo de vida de portadores y movilidad de Hall. Sin embargo, como células completas, la muestra de NREL tuvo un mejor rendimiento. Esto evidencia una interfaz CIGS/CdS deficiente, posiblemente debido a la falta de una capa superficial de ODC en la película de Global Solar.

Las desventajas incluyen problemas de uniformidad en áreas extensas y la dificultad relacionada de coevaporar elementos en un sistema en línea. Además, las altas temperaturas de crecimiento aumentan el presupuesto térmico y los costos. Adicionalmente, la coevaporación está plagada de una baja utilización del material (deposición en las paredes de la cámara en lugar del sustrato, especialmente para el selenio) y equipos de vacío costosos. [ 17 ] [ 37 ] Una forma de mejorar la utilización de Se es mediante un proceso de craqueo de selenio mejorado térmicamente o por plasma, [ 39 ] [ 40 ] que puede acoplarse con una fuente de haz de iones para la deposición asistida por haz de iones . [ 41 ]

deposición química de vapor

La deposición química en fase vapor (CVD) se ha implementado de diversas maneras para la deposición de CIGS. Los procesos incluyen la CVD metalorgánica a presión atmosférica (AP- MOCVD ), la CVD mejorada por plasma ( PECVD ), la MOCVD a baja presión (LP-MOCVD) y la MOCVD asistida por aerosol (AA-MOCVD). La investigación busca pasar de precursores de doble fuente 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 presentan estos inconvenientes y deberían permitir un mejor control de la composición de la película.

Hasta 2014, la CVD no se utilizaba para la síntesis comercial de CIGS. Las películas producidas por CVD presentan baja eficiencia y un bajo V OC , debido en parte a una alta concentración de defectos. Además, las superficies de las películas suelen ser bastante rugosas, lo que contribuye a disminuir aún más el V OC . Sin embargo, se ha logrado la deficiencia de Cu requerida mediante AA-MOCVD junto con una orientación cristalina (112).

Las temperaturas de deposición en CVD son inferiores a las utilizadas en otros procesos, como la coevaporación y la selenización de precursores metálicos. Por lo tanto, la CVD requiere menos energía térmica y tiene menores costos. Entre los posibles problemas de fabricación se incluyen las dificultades para convertir la CVD en un proceso en línea, así como el costo de manipular precursores volátiles.

Deposición por electrospray

Las películas de CIS se pueden producir mediante deposición por electrospray . La técnica consiste en la pulverización asistida por campo eléctrico de tinta que contiene nanopartículas de CIS directamente sobre el sustrato y su posterior 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 integrarlo en algún sistema de producción continua o en masa, como un mecanismo de producción rollo a rollo. [ 43 ]

Pasivación de la superficie posterior

Los conceptos de pasivación de la superficie posterior para células solares CIGS muestran el potencial para mejorar la eficiencia. El concepto de pasivación posterior se ha tomado de la tecnología de pasivación de células solares de silicio. [ 44 ] Se han utilizado Al 2 O 3 y SiO 2 como materiales de pasivación. Los contactos puntuales de tamaño nanométrico en la capa de Al 2 O 3 [ 45 ] y los contactos lineales en la capa de SiO2 [ 46 ] proporcionan la conexión eléctrica del absorbedor CIGS al electrodo posterior de molibdeno. Los contactos puntuales en la capa de Al 2 O 3 se crean mediante litografía de haz de electrones y los contactos lineales en la capa de SiO2 se crean mediante fotolitografía. También se observa que la implementación de las capas de pasivación no cambia la morfología de las capas CIGS.

Tolerancia a la radiación

Las células solares CIGS exhiben una alta tolerancia a la radiación, lo que las convierte en candidatas prometedoras para aplicaciones espaciales. Los estudios muestran que la irradiación de electrones causa un impacto mínimo en el rendimiento de las células solares. [ 47 ] [ 48 ] Por otro lado, las altas dosis de irradiación de protones degradan las propiedades ópticas y eléctricas de las células solares CIGS, principalmente al inducir defectos que reducen la eficiencia de conversión de energía y aumentan las pérdidas por recombinación. [ 49 ] [ 50 ] Sin embargo, las células solares CIGS demuestran una notable capacidad de recuperación del daño por irradiación mediante recocido térmico. Este proceso permite la reparación de defectos, restaurando las propiedades ópticas y el rendimiento fotovoltaico a niveles cercanos a los previos a la irradiación. El efecto de autorreparación se atribuye a la química de defectos flexible del material, que permite que los átomos desplazados regresen a sus sitios originales a temperaturas moderadas, compatibles con el entorno espacial en órbita. [ 51 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Green, Martin A.; Hishikawa, Yoshihiro; Warta, Wilhelm; Dunlop, Ewan D.; Levi, Dean H.; Hohl-Ebinger, Jochen; Ho-Baillie, Anita WH (julio de 2017). "Tablas de eficiencia de celdas solares (versión 50)". Progress in Photovoltaics: Research and Applications . 25 (7): 668– 676. doi : 10.1002/pip.2909 .
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  • Base de datos de publicaciones, presentaciones y noticias sobre diselenuro de cobre e indio del Laboratorio Nacional de Energías Renovables .
  • El mayor parque solar CIGS del mundo ya está operativo en Arizona .
  • Michael Kanellos Silicio vs. CIGS: Con la energía solar, la cuestión es importante 2 de octubre de 2006 CNET News.com
  • Se prevé que la tecnología CIGS se convierta en la principal tecnología fotovoltaica de película delgada para el año 2020.