Celdas solares de Cu(In,Ga)Se2

elaboradas por métodos químicos

Dr. Arturo Fernández Madrigal Centro de Investigación en Energía

UNAMafm@cie.unam.mx

Diselenuro de Cobre Indio Galio Selenio

• Los compuestos de CuInSe2 y CuGaSe2

pueden formar la aleación Cu(In,Ga)Se2

• Esta aleación pertenece a la familia de semiconductores I-III-IV2, con estructura cristalina tetragonal.

• Cada Cu(I) ó In(III) tiene cuatro enlaces con un átomo de Se (VI).

• Cada átomo de Se(VI) tiene dos enlaces con Cu y dos al átomos de In.

• Como la fuerza entre los enlaces I-IV y III-IV es diferente, la relación entre c/ano es igual a 2.

• La cantidad 2- c/a, es una mediada de la distorsión de la estructura calcopiritica.

Diselenuro de Cobre Indio Galio

• El ancho de banda Eg de las calcopiritas I-III-VI2 son considerablemente menores que sus binarios análogos.

• Las bandas del Cu 3d junto con las bandas del Se 4pforman bandas de valencia mas arriba que la de los compuestos II-VI.

Diselenuro de Cobre Indio Galio

• El diagrama de fases ternario puede reducirse a un diagrama de fases pseudo-binario a lo largo de la línea entre Cu2Se y In2Se3

• Se realizan diversas investigaciones entre las temperaturas de formación y composiciones para las

películas delgadas.

Diselenuro de Cobre Indio Galio

• Los defectos en los compuestos ternarios son muy importantes ya que cobran especial interés debido a que pueden formar profundos centros de recombinación.

• Dichos centros pueden explicar tres inusuales defectos:

– La tolerancia estructural por deficiencias estequiometrias.

– Habilidad de ser dopado

– Los defectos son de naturales eléctricamente neutros

• Es conocido que el dopaje del CuInSe2 es controlado por defectos intrínsecos.

• Muestras con conductividad tipo p crecen si el material es pobre en Cu.

Métodos de preparación del Diselenuro de Cobre Indio Galio

• El mas utilizado es mediante la coevaporacion

• En este proceso se requiere temperaturas de substrato de 550°C.

• Método versátil ya que se prepara en la misma etapa completamente el absorbedor.

• Una variante de esta ruta es la elaboración de las aleaciones para posteriormente selenizar

Métodos de preparación del Diselenuro de Cobre Indio Galio

• Crecimiento epitaxial

• Deposito por vapor químico de compuesto metal-organicos.

• Métodos de bajo costo:

– Serigrafía y sinterizado

– Deposito por partículas

– Electrodepósito

Celdas solares de Diselenuro de Cobre Indio Galio

• La estructura fotovoltaica que se construye con este absorbedor es como se muestra.

• Las eficiencias alcanzadas llegan hasta el 20 %

• Son estables al menos por 17 años.

• Los módulos poseen eficiencias del 12%.

• Hay en el mundo 40 compañías involucradas en su desarrolladas.

Celdas solares de Diselenuro de Cobre Indio Galio

CIGS Thin Film with Eg=1.1-1.2 eV

26% Ga/(In+Ga) 31% Ga/(In+Ga)

Electrodeposito de Cu(In,Ga)Se2

• Empleando un co-electrodeposito de Cu, In, Ga Se, obtenidos de una solución electrolítica que contiene CuCl2, InCl3, GaCl3 y H2SeO3

• Utilizando substratos de Molibdeno(1 µm de espesor)/Vidrio los cuales se sumergen en la solución electrolítica.

• El crecimiento del absorbedor se realiza a un potencial de -1 V (SCE) durante 1 hr, formando películas de 2 µm de espesor, las cuales se recristalizan en presencia de Se.

Elaboración del Diselenuro de Cobre Indio Galio

• Por electrodepósito se llevan a cabo las siguientes reacciones:

• Cu(II) + 2e- → Cu +0.342 V,

• In(III) + 3e- → In -0.338 V,

• Ga(III)+ 3e- → Ga -0.549 V,

• H2SeO3 + 4H+ + 4e- → Se + 3H2O 0.74 V,

• Cu, In,Ga,Se → CuxInyGazSen

Características de corriente-voltaje para una celda

elaborada por un absorbedor de CIGS por la técnica del

electrodepósito

Área = 0.43 cm2

Voc = 0.413 V

Jsc = 35.41 mA/cm2

FF = 64%

Eficiencia = 9.4%

Electrodepósito de Cu(In,Ga)Se2

• Algunos problemas durante la preparación del CIGS por electrodepósito:

– Formación de fronteras de grano

– Una adecuada cristalinidad

– Reproducibilidad

Electrodepósito del CIGS

• Posibles soluciones para el crecimiento de las películas de CIGS:

– Uso de aditivos en los baños electrolíticos

– Control del proceso de tratamiento térmico de las películas mediante Se.

· Produccion en procesos continuos de CIGS

· Actualmente se tiene en acero inoxidable

En lamina de Acero Inoxidable o poliamida

En lotes de 1000-ft x 1-ft

S. Wiedeman, TFPP 2006 Global Solar -

Producción y predicciones de la producción en

películas delgadas, por tecnología

0

50

100

150

200

250

300

MWp/yr

2002 2004 2006 2008

US a-Si

US CdTe

US CIGS

US

World

NREL 2005