Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ramos, Duarte Alencastre de Matos
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10362/138703
Resumo: Células solares baseadas em Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) estão entre as tecnologias de filme-fino mais promissoras, muito devido às suas propriedades optoeletrónicas favoráveis, tendo chegado a um recorde de eficiência de 23.35%. De forma a acompanhar o baixo custo inerente à atual tecnologia dominante do mercado, silício, é necessária uma redução da camada absorvente, visto que o In e Ga são considerados materiais raros. No entanto, é imperativo minimizar as limitações na absorção de luz por parte das células solares de filme ultra-fino. O principal foco desta tese assenta na supressão destas limitações através do desenvolvimento de um processo, eficiente e replicável, para a produção de substratos de alto desempenho, que permitam um aumento do caminho ótico dentro da camada absorvente, sem afetar as propriedades eletrónicas. Nanopartículas (NPs) individualizadas de ouro (Au) foram usadas na interface posterior, de forma a melhorar o desempenho ótico da célula solar ultra-fina. Adicionalmente, uma camada de passivação de Al2O3 foi usada para encapsular as NPs. Assim, neste trabalho é apresentada uma estratégia que combina, dispersão de luz e passivação. Desta forma, foi desenvolvido um procedimento de microfluídica que permite depositar NPs individualizadas, e otimizado o processo de litografia por nanoimpressão (NIL) para criar contactos elétricos na camada de Al2O3. A viabilidade desta arquitetura inovadora foi estudada através de simulações óticas usando o programa Lumerical. Foi verificado que a integração de NPs no contacto posterior da célula solar leva a um aumento dos valores da absorção na camada CIGS e da densidade de corrente de curto-circuito, quando comparados com os de um substrato convencional. Este aumento pode ser explicado considerando dois fenómenos: texturização imposta pelas NPs nas camadas superiores, comportando- se como uma arquitetura de anti-reflexão, minimizando a reflexão da luz incidente; dispersão de luz promovida pelas NPs, permitindo um aumento do caminho ótico na camada absorvente.
id RCAP_9784cef3cea9b46b516c85f89cd1e791
oai_identifier_str oai:run.unl.pt:10362/138703
network_acronym_str RCAP
network_name_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository_id_str 7160
spelling Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cellsLight ManagementHigh Performance SubstratesNanoparticlesSolar CellsNanofabricationDomínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::NanotecnologiaCélulas solares baseadas em Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) estão entre as tecnologias de filme-fino mais promissoras, muito devido às suas propriedades optoeletrónicas favoráveis, tendo chegado a um recorde de eficiência de 23.35%. De forma a acompanhar o baixo custo inerente à atual tecnologia dominante do mercado, silício, é necessária uma redução da camada absorvente, visto que o In e Ga são considerados materiais raros. No entanto, é imperativo minimizar as limitações na absorção de luz por parte das células solares de filme ultra-fino. O principal foco desta tese assenta na supressão destas limitações através do desenvolvimento de um processo, eficiente e replicável, para a produção de substratos de alto desempenho, que permitam um aumento do caminho ótico dentro da camada absorvente, sem afetar as propriedades eletrónicas. Nanopartículas (NPs) individualizadas de ouro (Au) foram usadas na interface posterior, de forma a melhorar o desempenho ótico da célula solar ultra-fina. Adicionalmente, uma camada de passivação de Al2O3 foi usada para encapsular as NPs. Assim, neste trabalho é apresentada uma estratégia que combina, dispersão de luz e passivação. Desta forma, foi desenvolvido um procedimento de microfluídica que permite depositar NPs individualizadas, e otimizado o processo de litografia por nanoimpressão (NIL) para criar contactos elétricos na camada de Al2O3. A viabilidade desta arquitetura inovadora foi estudada através de simulações óticas usando o programa Lumerical. Foi verificado que a integração de NPs no contacto posterior da célula solar leva a um aumento dos valores da absorção na camada CIGS e da densidade de corrente de curto-circuito, quando comparados com os de um substrato convencional. Este aumento pode ser explicado considerando dois fenómenos: texturização imposta pelas NPs nas camadas superiores, comportando- se como uma arquitetura de anti-reflexão, minimizando a reflexão da luz incidente; dispersão de luz promovida pelas NPs, permitindo um aumento do caminho ótico na camada absorvente.Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) solar cells are amongst the most promising thin-film technologies mainly due to their favourable electronic and optical properties, having reached a record efficiency value of 23.35%. To keep up with the low costs inherent to the dominant silicon technology, a reduction of the absorber thickness is done since In and Ga are scant materials. Moreover, some challenges regarding limited light absorption arise from ultra-thin absorbers that must be tackled. The main focus of this Thesis relies on surpassing such drawbacks, through the development of an efficient and replicable process, to pro- duce high performance substrates able to attain an optical improvement without hampering the solar cell electrical performance. Individualized gold (Au) nanoparticles (NPs) were used in the solar cell rear interface to increase the optical path length inside the absorber layer. Additionally, an Al2O3 pas- sivation layer was used to encapsulate Au NPs. Thus, a tandem approach that promotes scattering and passivation is here presented. In that way, a microfluidic procedure was developed, to deposit individ- ualized metallic NPs, as a novel approach to pattern an Al2O3 layer by nanoimprint lithography (NIL) to create contacts, as that coat the NPs, was optimized. The impact of the novel high performance sub- strate architectures when integrated into CIGS ultra-thin solar cells, was studied employing optical sim- ulations via the Lumerical software. Through simulations, it was verified that the integration of NPS in the back contact of the cell, led to a CIGS absorbance and a short circuit current density enhancement compared to the conventional CIGS substrate. This improvement might be related to two phenomena: texturization imposed on the upper layers by the NPs that, acts as an anti-reflection architecture mini- mizing the incident light reflections; scattering promoted by the NPs, allowing for an optical path length improvement inside the absorber layer.Teixeira, JenniferÁguas, HugoRUNRamos, Duarte Alencastre de Matos2022-05-26T16:57:41Z2022-022022-02-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10362/138703enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2024-05-22T18:01:56Zoai:run.unl.pt:10362/138703Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openairemluisa.alvim@gmail.comopendoar:71602024-05-22T18:01:56Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
dc.title.none.fl_str_mv Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
title Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
spellingShingle Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
Ramos, Duarte Alencastre de Matos
Light Management
High Performance Substrates
Nanoparticles
Solar Cells
Nanofabrication
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Nanotecnologia
title_short Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
title_full Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
title_fullStr Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
title_full_unstemmed Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
title_sort Development and optimization of a replicable process to produce light trapping substrates for ultra-thin CIGS solar cells
author Ramos, Duarte Alencastre de Matos
author_facet Ramos, Duarte Alencastre de Matos
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Teixeira, Jennifer
Águas, Hugo
RUN
dc.contributor.author.fl_str_mv Ramos, Duarte Alencastre de Matos
dc.subject.por.fl_str_mv Light Management
High Performance Substrates
Nanoparticles
Solar Cells
Nanofabrication
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Nanotecnologia
topic Light Management
High Performance Substrates
Nanoparticles
Solar Cells
Nanofabrication
Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Nanotecnologia
description Células solares baseadas em Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) estão entre as tecnologias de filme-fino mais promissoras, muito devido às suas propriedades optoeletrónicas favoráveis, tendo chegado a um recorde de eficiência de 23.35%. De forma a acompanhar o baixo custo inerente à atual tecnologia dominante do mercado, silício, é necessária uma redução da camada absorvente, visto que o In e Ga são considerados materiais raros. No entanto, é imperativo minimizar as limitações na absorção de luz por parte das células solares de filme ultra-fino. O principal foco desta tese assenta na supressão destas limitações através do desenvolvimento de um processo, eficiente e replicável, para a produção de substratos de alto desempenho, que permitam um aumento do caminho ótico dentro da camada absorvente, sem afetar as propriedades eletrónicas. Nanopartículas (NPs) individualizadas de ouro (Au) foram usadas na interface posterior, de forma a melhorar o desempenho ótico da célula solar ultra-fina. Adicionalmente, uma camada de passivação de Al2O3 foi usada para encapsular as NPs. Assim, neste trabalho é apresentada uma estratégia que combina, dispersão de luz e passivação. Desta forma, foi desenvolvido um procedimento de microfluídica que permite depositar NPs individualizadas, e otimizado o processo de litografia por nanoimpressão (NIL) para criar contactos elétricos na camada de Al2O3. A viabilidade desta arquitetura inovadora foi estudada através de simulações óticas usando o programa Lumerical. Foi verificado que a integração de NPs no contacto posterior da célula solar leva a um aumento dos valores da absorção na camada CIGS e da densidade de corrente de curto-circuito, quando comparados com os de um substrato convencional. Este aumento pode ser explicado considerando dois fenómenos: texturização imposta pelas NPs nas camadas superiores, comportando- se como uma arquitetura de anti-reflexão, minimizando a reflexão da luz incidente; dispersão de luz promovida pelas NPs, permitindo um aumento do caminho ótico na camada absorvente.
publishDate 2022
dc.date.none.fl_str_mv 2022-05-26T16:57:41Z
2022-02
2022-02-01T00:00:00Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/masterThesis
format masterThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv http://hdl.handle.net/10362/138703
url http://hdl.handle.net/10362/138703
dc.language.iso.fl_str_mv eng
language eng
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron:RCAAP
instname_str Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
instacron_str RCAAP
institution RCAAP
reponame_str Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
collection Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
repository.name.fl_str_mv Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação
repository.mail.fl_str_mv mluisa.alvim@gmail.com
_version_ 1817545864171749376