Skip to main content
SpringerLink
Log in

Ternary-compound thin-film solar cells

  • Published:
Il Nuovo Cimento D

Summary

History and current status of Cu-ternary-based photovoltaic devices are reviewed. Heterojunction and homojunction research on CuInS2, CuInSe2 and CuInTe2 is covered. Some emphasis is placed on the CdS, Cd(Zn)S/CuInSe2 thin-film solar cell, which has reached a 10% solar-conversion efficiency and has demonstrated remarkable stability characteristics. Fundamental properties of interface formation are presented, by using surface analysis (AES, angular-resolved XPS, EELS) techniques. The possible formation of binary semiconductor compounds (e.g. Cu x S and Cu x Se) during the initial stages of heterojunction formation is reported. The evaluation of heterojunction response is studied by using high-resolution electron-beam-induced current (EBIC) investigations on fractured solar-cell cross-sections. Schottky barrier and homojunction responses are reported for present solar-cell designs. The importance and effects of postdeposition heat treatments on the performance of these thin-film cells are discussed. In particular, complementary EBIC and SIMS data are used to ascertain the necessity of the oxygen/temperature treatments of this device. Compositional changes in interface and layer properties upon temperature stress that affect device reliability are reported. The present design and processing of the Cu ternary devices are summarized and the future directions of research and largescale processing of such solar cells are indicated.

Riassunto

Si passano in rassegna la storia e lo stato attuale degli apparecchi fotovoltaici basati sul rame ternario. Si ricopre il campo di ricerca dell'eterogiunzione e dell'omogiunzione in CuInS2, CuInSe2 e CuInTe2. Si pone l'accento sulla cella solare a strato sottile di CdS, Cd(Zn)S/CuInSe2 che ha raggiunto un'efficienza di conversione solare del 10% e ha mostrato caratteristiche notevoli di stabilità. Si presentano le proprietà fondamentali della formazione d'interfaccia, per mezzo di tecniche di analisi di superficie (AES, XPS a risoluzione angolare e EELS). Si riporta la possibile formazione di composti semiconduttori binari (per esempio Cu x S e Cu x Se) durante gli stadi iniziali della formazione dell'eterogiunzione. Si studia il calcolo della risposta dell'eterogiunzione per mezzo di analisi di corrente indotta dal fascio elettronico (EBIC) ad alta risoluzione su sezioni della cella solare fratturata. Si riportano la barriera di Schottky e le risposte di omogiunzione per i presenti progetti di cella solare. Si discutono l'importanza e gli effetti dei trattamenti termici dopo la postdeposizione sull'attuazione di queste celle a strato sottile. In particolare, stati complementari EBIC e SIMS sono usati per accertare la necessità dei trattamenti ossigeno/temperatura di questo apparecchio. Si riportano i cambiamenti di composizione nell'interfaccia e le proprietà di strato a seguito di stress termici che influenzano l'affidabilità dell'apparecchio. Si riassumono il presente progetto e l'elaborazione degli apparecchi a Cu ternario e si indicano le direzioni future di ricerca ed elaborazione su larga scala di tali celle solari.

Резюме

Предлагаегся обзор современного состояния фотовольтаических приборов на основе трехкомпонентных соединений меди. Обсуждаются исследования гетеропереходов в соединениях CuInS2, CuInS2 и CuInTe2. Особое внимание уделяется тонкопленочным солнечным элементам на CdS, Cd(Zn)S/CuInSe2, в которых достигается 10% эффективность преобразования энергии и которые имеют стабильные характеристики. Используя технику анализа поверхиости, исследуются основные свойства образования границы раздела. Отмечается возможное образование бинарных полупроводниковых соединений (Cu x S и Cu x Se) во время начальных стадий образования гетероперехода. Определяется отклик гетероперехода. Для существующих солнечных элементов приводятся барьер Шотки и отклики гетеропереходов. Обсуждается влияние последующего выделения тепла на работу этих тонкопленочных элементов. В частности, дополнительные EBIC и SIMS данные используются для определения необходимости кислородно-температурной обработки этого прибора. Сообщаются изменения состава на границе раздела и свойств слоев в зависимости от температуры, что влияет на надежность прибороб. Анализируются современные конструкции и технология приборов на основе трехкомпонентных соединений меди. Обсуждаются направления будущих исследований и крупномасштабная технология солнечных элементов.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Log in via an institution

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Institutional subscriptions

Similar content being viewed by others

Literatur

  1. L. L. Kazmerski:Proceedings of the XVI IECEC (New York, N. Y., 1980), p. 1637.

  2. S. Wagner, J. L. Shay, P. Migliorato andH. M. Kasper:Appl. Phys. Lett.,25, 434 (1974).

    Article  Google Scholar 

  3. J. L. Shay, S. Wagner, K. Bachmann, E. Buehler andH. M. Kasper:Proceedings of the XI IEEE Photovoltaic Special Conference, Phoenix (New York, N. Y., 1975), p. 503.

  4. L. L. Kazmerski:Proceedings of the ERDA Seminannual Solar Photovoltaic Program, Orono, Maine, CONF-760837-P1 (U.S. Dept. of Commerce, Washington, D.C., 1976), p. 374;Proceedings of the Second ERDA Semiannual Solar Photovoltaic Program, CONF-760131, 1975, p. 431.

  5. L. L. Kazmerski, F. R. White andG. K. Morgan:Appl. Phys. Lett. 29, 268 (1976).

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. L. L. Kazmerski, M. S. Ayyagari, G. A. Sanborn andF. R. White:J. Vac. Sci. Technol. 13, 139 (1976).

    Article  Google Scholar 

  7. L. L. Kazmerski: inTernary Compounds, edited byG. D. Holah (London, 1977), p. 217.

  8. L. L. Kazmerski, F. R. White, G. A. Sanborn, A. J. Merrill, M. S. Ayyagari. S. D. Mittleman andG. K. Morgan:Proceedings of the XII IEEE Photovoltaic Special Conference, Baton Rouge (New York, N. Y., 1976).

  9. L. L. Kazmerski andG. A. Sanborn:J. Appl. Phys.,48, 3178 (1977).

    Article  ADS  Google Scholar 

  10. L. L. Kazmerski, R. B. Cooper, F. R. White andA. J. Merrill:IEEE Trans. Electron Devices, ED-24, 496 (1977).

    ADS  Google Scholar 

  11. W. S. Chen andR. A. Mickelsen:Proceedings of the SPIE, Vol.248, (Bellingham, Wash., 1980), p. 62.

    ADS  Google Scholar 

  12. R. A. Mickelsen andW. S. Chen:Proceedings of the VX IEEE Photovoltaic Special Conference, Orlando (New York, N. Y., 1981), p. 800.

  13. R. A. Mickelsen andW. S. Chen:Proceedings of the XVI IEEE Photovoltaic Speccial Conference, San Diego, in press.

  14. S. P. Grindle, A. H. Clark, S. Ressie-Serej, E. Falconer, J. McNeily andL. L. Kazmerski:J. Appl. Phys.,51, 5664 (1980).

    Article  Google Scholar 

  15. A. H. Clark andW. N. Unertil:Jpn. J. Appl. Phys.,19, 49 (1980).

    Article  Google Scholar 

  16. H. L. Hwang, B. H. Tseng andC. Y. Sun:Jpn. J. Appl. Phys.,19, 43 (1980).

    Google Scholar 

  17. S. Endo andT. Irie:Jpn. J. Appl. Phys.,19, 53 (1980).

    Article  Google Scholar 

  18. N. Romeo:Jpn. J. Appl. Phys.,9, 5 (1980).

    Google Scholar 

  19. R. A. Mickelsen andW. S. Chen:Appl. Phys. Lett.,36, 371 (1980).

    Article  ADS  Google Scholar 

  20. J. Piekoszewski, J. J. Loferski, R. Beaulieu, J. Beall, B. Roessler andJ. Shewchun:Proceedings of the XIV IEEE Photovoltaic Special Conference, San Diego (New York, N. Y., 1980), p. 980.

  21. L. L. Kazmerski, P. J. Ireland, F. R. White andR. B. Cooper:Proceedings of the XIII IEEE Photovoltaic Special Conference, Washington, D.C. (New York, N. Y., 1978), p. 184.

  22. L. L. Kazmerski andP. Sheldon:Proceedings of the XIII IEEE Photovoltaic Special Conference, Washington, D.C. (New York, N. Y., 1978), p. 980.

  23. See, for example,Proceedings on the Photovoltaic Conversion of Solar Energy for Terrestrial Applications, Cherry Hill, N. J., October 23–25, 1975 (Washington, D.C., 1975), Vol. I and II.

  24. J. J. Loferski:J. Appl. Phys.,27, 1956 (1956).

    Article  Google Scholar 

  25. J. L. Shay andJ. H. Wernick:Ternary Chalcopyrite Semiconductors (New York, N. Y., 1975), p. 112, 175.

  26. L. L. Kazmerski, M. S. Ayyagari andG. A. Sanborn:J. Appl. Phys.,46, 4685 (1975).

    Article  Google Scholar 

  27. L. L. Kazmerski, M. S. Ayyagari, G. A. Sanborn, F. R. White andA. J. Merrill:Thin Solid Films,37, 323 (1976).

    Article  Google Scholar 

  28. L. L. Kazmerski andY. J. Juang:J. Vac. Sci. Technol.,14, 769 (1977).

    Article  Google Scholar 

  29. K. J. Bachmann, E. Buehler, J. L. Shay andS. Wagner:Appl. Phys. Lett.,29, 121 (1976).

    Article  ADS  Google Scholar 

  30. W. Horig, H. Neumann, H. Sobotta, B. Schumann andG. Kuhn:Thin Solid Films,48, 67 (1978).

    Article  Google Scholar 

  31. L. Y. Sun, L. L. Kazmerski, A. H. Clark, P. J. Ireland andD. W. Morton:J. Vac. Sci. Technol.,15, 265 (1978).

    Article  Google Scholar 

  32. L. Haworth, R. D. Tomlinson andI. S. Al-Saffar:Jpn. J. Appl. Phys.,19, 177 (1980).

    Article  Google Scholar 

  33. D. C. Look andJ. C. Manthuruthil:J. Phys. Chem. Solids.,37, 173 (1976).

    Article  Google Scholar 

  34. L. L. Kazmerski, O. Jamjoum, P. J. Ireland, R. A. Mickelsen andW. S. Chen:J. Vac. Sci. Technol.,21, 486 (1982).

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. R. Matson, R. Bird andK. Emery:Terrestrial Solar Spectra, Solar Simulation and Solar Cell Efficiency Measurement, SERI/TR-612-964 (Golden, Colo., 1981).

  36. P. E. Russell, O. Jamjoum, R. K. Ahrenkiel, L. L. Kazmerski, R. A. Mickelsen andW. S. Chen:Appl. Phys. Lett.,40, 995 (1982).

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. F. B. Micheletts, P. Mark andO. Jamjoum:J. Appl. Phys.,39, 5274 (1968).

    Article  Google Scholar 

  38. L. L. Kazmerski, P. J. Ireland, O. Jamjoum, R. A. Mickelsen, W. Chen andA. H. Clark:J. Vac. Sci. Technol.,20, 308 (1982).

    Article  Google Scholar 

  39. L. L. Kazmerski, O. Jamjoum, P. J. Ireland andR. L. Whitney:J. Vac. Sci. Technol.,18, 960 (1981).

    Article  Google Scholar 

  40. L. J. Brillson:Phys. Rev. B,18, 2431 (1978).

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. R. L. Watts, Editor:The Evaluation of Critical Materials for Five Advanced Design Photovoltaic Cells with an Assessment of Indium and Gallium, PNL-3319;Evaluation of Critical Materials in Five Additional Advanced Design Photovoltaic Cells, PNL-3710 (Washington, D.C., 1980).

Download references

Author information

Authors and Affiliations

  1. Solar Energy Research Institute, 1617 Cole Blvd., 80401, Golden, Colo

    L. L. Kazmerski

Authors
  1. L. L. Kazmerski
    View author publications

    You can also search for this author in PubMed Google Scholar

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Kazmerski, L.L. Ternary-compound thin-film solar cells. Il Nuovo Cimento D 2, 2013–2028 (1983). https://doi.org/10.1007/BF02457903

Download citation

  • Received:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1007/BF02457903

Keywords

Search

Navigation