Author(s): Fernandes, Paulo Alexandre Franco Ponte
Date: 2012
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10773/9755
Origin: RIA - Repositório Institucional da Universidade de Aveiro
Subject(s): Física; Energias renováveis; Energia solar; Células fotovoltaicas; Semicondutores
As energias renováveis têm estado em destaque desde o fi nal do século XX. São vários os motivos para que isto esteja a acontecer. As previsões apontam para problemas de depleção das reservas de combustíveis fósseis, nomeadamente o petróleo e gás natural, durante o presente século. O carvão, ainda abundante, apresenta problemas ambientais signi cativos. Os perigos associados à energia nuclear estão fazer com que os governos de vários países repensem as suas políticas energéticas . Todas estas tecnologias têm fortes impactos ambientais. Considerando o conjunto das energias renováveis, a energia solar fotovoltaica tem ainda um peso menor no panorama da produção energética actual. A explicação para este facto deve-se ao custo, ainda elevado, dos sistemas fotovoltaicos. Várias iniciativas governamentais estão em curso, a SET for 2020 (UE) e a Sunshot (EUA), para o desenvolvimento de tecnologias que façam frente a este problema. A fatia de mercado que a tecnologia de filmes fi nos representa ainda é pequena, mas tem vindo a aumentar nos últimos anos. As vantagens relativamente à tecnologia tradicional baseada em Si são várias, como por ex. os custos energéticos e materiais para a fabricação das células. Esta dissertação apresenta um processo de fabricação de células solares em fi lmes finos usando como camada absorvente um novo composto semicondutor, o Cu2ZnSnS4, que apresenta como grande argumento, relativamente aos seus predecessores, o facto de ser constituído por elementos abundantes e de toxicidade reduzidas. Foi realizado um estudo sobre as condições termodinâmicas de crescimento deste composto, bem como a sua caracterização e das células solares finais. Este trabalho inclui um estudo dos compostos ternários, CuxSnSx+1 e compostos binários SnxSy, justi cado pelo facto de surgirem como fases secundárias no crescimento do Cu2ZnSnS4. Em seguida são descritos resumidamente os vários capítulos que constituem esta tese. No capítulo 1 é abordada de forma resumida a motivação e o enquadramento da tecnologia no panorama energético global. A estrutura da célula solar adoptada neste trabalho é também descrita. O capítulo 2 é reservado para uma descrição mais detalhada do composto Cu2ZnSnS4, nomeadamente as propriedades estruturais e opto-electrónicas. Estas últimas são usadas para explicar as composições não estequiométricas aplicadas no crescimento deste composto. São também descritas as várias técnicas de crescimento apresentadas na literatura. A última secção deste capítulo apresenta os resultados da caracterização publicados pelos vários grupos que estudam este composto. O método que foi implementado para crescer a camada absorvente, bem como os efeitos que a variação dos vários parâmetros têm neste processo são abordados no capítulo 3. Neste é também incluída uma descrição detalhada dos equipamentos usados na caraterização da camada absorvente e das células solares finais. As fases calcogêneas binária e ternárias são estudadas no capítulo 4. É apresentada uma descrição do método de crescimento, quer para as fases do tipo CuxSnSx+1, quer para as fases do tipo SnxSy e a sua caracterização básica, nomeadamente a sua composição e as propriedades estruturais, ópticas e eléctricas. No caso dos compostos binários são também apresentados os resultados de uma célula solar. No capítulo 5 são reportados os resultados da caracterização dos fi lmes de Cu2ZnSnS4. Técnicas como a dispersão Raman, a fotoluminescência, a efi ciência quântica externa e a espectroscopia de admitância são usadas para analisar as propriedades quer da camada absorvente quer da célula solar. No capítulo 6 é apresentada uma conclusão geral do trabalho desenvolvido e são referidas sugestões para melhorar e complementar os estudos feitos.
Renewable energy sources have been highlighted since the late twentieth century. There are several reasons why this is happening. Forecasts point to problems of depletion of fossil fuels, particularly oil and natural gas during the present century. Coal, still abundant, has a signi cant environmental problem. The dangers associated with nuclear power are making the governments of several countries to rethink their energy policies. All these technologies have strong environmental impacts. Considering the total renewable energy, photovoltaic is still a small player in the panorama of current energy production. The explanation is due to the fact that the cost of photovoltaic systems is still high. Several government initiatives are underway, like for instance the SET for 2020 (EU) and Sunshot (USA), for the development of technologies that solve this problem. The share of thin film technology is still small, but has increased in recent years. The advantages over traditional technology based on Si are various, eg. lower energy and materials costs to manufacture the cells. This dissertation presents a fabrication process of thin fi lm solar cells using as absorber layer a new semiconductor compound, Cu2ZnSnS4, which shows as major advantage compared with their predecessors, the fact that it consists of abundant elements with low toxicity. It is also presented a study on the growth conditions as well as the characterization of the absorber layer and fi nal solar cells. This work also include a study of ternary compounds, CuxSnSx+1 and binary compounds, SnxSy, justi ed by the fact that these phases arise as secondary phases in the growth of Cu2ZnSnS4. Next, the various chapters of this thesis are described brie y. In Chapter 1 is discussed brie y the motivation and framework technology in the global energy scenario. The solar cell structure adopted in this work is also described. Chapter 2 is allocated to a more detailed description of the compound Cu2ZnSnS4, namely, the structural and opto-electronic properties. The last ones are used to explain the non-stoichiometric compositions applied in the compound growth. It is also described the various growth techniques presented in the literature. The last section of this chapter shows the experimental results published by several groups studying this compound. The method implemented to grow the absorber layer, and the variation effects of the growth parameters are discussed in chapter 3. It is also included a detailed description of equipment used in characterization the absorber layer and the fi nal solar cells. The binary and ternary chalcogenide phases are studied in Chapter 4. It is presented a description of the growth method, for phases of the type CuxSnSx+1 and SnxSy and their basic characterization, namely the elemental composition, structural, optical and electrical properties. In the case of binary compounds is also shown the results of a solar cell. In the chapter 5 is reported the characterization results of the fi lms of Cu2ZnSnS4. Techniques such as Raman scattering, photoluminescence, the external quantum e ficiency and admittance spectroscopy are used to analyze the properties of both the absorber layer and the solar cell. In the chapter 6 is presented a general conclusion of the work developed during the project and some suggestions are also referred in order to complete and complement some of the studies.
