Fabrication and characterization of micro-concentrator solar cells based on Cu(In,Ga)Se2

Abstract

As crescentes preocupações ambientais e o aumento da demanda global por energia têm intensificado a necessidade de tecnologias de energia renovável. A microconcentração fotovoltaica (μCPV) surge como uma tecnologia promissora, ao combinar conceitos de filmes finos e de concentração, e reduzir as dimensões das células solares para a escala sub-milimétrica. Esta tecnologia permite reduzir o consumo de materiais e os custos de fabrico, enquanto aumenta a geração de energia sob luz concentrada. No presente trabalho, microcélulas de Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) foram fabricadas em substratos préestruturados, padronizados por fotolitografia da camada isolante de SiOx. O precursor Cu-In-Ga (CIG) foi depositado por pulverização catódica, seguido de lift-off do fotorresiste/CIG, tratamento térmico e selenização para formar o microabsorvedor final. Os microdispositivos foram avaliados sob iluminação padrão em AM1.5 e concentrada. Durante a fabricação do substrato, a litografia por escrita direta a laser produziu padrões de maior resolução em comparação ao mask aligner, e camadas isolantes de SiOx com espessura de 2 μm apresentaram melhor estabilidade térmica durante a selenização do que as de 1 μm. A otimização do crescimento do CIGSe revelou que micro-pontos com diâmetros de 100 e 150 μm sofreram mais danos durante a selenization, e que precursores ricos em Cu resultaram em defeitos morfológicos, estruturas ricas em Na e fases secundárias. Por outro lado, precursores pobres em Cu, quando submetidos a tratamento térmico e selenizados em dois estágios, reduziram substancialmente os defeitos no microabsorvedor e a fissuração na camada de SiOx. Apesar dos desafios, microdispositivos de CIGSe foram fabricados com sucesso, com o melhor microdispositivo a atingir eficiência de 1.44%. Para mitigar a difusão de Na e a fissuração do SiOx, foi introduzida uma camada barreira de SiOxNy. A avaliação dos microdispositivos confirmou que o tratamento melhorou significativamente o Voc e o Jsc, principalmente na selenização em um estágio, com ganhos médios de 63 mV em Voc e 1.8 mA/cm-1 em Jsc. Em todos os dispositivos, a alta resistência em séria e baixa resistência shunt limitaram a performance. Sob iluminação concentrada, os aumentos em Voc e Jsc, mas o desempenho permaneceu limitado pela recombinação, perdas resistivas e degradação do FF. Este trabalho demonstra a viabilidade de fabricar microcélulas solares CIGSe em substratos pré-estruturados por meio de pulverização catódica e CVD, evidenciando os desafios e as possíveis rotas de otimização para o avanço das tecnologias fotovoltaicas de microconcentração de CIGSe.

The increasing environmental concerns and rising global energy demand have intensified the demand for renewable energy technologies. Micro-concentrator photovoltaics (μCPV) have emerged as a promising technology, combining thin-film and concentrator concepts and reducing the solar cell dimensions to sub-millimeter scales. They enable reduced material consumption and manufacturing costs while enhancing energy generation under concentrated sunlight. In the present work, Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) micro solar cells were fabricated on pre-structured substrates patterned by photolithography of a SiOx insulator layer. The Cu-In-Ga (CIG) precursor was deposited by sputtering, followed by photoresist/CIG lift-off, precursor thermal treatment and selenization to form the final CIGSe microabsorber. The micro-devices were evaluated under both standard AM1.5 and concentrated illumination. Substrate fabrication showed that direct-write laser lithography yielded higher-resolution features than mask aligner lithography. In addition, 2 μm-thick SiOx insulator layers provides better thermal stability than 1 μm-thick layers, which suffered severe cracking and delamination during selenization. Absorber growth optimization revealed that smaller micro-dots with diameters of 100 and 150 μm suffered greater damage during selenization, and that Cu-rich precursors led to severe surface morphological defects including Na-rich structures, and secondary phases. Conversely, Cu-poor precursors, particularly when thermally treated and selenized via two-stage process, substantially reduced the defects in the microabsorber and cracking in SiOx insulator layer. Despite the challenges encountered, CIGSe micro-devices were successfully fabricated, with the best-performing micro-device achieving 1.44% efficiency. To address Na diffusion and SiOx cracking, a SiOxNy barrier layer was introduced. Device characterization of treated and untreated precursors confirmed that thermal treatment improved both Voc and Jsc, particularly in the one-stage process, where average gains of 63 mV in Voc and 1.8 mA/cm² in Jsc compared to 33 mV and 1.4 mA/cm² for the two-stage process. Across all micro-devices, high series resistance and low shunt resistance were identified as major issues. Under concentrated illumination, all devices showed clear increase in Voc and Jsc, but performance remained limited by recombination, resistive losses, and fill factor degradation. This work demonstrates the feasibility of fabricating CIGSe micro-solar cells on prestructured substrates via sputtering and CVD, while also highlighting challenges and potential routes for advancing CIGSe micro-concentrator photovoltaics.