2013 Material Research Society (MRS) Spring Meeting – Hari 4

Improvement of Cu2ZnSnSe4 Based Solar Cells Back Contact with an Interfacial ZnO Nanolayer: Impact on Devices Efficiency (Fairbrother, Catalonia Institute for Energy Research (IREC), Barcelona, Spain)

• Pada pembentukan kesterite, tekanan uap dari S(Se) dan temperature tinggi dibutuhkan untuk membentuk material dengan ukuran grain yang besar. Namun biasanya menyebabkan pembentukan lapisan MoS(e) yang tebal.
• Dengan melapiskan diffusion barrier seperti TiN bias menghambat pembentukan lapisan MoS(e) yang tebal
• Pada penelitian ini, ZnO dengan tebal 5-20 nm dicoba dilapiskan diatas Mo
• Sputtering dari Sn/Cu/Zn metal untuk mebentuk CZTSe
• Adanya nanolayer dari ZnO tidak membantu pengurangan ketebalan dari MoS(e) tetapi efisiensi dari sel surya meningkat. Kemungkinan dikarenakan akumulasi Na di interface ketika ada ZnO dan pembentukan Na2SeO3
• Efisiensi meningkat dari 2.5% tanpa ZnO menjadi 6% dengan 10 nm ZnO

 

Cu2ZnSnS4 Devices from a Reactive Sputtering and Anneal Route (Charlotte Platzer-Bjorkman, Uppsala University, Sweden)

• Fabrikasi CZTS dilakukan dengan reactive sputtering dari Cu, Zn, dan Sn dan aliran dari H2S gas ketika deposisi
• Hilangnya Sn dan S ketika proses pendinginan menjadi masalah
• Kemudian mereka mencoba proses dengan dua tahap yaitu  deposisi terlebih dahulu Cu, Zn. Dan Sn precursor, kemudian annealing di tube furnace dengan Ar pressure 350 mbar dan temperature 560C dalam 3 menit
• Dengan metoda ini efisiensi meningkat dari 4.1% menjadi 7.2%

 

Investigation of Quantum Dot Solar Cell Device Performance (NS Beattie, Northumbria University, UK)

• Intermediate band solar cell diprediksi akan melampaui limit teoritis efisiensi sels surya single band ga yaitu 33%
• Umumnya pad asels urya konvensional, satu photon berkontribusi terhadap satu gabungan elekron-hole, namun absorpsi dua photon bisa terjadi dengan adanya intermediate band
• Sub band gap ini berkontribusi terhadap photocurrentxternal quantum efficiency (EQE) dengan menangkap photon sub band gap
• Pengaplikasian quantum dot bisa meningkatkan E
• Efisiensi 3% berhasil dicapai dengan sel surya quantum dot InAs dan GaAs p-i-n

 

Correlations between Photoluminescence and Device Performance of PbS Quantum Dot Solar Cells (Gao, NREL, USA)

• Efisiensi tertinggi dari sel surya quantum dot sampai saat ini yaitu 7% dengan struktur sel surya ITO/ZnO nanokristal/PbS nanokristal/Au
• Keuntungan dari sel surya quantum dot yaitu fabrikasinya menggunakan larutan dan dilakukan pada suhu dan kondisi ruang
• Photoluminiscence yang baik pada quantum dot berbanding lurus dnegan pada sel surya
• Struktur sel surya mereka yaitu ITO/ZnO/PbS/MoO3/metal dan efisiensiensinya 6%
• Mereka menggunakan dip coating untuk fabrikasi lapisan quantum dot

 

PVD of thin Copper Sulfide (Cu2S) Films for Photovoltaic Applications (Siol, Technische Universität Darmstadt)

• Sel surya dengan struktur Cu2S/CdS telah mencapai efisiensi 11%
• Namun penelitian mengenai material ini menurun drastis akibat dari ketidak stabilan sel surya krena degradasi Cu2S dan difusi ion Cu ke CdS
• Pada penelitian ini mereka memfabrikasi sel surya dgn struktur Au/Cu2O/Cu2S/ZnO/AZO
• Morfologi material masih sangat buruk

 

SnS as an Earth Abundant Solar Absorber: A Coupled Theoretical and Experimental Investigation (Vidal, NREL)

• Band gap msih belum pasti apakah direct atau indirect
• Sn vacancy adalah penyebab doping p-type dan mempunyao energy pembentukan yang rendah pada kondisi Sulfur-rich
• Kondisi Sn-rich sangat merugikan potensi sel surya krena memudahkan pembentukan deep defect seperti Sn antisite dan S vacancy

 

2013 Material Research Society (MRS) Spring Meeting – Hari 3

Atom probe study of Cu2ZnSnSe4 thin film solar cells prepared by Co-evaporation and post-deposition annealing (T. Schwarz, Max Planck Institute, Germany)

• Karaterisasi dengan atom probe memungkinkan analisis elemental pada skala nano, skitar 50 nm
• Fabrikasi CZTSe dilakukan dengan coevaporation Cu, Zn, Sn, dan Se. Temperatur substrat dijaga konstan pada 320C, dan dilanjutkan dengan selenisasi memakai tube furnace pada 500C
• Dengan atom probe dimunngkinkan untuk mendeteksi keberadaan ZnSe dengan mapping distribusi elementalnya
• Pada ZnSe terdeteksi juga Cu dan Sn
• ZnSe dapat mengakibatkan tingginya aktivitas rekombinasi dan juga penghambat aliran electron
• Terdeteksi juga segregasi Na di interface antara CZTSe/ZnSe

 

Effects of growth conditions on compositional gradients and secondary phases in CZTSe films deposited by co-evaporation (D.M. Bishop, Institute of energy conversion Delaware, USA)

• Coevaporation dari Cu,Zn,Sn, dan Se
• SnSe mudah hilang ketika sintesis dan setelah deposisi CZTSe berakhir
• Pada temperature 500C, vapor pressure SnSe 4×10^-4 torr
• Pada permulaan deposisi, SnSe hilang paling mudah
• KOmposisi Zn lebih banyak pada area mendekati back contact
• Vapor pressure dari SnSe drop ketika bekerja pada temperature lebih rendah seperti 300C
• Sintesis CZTSe dengan menggunakan temperature 300C terlebih dahulu kemudian 500C, ZnSe menjadi lebih terdistribusi dan efisiensi sel surya mencapai 6.4%

 

Is it possible to grow and identify thin films of phase pure kesterite semiconductor? (P.J. Dale, University of Luxembourg)

• Divais dengan efisiensi tinggi tidak berfasa tunggal
• ZnSe mempunyai band gap 2.7 eV dan bisa berada di permukaan, bulk, atau dekat dengan back contact
• Pembentukan MoSe2 mempunyai energi pembentukan negative
• Mereka mencoba juga elektrodeposisi metal dengan urutan struktur Mo/Cu/Sn/Cu/Zn dan Mo/Cu/Sn/Zn kemudian  dilakukan proses pre-annealing untuk membentuk alloy
• Preannealing dari sampel Mo/Cu/Sn/Cu/Zn membentuk campuran alloy lapisan bilayer CuSn dan CuZn, sedangkan dari sampel Mo/Cu/Sn/Zn membentuk campuran columnar CuSn dan CuZn
• Selenisasi pada bilayer alloy membentuk struktur Mo/Cu+Cu6Sn5/ZnSe, sedangkan pada columnar alloy membentuk Mo/ZnSe+Cu+Cu6Sn5 yang lebih terdistribusi merata
• Sel surya dari columnar alloy mempunyai efisiensi 5.8%
• JUmlah fraksi molar ZnSe di film berkorelasi dengan Jsc dari sel surya tapi tidak dengan Voc. Jsc semakin berkurang dengan semakin besarnya fraksi molar ZnSe
• Raman spektroskopi dengan menggunakan laser pada blue excitation dapat mendeteksi ZnSe
• Pada EQE, ZnSe bisa dideteksi pada region 2.6 eV dan 3.2 eV, dengan menggunakan normalized EQE
• HCl terkonsentari bias menghilangkan ZnSe tetapi berakibat buruk terhadap sel surya
• ZnSe menghambat aliran electron dan berfungsi sebagai filter optic

 

Microstructural characterization of high-efficiency Cu2ZnSn(S,Se)4 thin films solar cells prepared from solution precursors (Qijie Guo, Du Pont,USA)

• Digunakan nanopartikel baik quartenary, binary, atau ternary nanopartikel sebagai precursor
• Selenisasi dilakukan menggunakan pellet Se dalam graphite box
• Struktur bilayer CZTSe selalu terbentuk setelah proses selenisasi

 

Semiconductor Materials for photoelectrochemical water splitting: metal oxides or non oxides (H. Wang, NREL, USA)

• Target dari system PEC yaitu efisiensi setidaknya 10% dan ketahanan minimal 10 tahun
• Untuk produksi hydrogen dengan kombinasi fotovoltaik untuk elektrolisis, jika efisiensi fotovoltaik 12% dengan efisiensi elektrolisis sebesar 65%, makan solar to hydrogen (STH) efisiensinya adalah 7.8%
• Sistem PEC memungkinkan reduksi harga yang signifikan
• Band gap untuk ideal material pada PEC yaitu 1.6 atau 1.7 eV tetapi tidak lebih dari 2.2 eV dan juga band gap levelnya harus melingkupi energy potensial reduksi dan oksidasi air
• Metal oksida mempunyai band gap yang lebar, ada mismatch dari level band gap, dan efisiensinya rendah
• Untuk alternative solusi mengatasi band gap mismatch, maka beberapa peneliti membuat system tandem metal oksida
• Sebagai contoh tandem solar cell dari Gratzel, Domen, dan Lewis
• Metal oksida mempunyai stabilitas yang tinggi
• COntohn dari non oksida yang potentsial yaitu GaAs dan GaInP2
• Walaupun efisiensi tandem GaAs dan GaInP2 dikombinasikan dengan PV sudah mencapai 12.4% namun stabilitasnya sangat rendah
• Kemungkinan permukaan GaInP2 harus di lapisi agar stabil

 

Semiconductor nanowires for artificial photosynthesis (Peidong Yang, Univ. Berkeley)

• Sistem fotosintesis buatan memungkinkan konversi dan penyimpanan energy pada waktu yang sama
• Disain tandem mengharuskan penggunaan ohmic contact diantara photocathode dan photoanode
• Problem utama ada di photoanode krena sampai saat ini photocurrent dan photovoltage sangat rendah

 

Engineered CuInSe_xS_2-x quantum dots for high-efficiency solar cells (H. McDaniel, Los Alamos laboratory)

• Quantum dot solar cell yang terefisien saat ini menggunakan PbS dan ZnO
• Penelitian ini bertujuan menggabungkan kelebihan dari DSSC yaitu teknik produksinya yang murah dan kelebihan dari sel surya thin film yaitu efisiensinya yang tinggi
• Struktur dari sel surya FTO/TiO2/QuantumDot/electrolyte/CuxS/FTO
• Efisiensi sel surya lebih dari 5%

 

 

 

 

 

2013 Material Research Society (MRS) Spring Meeting – Hari 2

Critical material challenges in solar to hydrogen production technologies (Eric Miller,Department of Energy, USA)

• Clean energy patent index menunjukan bahwa patent mengenai fuel cell memimpin dengan 950 paten pada 2011 disusul oleh paten-paten mengenai teknologi surya
• Dua Negara teratas yang aktif mengkomersialisasikan teknologi fuel cell yaitu USA dan Jepang
• Methane steam reforming masih menjadi metoda yang paling banyak digunakan untuk memproduksi H₂ untuk komersil
• Harga fuel cell selalu semakin turun dan sekarang dalam kisaran 43 dollar/kwH. Target harga agar fuel cell bias kompetitif dengan bahan bakar fosil yaitu 30 dollar/kWh
• Portofolio dari teknologi preduksi H₂ di USA yaitu untuk optimalisasi dari methane steam reforming (jangka pendek), produksi berbasis biomass (jangka menengah), dan produksi dari penggunaan sinar matahari seperti water splitting (jangka panjang)
• Banyak cara untuk memproduksi H₂ menggunakan energy surya yaitu thermolysis, electrolysis, dan photolysis.
• Efisiensi yang realistic dari produksi H₂ untuk skala industri menggunakan elektrolisis oleh sel surya yaitu 26%
• Efisiensi yang realistic dari produksi H₂ untuk skala industri menggunakan teknologi water splitting (Photoelectrochemical (PEC) yaitu 10%

 

The challenge of finding new absorber materials for thin film solar cells (Andreas Klein, Darmstadt University of Technology)

• Faktor-faktor yang bias menjadi penghambat suatu material menjadi kandidat sebagai fotoabsorber yaitu:

– absorbansi cahaya yang lemah seperti material indirect band gap atau forbidden transition

– Short circuit sperti pinhole atau fasa sekunder

– kualitas dari material tersebut seperti carrier lifetime dan diffusion length

– alignment dari level energy band gap nya

-kualitas permukaan dengan material n-type nya seperti rekombinasi

• Tin sulphide (SnS) mempunyai energy band gap 1.3 eV dan di prediksi mempunyai arus density (Jsc) teoritis sebesar 30 mA/cm2.
• Cu2O, Cu2S, SnS dan Bi2S3 mempunyai band alignment yang cocok tetapi sangat rentan terhadap efek pinning dari level energy band-gapnya
• Apabila terjadi pinning pada Fermi level maka kualitas sel suryanya tergantung dari doping density nya
• Alasan terjadi Fermi level pinning yaitu konsentrasi tinggi dari “deep donor” atau “deep acceptors”
• Ferme level pinning menjadi problem dari beberapa material yang berpotential tersebut, sehinnga evaluasi dari kualitas material tersebut sangat penting
• Fermi level dari SnS pinning sebesar 0.5 eV diatas valnce band maximum (VBM)

 

Functional oxide thin films for new generation solar cells: using atmospheric Atomic Layer Deposition (ALD) (Munoz-rojas, University of Cambridge)

• Konsep kerja ALD mirip Chemical Vapor Deposition (CVD) tetapi penumbuhan lapisannya sequiential atau lapis per lapis
• Keuntungan dari ALD yaitu tebal lapisan bisa dengan mudah dikontrol dan juga material berkualitas tinggi bias disintesis pada temperature rendah.
• Kekurangan dari ALD yaitu prosesnya sangat lambat dan juga membutuhkan kondisi vacuum
• Atmospheric ALD yang didesain grup riset ini memungkinkan proses terjadi pada kondisi atmosfer
• Beberapa material kulitas tinggi Cu2O, TiO2 untuk aplikasi pada sel surya tlah berhasi disintesa dan terbukti meningkatkan performansi dari sel surya tersebut dibandingkan dengan fabrikasi konvensional

 

The effect of high temperature reaction of Cu-In-Ga metallic precursors on the formation of Cu(In,Ga)(Se,S)₂ (Dominik Berg, Institut of Energy Conversion, University of Delaware, USA)

• Proses pada temperatur tinggi mempunyai keuntungan untuk meningkatkan homogeneity dari gallium dan juga mingkatkan ukuran dari grain
• Pada proses sintesis yang dilakukan grup ini, digunakan proses selenisasi pada temperature 400C oleh gas H2Se, diikuti oleh pemanasan pada atmosfir Ar dan juga sulfurisasi pada 540C oleh H2S.
• Pembentukan intermetallic Cu₉Ga₄ sangat penting untuk sintesis
• Proses sulfurisasi pada temperature yang lebih tinggi yaitu 650C mampu meperbesar ukuran grain dan juga meminimalisasi adanya void.
• Namun efisiensi tertinggi dicapai ketika sulfurisasi dilakukan pada temperature 540C
• Tidak ada perbedaan yang signifikan pada depth profile dari CIGSe yang disintesa pada berbagai temnperatur, namun ketika temperature dinaikan, konsentari sodium (Na) pada CIGSe menjadi berkurang
• Berkurangnya Na ini bias menjadi penyebab dari turunnya efisiensi saat temperature tinggi digunakan

 

Detailed Phase Behavior of CuGaIn/Se Precursors during the Rapid Thermal Annealing (Kim, Yeungnam university, Korea)

• Selenisasi dari lapisan precursor sangat potensial untuk fabrikasi high quality CIGSe, biasanya selenisasi dilakukan pada temperature 400C
• Pada ekserimen ini urutan fabrikasi lapisannya yaitu Mo/CuGa/In/Se
• Tebal dari amorphous selenium adalah 5 mikrometer
• Ketika precursor dipanaskan pada temperature 250C, amorphous selenium menjadi kristal kemudian meleleh dan menjadi amorphous kembali. Pada temperature ini indium yang pad awalnya meleleh menjadi terkristal kembali
• Pada pemanasan di temperature 500C, semua lapisan selenium menguap dan film menjadi mixture dari CuSe, InSe, dan CISe
• Ketebalan dari selenium semakin berkurang dengan naiknya temperature sampai 500C
• Pada temperature 550C, reaksi pembentukan CIGS selesai

 

Future prospects of electrochemical solar cells for next generation photovoltaics (Prof segawa, University of Tokyo, Jepang)

• Contoh dari electrochemical solar cell yaitu dye-sensitized solar cell (DSSC) dan turunannya yaitu polymer sensitized solar cell (PSSC) dan quantum dot sensitized solar cell (QDSSC)
• Keuntungan dari DSSC yaitu stabil terhadap fluktuasi cahaya
• Saat diiluminasi dengan intensitas cahaya yang rendah, efisiensi DSSC relative stabil, berbeda dengan sel surya silicon yang efisiensinya berfluktuasi terhadap intensitas cahaya
• Tantangan dari riset DSSC yaitu mengmebangkan divais dengan efisiensi sel lebih dari 15% dan efisiensi modul lebih dari 10%
• Untuk pengembangan DSSC, dibutuhkan dye baru yang bias menyerap cahaya ke daerah near infra red
• Pada PSSC, larutan elektrolit yang umumnya digunakan pada DSSC diganti oleh conjugated polymer
• DSSC bias juga digunakan untuk menyimpan energi dengan menambahkan platinum mesh dan secondary battery sehingga bias bekerja pada kondisi gelap

 

Characterization of earth abundant Cu₂Zn(Sn_yGe_1-y)(S_xSe_1-x)₄ solar cells ( Charles hages, Purdue university, USA)

• Sel surya yang difabrikasi menggunakan tinta nanokristal (nanocrystal ink)
• Dengan teknik ini, CZTSSe dengan efisiensi 8.4% berhasil dicapai, sedangkan untuk CIGSSe efisiensinya adalah 14.2%
• Namun energy band gap nya terlalu rendah maka mereka mencoba menambahkan germanium (Ge) di sistemnya
• Efisiensi tertinggi didapat dengan 30%Ge denngan band gap 1.19 eV dan efisiensi 9.4%
• Alloying dengan Ge meningkatkan carrier lifetime dari absorber

 

Correlation between Electrical, Optical and Physical Properties of Cu₂ZnSnSe₄ Solar Cells ( G. Brammertz,IMEC Belgium)

• Sputtering bertahap dari Sn, Cu, dan Zn, kemudian di annealing dalam dengan aliran H2Se pada tmperatur 450 sampai 500C selama 5 sampai 30 menit
• Divais terbaik didapat dengan , pada 450C selama 15 menit
• Efisiensi total area 7.5% dan untuk active area 9.4%
• KOmposisi Cu/(Zn+Sn)=0.78 dan Zn/Sn=1.28
• Terdapat korelasi antara ratio Zn/Sn dan doping density. Kemungkinan karena adanya Zn atau Sn defect
• Defect ini berpengaruh terhadap nilai Voc dan carrier lifetime
• Selama sintesis, Zn dan Sn menguap
• Umumnya selenisasi pada temperature rendah menghasilkan divais dengan efisiensi tinggi karena pengupan sangat dominan pada temperature tinggi

 

Compositional Dependence of Charge Carrier Transport inCZTS Solar Cells (J. Just, Helmholtz Zentrum Berlin, HZB, Germany)

• Co-evaporation dari Cu, ZnS, Sn dan S
• Tiga sampel dengan ratio yang berbeda disintesis, Cu-poor, sedikit Cu-poor, dan Cu-rich
• Sampel dikarakterisasi dengan EBIC (Electron Beam Induced Current)
• Sample dengan Cu-poor mempunyai space charge region yang paling lebar, skitar 200 nm
• Divais dengan Cu-poor mempunyai efisiensi sebesar 5.2%, sedikit Cu-poor dengan 0.4%, dan Cu-rich dengan 0.64%
• Keberadaan secondary phases dideteksi dengan XANES
• Ratio Cu/Sn sangat penting diketuai untuk mengetahu pembentukan ZnS

 

High Performance CZTSSe: Device Physics and Material Challenges (O. Gunawan, IBM, USA)

• Untuk sel surya CIGSe, efisiensi dengan menggunakan material berband gap lebih dari 1.1 eV biasanya menjadi berkurang. Namun untuk CZTSSe relative stabil terhadap band gap
• Mereka mempunyai system solar simulator yang mengintegrasikan pengukuran I-V dan C-V
• Problem paling utama dari sel surya CZTSSe yaitu rendahnya Voc (membutuhkan peningkatan ~50%), dan fill factor (membutuhkan peningkatan 20%). Untuk Jsc sudah sebanding dengan CIGSe (skitar ~2%)
• CZTSSe mempunyai spike band alignment dengan CdS
• Efisiensi dari CZTSSe kolaps pada pengkuruan suhu rendah dan frekuensi tinggi pada C-V
• CZTSSe mempunyai konstanta dielektrik yang rendah sehingga melipatgandakan semua defect

 

Chalcogenide as PEC  material (Gaillardu, Univ. Hawaii)

• Hibrid system dari chalcogenide dan amorphous silicon
• Keuntungan: material dengan kualitas PV (arusfoto yang tinggi), sudah dalam fabrikasi missal, dan munkgin untuk alloying
• CuGaSe 2 mempunyai band gap yang paling besar untuk CIGSe dengan 1.68 eV
• Tantangan untuk tandem: band gap energy terlalu rendah, menghailkan photovoltage yang sangat rendah, dan VBM terlalu jauh dari potential oksidasi H2O
• Dibutuhkan material dngan band gap 2.0 eV
• Untuk material compound I-III-VI2, golongan III menentukan CBM dan golongan I-VI menentukan VBM
• Sehingga mereka mengembangkan Cu(In,Ga)S2 dengan variasi band gap antara 2.0 eV sampai 2.4 eV
• Dibanding CuGaSe2, CuGaS2 mempunyai kenaikan fotovoltage