Caracterització Avançada de les Interfícies dels Absorbidors Basats en Calcogenurs per a les Tecnologies Fotovoltaiques de Capçal Fina

Robert Fonoll i Rubio

Guc, Maxim ; Izquierdo Roca, Víctor

Laboratori de Caracterització de Materials (IREC) - Materials i Sistemes per a l'Energia Solar (IREC)

La tesi doctoral "Caracterització Avançada d'Interfícies dels Absorbidors Basats en Calcogenurs per a les Tecnologies Fotovoltaiques de Capa Prima", de Robert Fonoll i Rubio (defensa el març de 2023), es va dur a terme a l'Institut de Recerca en Energia de Catalunya (IREC) dins del grup de recerca "Materials i Sistemes per a l'Energia Solar (SEMS)", ubicat a Sant Adrià de Besòs, en el marc de la línia de recerca de "caracterització avançada de materials i dispositius electrònics". L'energia fotovoltaica és un dels pilars per a la transició energètica. Dins de les tecnologies fotovoltaiques, les tecnologies de capes primes representen una evolució interessant que permet la integració de l'energia solar en multitud d'escenaris (edificis, vehicles, agricultura, etc.) i productes (dispositius electrònics, IoT, wearables, etc.) gràcies a la seva adaptabilitat. Tanmateix, aquestes tecnologies es formen apilant capes de diversos materials que impliquen una estructura i fabricació complexes. En aquest context, el desenvolupament de metodologies per obtenir informació fisicoquímica sobre els materials i estructures que formen les tecnologies fotovoltaiques de capes primes és fonamental per al seu desenvolupament i industrialització. Tanmateix, la complexitat i el grau de precisió necessaris per a la caracterització de les interfícies d'aquestes cèl·lules solars fan que aquest camp no s'hagi explorat en profunditat, per la qual cosa el desenvolupament de metodologies avançades per a l'anàlisi d'interfícies en tecnologies fotovoltaiques de capa fina és de gran rellevància. Amb aquesta motivació, l'objectiu de la tesi ha estat doble: 1) Desenvolupar eines espectroscòpiques no destructives per a la caracterització ràpida de les interfícies de materials fotovoltaics i adaptables a la indústria com a tècniques de control de processos. 2) L'aplicació d'aquestes eines per identificar mecanismes fisicoquímics de pèrdua d'eficiència que es produeixen a les interfícies de les cèl·lules solars de capa fina. La tesi s'ha centrat en tecnologies fotovoltaiques de calcogenurs com ara Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) i Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) en el marc de diferents projectes nacionals i internacionals, com ara In4CIS i MasterPv (Solar-era.net), Solar-Win (H2020), o Platform-ZERO (HE), però, a causa de la gran flexibilitat de les metodologies desenvolupades durant la tesi, s'ha explorat la seva adaptació a altres materials i tecnologies, com ara el cas de materials derivats de la família del grafè (LESGO, H2020) per a aplicacions d'emmagatzematge d'energia, o la caracterització de materials plàstics avançats com el PVB (SUNRISE, H2020) per a la seva reutilització i reciclatge eficient. Com a resultat de la tesi, el treball científic realitzat ha permès la publicació de 6 articles en revistes d'alt impacte amb un total de 87 cites, així com la fabricació de 3 sistemes prototip semiindustrials d'inspecció industrial en línia basats en metodologies i sistemes desenvolupats en la tesi que han estat instal·lats i provats en condicions industrials, permetent validar la seva potencial transferència industrial.

The application of the results obtained by Dr. Fonoll i Rubio during the development of his doctoral thesis and their transference to the industry are demonstrated by the real products produced in the several national and international projects that involved his work. All the following projects employ the characterization methodologies developed by Dr. Fonoll i Rubio to design and implement prototype systems for industrial process monitoring applications, or they employ the fundamental research of CIGS and kesterite PV technologies performed during the thesis to develop new commercial applications for these technologies. In4CIS — New in-line optical methodologies for advanced assessment of CIGS industrial processes (Solar-era.net, PCI 2019-111837-2) In4CIS project, which used a technology with TRL 5, aimed to establish and demonstrate at pre-industrial level optical advanced methodologies for the in-line assessment of advanced CIGS processes. These were applied to the monitoring of innovative postdeposition treatments that are developed for the production of very high efficiency CIGS devices, in order to ensure a successful transfer of these CIGS process concepts from cell (lab) level to a pre-industrial module level. This transfer requires for a detailed assessment of their uniformity when up-scaled to module device dimensions, which implies the need for high sensitivity tools and methodologies for the advanced assessment at in-line monitoring level of the uniformity of the surface region of the CIGS absorbers after deposition of the buffer layers in the device structure. Availability of suitable in-line monitoring tools is critical to ensure high throughput/high yield industrial processes as required for competitive CIGS PV production lines. Dr. Fonoll i Rubio, in the framework of both In4CIS project and the doctoral thesis, developed an optical methodology based in the use of 638 nm (red) excitation Raman scattering and PL techniques for the advanced non-destructive quantitative assessment of the quality of the CIGS surface absorber region at early process steps in the CIGS production line. This methodology was applied in an in-line process monitoring tool that was developed by IREC and the Spanish company Lenz and that was installed at the CIGS pre-industrial pilot line of the German institute ZSW. MasterPV — Innovative manufacturing solutions for cost-efficient semitransparent BIPV (Solar-era.net, PCI 2018-092945) MasterPV, with a technology at TRL 5, proposed the development of low cost innovative processes for cost efficient semi-transparent CIGS building-integrated photovoltaics (BIPV) solutions. The project involves the replacement of the Mo back contact in the traditional CIGS device architecture by transparent conductive oxide electrodes, which will allow achieving a significant improvement in the aesthetic quality of the semi-transparent devices, with the elimination of the back mirror effect that is determined by the remaining Mo regions in the modules. Improvement of the aesthetic quality of CIGS devices is strongly relevant to ensure a higher level of acceptance of these solutions in the BIPV market. Solar-Win — Next generation transparent solar windows based on customized integrated photovoltaics (H2020, 870004) Solar-Win project aimed to develop and commercialize a new transparent solar cell that will give windows in homes and other buildings the ability to generate electricity while still allowing people to see outside. The technology will be compatible with window manufacturing technologies and its lifespan will be the same as standard windows. The new smart window will cost 30 % more and will deploy solar energy in a non-intrusive way. This project resulted in the development by IREC and the Spanish company Lenz of a new optical system for the industrial inspection of the roll-to-roll manufacturing processes of flexible photovoltaic devices that was installed at the Austrian company Sunplugged,. This tool is based in the use of 532 nm (green) excitation Raman scattering and PL techniques, a methodology developed applying the knowledge obtained during the doctoral thesis of Dr. Fonoll i Rubio. LESGO — Light to Store chemical Energy in reduced Graphene Oxide for electricity generation (H2020, 952068) LESGO project seeks to store energy in the C-H bond of reduced graphene oxide, whose advantages include safe storage, easy transportation, an energy density more than one hundred times that of H2 gas, and no CO2 emissions during the electricity generation process. This will promote an environmentally friendly and affordable way to supply on-demand energy wherever it is required. This system includes an in-line inspection tool developed by IREC that performs real-time Raman spectroscopy measurements of the liquid solution of reduced graphene oxide that flows through the system during the hydrogenation process, and it applies a methodology developed by Dr. Fonoll i Rubio to evaluate the hydrogenation of the reduced graphene oxide by analyzing variations in the measured Raman spectra of the graphene oxide.

Tesi Doctoral; Caracterització Avançada; Interfícies; Absorbidors Basats en Calcogenurs; Tecnologies Fotovoltaiques de Capa Prima; Robert Fonoll i Rubio; Institut de Recerca Energètica de Catalunya (IREC); Materials i Sistemes per a l'Energia Solar (SEMS); Sant Adrià de Besòs; Caracterització Avançada de Materials; Dispositius Electrònics; Energia Fotovoltaica; Transició Energètica; Tecnologies de Capa Prima; Integració de l'Energia Solar; Edificis; Vehicles; Agricultura; Dispositius Electrònics; IoT; Tecnologies Ponibles; Estructura Complexa; Fabricació; Informació Fisicoquímica; Materials; Estructures; Metodologies de Desenvolupament; Industrialització; Precisió; Pèrdua d'Eficiència; Mecanismes Fisicoquímics; Eines Espectroscòpiques No Destructives; Caracterització Ràpida; Tècniques de Control de Processos; Cu(In,Ga)Se2 (CIGS); Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe); Projectes Nacionals; Projectes Internacionals; In4CIS; MasterPv (Solar-era.net); Solar-Win (H2020); Platform-ZERO (HE); Materials de la família del grafè; LESGO (H2020); Aplicacions d'emmagatzematge d'energia; Materials plàstics avançats; PVB (SUNRISE, H2020); Reutilització; Reciclatge eficient; Revistes d'alt impacte; Citacions; Sistemes de prototips semiindustrials; Inspecció industrial en línia; Condicions industrials; Transferència industrial.