Caracterización avanzada de interfaces de absorbedores basados en calcogenuros para tecnologías fotovoltaicas de película delgada

Robert Fonoll i Rubio

Guc, Maxim; Izquierdo Roca, Víctor.

Laboratorio de Caracterización de Materiales (IREC) - Materiales y Sistemas para Energía Solar (IREC)

La tesis doctoral «Caracterización avanzada de las interfaces de los absorbentes basados en calcogenuros para las tecnologías fotovoltaicas de capa fina», de Robert Fonoll i Rubio (defendida en marzo de 2023), se realizó en el Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC), dentro del grupo de investigación «Materiales y Sistemas para la Energía Solar (SEMS)», ubicado en Sant Adrià de Besòs, en el marco de la línea de investigación «Caracterización avanzada de materiales y dispositivos electrónicos». La energía fotovoltaica es uno de los pilares de la transición energética. Dentro de las tecnologías fotovoltaicas, las tecnologías de capa fina representan una evolución interesante que permite la integración de la energía solar en multitud de escenarios (edificios, vehículos, agricultura, etc.) y productos (dispositivos electrónicos, IoT, wearables, etc.) gracias a su adaptabilidad. Sin embargo, estas tecnologías se forman mediante el apilamiento de capas de diversos materiales, lo que implica una estructura y una fabricación complejas. En este contexto, el desarrollo de metodologías para la obtención de información fisicoquímica de los materiales y estructuras que conforman las tecnologías fotovoltaicas de capa delgada es fundamental para su desarrollo e industrialización. Sin embargo, la complejidad y el grado de precisión requeridos para la caracterización de las interfaces de estas células solares hacen que este campo no haya sido explorado en profundidad, por lo que el desarrollo de metodologías avanzadas para el análisis de interfaces en tecnologías fotovoltaicas de capa delgada es de gran relevancia. Con esta motivación, el objetivo de la tesis ha sido doble: 1) Desarrollar herramientas espectroscópicas no destructivas para la caracterización rápida de las interfaces de materiales fotovoltaicos y adaptables a la industria como técnicas de control de procesos. 2) La aplicación de estas herramientas para identificar los mecanismos fisicoquímicos de pérdida de eficiencia que se producen en las interfaces de las células solares de capa delgada. La tesis se ha centrado en tecnologías fotovoltaicas de calcogenuros como Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) y Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) en el marco de diferentes proyectos nacionales e internacionales, como In4CIS y MasterPv (Solar-era.net), Solar-Win (H2020), o Platform-ZERO (HE), sin embargo, debido a la gran flexibilidad de las metodologías desarrolladas durante la tesis, se ha explorado su adaptación a otros materiales y tecnologías, como es el caso de materiales derivados de la familia del grafeno (LESGO, H2020) para aplicaciones de almacenamiento de energía, o la caracterización de materiales plásticos avanzados como el PVB (SUNRISE, H2020) para su reutilización y reciclaje eficiente. Como resultado de la tesis, el trabajo científico realizado ha permitido la publicación de 6 artículos en revistas de alto impacto con un total de 87 citaciones, así como la fabricación de 3 sistemas prototipo semiindustriales de inspección industrial en línea basados en metodologías y sistemas desarrollados en la tesis los cuales han sido instalados y probados en condiciones industriales, permitiendo validar su potencial transferencia 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.

Tesis doctoral; Caracterización avanzada; Interfaces; Absorbedores basados en calcogenuros; Tecnologías fotovoltaicas de capa fina; Robert Fonoll i Rubio; Instituto de Investigación en Energía de Cataluña (IREC); Materiales y sistemas para la energía solar (SEMS); Sant Adrià de Besòs; Caracterización avanzada de materiales; Dispositivos electrónicos; Energía fotovoltaica; Transición energética; Tecnologías de capa fina; Integración de la energía solar; Edificios; Vehículos; Agricultura; Dispositivos electrónicos; IoT; Wearables; Estructura compleja; Fabricación; Información fisicoquímica; Materiales; Estructuras; Metodologías de desarrollo; Industrialización; Precisión; Pérdida de eficiencia; Mecanismos fisicoquímicos; Herramientas espectroscópicas no destructivas; Caracterización rápida; Técnicas de control de procesos; Cu(In,Ga)Se2 (CIGS); Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe); Proyectos nacionales; Proyectos internacionales; In4CIS; MasterPv (Solar-era.net); Solar-Win (H2020); Plataforma-ZERO (HE); Materiales de la familia del grafeno; LESGO (H2020); Aplicaciones de almacenamiento de energía; Materiales plásticos avanzados; PVB (SUNRISE, H2020); Reutilización; Reciclaje eficiente; Revistas de alto impacto; Citas; Sistemas de prototipos semiindustriales; Inspección industrial en línea; Condiciones industriales; Transferencia industrial.