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Analyse spectrale et spatiale du CIGS

Les énergies renouvelables gagnent en popularité et l’industrie solaire est en plein essor. Cette source d’énergie propre a le potentiel d’alimenter la planète et croît à un rythme exceptionnel. Le CIGS est un excellent candidat pour la fabrication de panneaux à base de couches minces à faible coût. Ces panneaux ont montré une amélioration impressionnante de leur efficacité, atteignant maintenant plus de 20% [1].

Caractérisation des pertes dues à l’ablation laser dans des modules de CIGS

Une caractéristique clé qui permet une efficacité aussi élevée est l’interconnexion par motif laser qui divise des modules de CIGS en cellules plus petites connectées en série. Cependant, même si ce processus contribue à l’efficacité globale, il entraîne également des pertes. C’est pourquoi les chercheurs tentent de trouver différentes géométries de motifs.

Dans cette étude [2] de Nice Solar, les chercheurs se concentrent sur les dommages causés par l’ablation laser de deux rainures de motif standard, P1 (motif du contact arrière) et P2 (utilisé dans l’interconnexion en série). Les pertes sont analysées grâce à l’imagerie par photoluminescence (PL) hyperspectrale. La plate-forme hyperspectrale globale (IMA) de Photon etc. se compose d’un microscope optique couplé à un laser CW 532 nm et d’un filtre hyperspectral basé sur des réseaux de Bragg en volume. Cette plate-forme est sensible de 400 nm à 1000 nm et offre à la fois une haute résolution spectrale (<2 nm) et spatiale (~ µm). L’étude par photoluminescence du CIGS est normalement effectuée avec une excitation localisée (confocale) qui conduit à une diffusion de charge vers les régions plus sombres de l’échantillon. L’isopotentiel créé avec l’éclairage global de Photon etc. réduit cet effet et permet d’effectuer des mesures dans des conditions plus proches du mode de fonctionnement réaliste des cellules solaires.

Observation anormale de PL aux abords de la ligne P1. a) Image optique des lignes d’ablation P1 et P2 (en haut) avec une carte d’intensité de PL extraite des données hyperspectrales capturées sur la même région (en bas); b) image de PL monochromatique (à 980 nm) des lignes de motifs P1 et P2 (en haut) avec analyse statistique des profils de PL (à 980 nm) à travers P1 et P2. (Seuls les profils représentatifs sont affichés; la moyenne a été effectuée sur l’ensemble des 25 profils.) Adaptée de [2].
Fig. 1 - Observation anormale de PL aux abords de la ligne P1. a) Image optique des lignes d’ablation P1 et P2 (en haut) avec une carte d’intensité de PL extraite des données hyperspectrales capturées sur la même région (en bas); b) image de PL monochromatique (à 980 nm) des lignes de motifs P1 et P2 (en haut) avec analyse statistique des profils de PL (à 980 nm) à travers P1 et P2. (Seuls les profils représentatifs sont affichés; la moyenne a été effectuée sur l’ensemble des 25 profils.) Adaptée de [2].

La figure 1 montre le profil de PL autour des lignes P1 et P2 extrait des données hyperspectrales. Les cartes de PL montrent une atténuation de l’émission près des bords de la ligne P1. Une analyse plus approfondie a démontré que cet effet représente une réduction d’environ 30% de l’intensité de PL et n’est pas dû à un changement de composition. « Cette observation est sans précédent et apporte de nouvelles perspectives pour le design d’interconnexions qui sont exemptes de chemins électriques parasites induits par la ligne P1. » Cette recherche démontre comment l’imagerie hyperspectrale peut être utilisée pour identifier les pertes et améliorer l’efficacité des dispositifs de CIGS.

Étude des inhomogénéités dans les microcellules CIGS

Un autre obstacle à l’obtention d’une plus grande efficacité dans les cellules solaires à base de CIGS peut être en partie attribué aux inhomogénéités des cellules provenant de sa nature polycristalline. Pour quantifier l’impact de la morphologie sur l’efficacité cellulaire, l’étude des variations spatiales de ses différentes propriétés est primordiale.

Dans cet esprit, des chercheurs de l’IPVF (anciennement l’IRDEP - Institut de Recherche et de Développement sur l’Énergie Photovoltaïque) ont étudié une microcellule de CIGS (diamètre de 35 μm) par imagerie de photoluminescence (PL) et d’électroluminescence (EL) résolue spatialement et spectralement [3]. Pour mener à bien ces expériences, ils ont utilisé un imageur hyperspectral (IMA) avec une résolution spectrale de 2 nm et une résolution spatiale qui s’approche de la limite de diffraction (~μm). Un puissance mètre a été employée pour les mesures EL, avec Vapp = 0.95 V. Un laser 532 nm a été utilisé pour les mesures de PL (excitation de 580 soleils). La totalité du champ de vue sous l’objectif du microscope est excité et le signal provenant d’un million de points est recueilli simultanément.

Images hyperspectrales de a) émission de PL intégrée et b) émission d’EL intégrée. En utilisant la loi de Planck généralisée, il est possible de déduire les cartes c) et d) de la séparation du quasi-niveau de Fermi Δμeff. Adaptée de [3].
Fig. 2 - Images hyperspectrales de a) émission de PL intégrée et b) émission d’EL intégrée. En utilisant la loi de Planck généralisée, il est possible de déduire les cartes c) et d) de la séparation du quasi-niveau de Fermi Δμeff. Adaptée de [3].

La figure 2 a) et b) présente des images de PL et EL de la microcellule de CIGS. En combinant les cartes de PL et EL résolues spectralement et une méthode de calibration absolue photométrique, les chercheurs peuvent utiliser la loi de Planck généralisée pour extraire la séparation du quasi-niveau de Fermi (Δμeff) (voir Fig. 1 c) et d)) qui est directement relié à la tension maximale de la cellule. À l’aide de la relation de réciprocité entre les cellules solaires et les LEDs, l’efficacité quantique externe (EQE) peut être déduite des images EL.

L’accès aux propriétés fondamentales à l’échelle micrométrique sur toute la surface de l’échantillon peut aider à améliorer le processus de fabrication pour atteindre une plus grande efficacité des cellules.

Pour plus d’information, contactez info@photonetc.com

[1] Yoshida S. et al. 2019, Solar frontier achieves world record thin-film solar cell efficiency of 23.35%. PR Team, Corporate Administration Department, Solar Frontier, 17 January 2019, accessed August 27th 2020.

[2] Quiroz, C. O. R., Dion-Bertrand, L.-I., Brabec, C. J., Müller, J., & Orgassa, K. (2020). Deciphering the origins of P1-induced power losses in CIGS modules through hyperspectral luminescence.

[3] Delamarre, A., Paire, M., Guillemoles, J.-F., & Lombez, L. (2014). Quantitative luminescence mapping of Cu(In, Ga)Se2 thin-film solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 23(10), 1305–1312.

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