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Study of fluorine-doped tin oxide (FTO) thin films for photovoltaics applications

Zhang, Shan-Ting :
Study of fluorine-doped tin oxide (FTO) thin films for photovoltaics applications.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6126]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6126

Kurzbeschreibung (Abstract)

With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency. Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells. In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ω/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 60%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined. By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Zhang, Shan-Ting
Titel: Study of fluorine-doped tin oxide (FTO) thin films for photovoltaics applications
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

With the increasing demand for energy that human beings are faced with, the photovoltaics (PV) technology which converts solar radiation into electricity has undergone increasingly development. Although the current PV market is mainly dominated by the crystalline Si based technologies, thin film PV still bears the hope to become the solution to the energy crisis in the future due to its much lower cost and reasonable efficiency. Transparent conductive materials (TCMs), mostly transparent conductive oxides (TCOs), are an essential component in most types of thin film solar cells as the current-collecting electrode on the sun-facing side of the cell. In order to improve the optical absorption (which is restricted by the limited absorber thickness) in thin film solar cells, the TCOs are often desired to be textured (with significant surface roughness) to show high values of haze factor. Haze factor is defined as the ratio of the diffuse transmittance/reflectance to the total transmittance/reflectance. The hazier a TCO is (i.e. with higher haze factor), the more light it scatters. As a consequence, the optical path length is increased and thus the light trapping in the solar cell is improved, giving rise to higher light absorption in the active layers and photon-to-current conversion efficiency of the solar cells. In this work, innovative nanocomposites of fluorine doped SnO2 (FTO) in combination with ZnO, S:TiO2 and Al2O3 nanoparticles have been developed using an economic and facile 2-step process. These FTO nanocomposites exhibit 70-80% total transmittance and 10-15 Ω/sq sheet resistance, satisfying the basic requirements as transparent conductive oxides used in photovoltaics devices. By changing the nanoparticle suspension concentration, the haze factor of these nanocomposites can be varied, in a controlled way, from almost 0% up to 60%. The morphological, structural, electrical, and optical properties of these FTO nanocomposites are investigated in great details and are found to be closely related to the underlying nanoparticles. Before discussing the integration of the FTO nanocomposites into real solar cell devices, efforts have also been made to shed some light on the understanding of FTO/TiO2 interface commonly adopted in various types of emerging thin film solar cells such as dye sensitized solar cells (DSSCs). Finally, the hazy FTO nanocomposites have been used as transparent electrodes in different types of thin film solar cells and the effect of haze factor on the device performance has been examined. By properly tuning the type and concentration of the underlying nanoparticles, the properties of the FTO nanocomposites can be tuned to meet the electrode requirement for specific photovoltaic technology. Our concept of preparing TCO nanocomposite by combining TCOs and nanoparticles provides a general guideline to design hazy electrodes as light management structures in thin film photovoltaics.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Elektronische Materialeigenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Oberflächenforschung
Hinterlegungsdatum: 28 Mai 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6126
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-61265
Gutachter / Prüfer: Klein, Prof. Dr. Andreas ; Kramm, Prof. Dr. Ulrike
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 23 März 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Avec la demande toujours croissante d'énergie à laquelle l’homme fait face, le photovoltaïque (PV), qui convertit le rayonnement solaire en électricité, a connu ces dernières décennies un développement important. Bien que le marché PV actuel soit principalement dominé par les technologies à base de Si cristallin, la technologie PV à base de couches minces porte toujours l'espoir de contribuer efficacement à l'avenir vis-à-vis de la crise énergétique en raison de son coût beaucoup plus faible et d'une efficacité raisonnable. Les matériaux transparents conducteurs (TCM), principalement des oxydes conducteurs transparents (TCO), sont une composante essentielle dans la plupart des types de cellules solaires à couches minces car ils servent d'électrode de collecte des porteurs photo-générés sur la face avant de la cellule, c’est-à-dire celle face au soleil. Afin d'améliorer l'absorption optique (limitée par l'épaisseur de l'absorbeur) dans des cellules solaires à couches minces, on souhaite souvent que les TCO soient texturés (avec une rugosité de surface significative) de manière à bien diffuser la lumière, et ainsi de présenter des valeurs élevées de facteur de diffusion de la lumière. Ce dernier, que l’on peut appeler facteur de haze, est défini comme le rapport entre la transmittance (respectivement réflectance) diffuse et la transmittance (respectivement réflectance) totale. Plus ce facteur est élevé plus le TCO diffuse la lumière. Par voie de conséquence, la longueur du trajet optique est augmentée et ainsi le piégeage de la lumière dans la cellule solaire est amélioré, donnant lieu à une absorption de lumière plus importante dans les couches actives et augmentant potentiellement le rendement de conversion photovoltaïque des cellules solaires. Dans ce travail, des nano-composites innovants à base de SnO2 dopé au fluor (FTO) en combinaison avec les nanoparticules ZnO, S:TiO2 et Al2O3 ont été développés en utilisant un processus économique et facile constitué de deux étapes. Ces nano-composites à base de FTO présentent une transmittance totale de 70-80% et une résistance de 10-15 Ω/sq, satisfaisant ainsi aux exigences requises pour des oxydes transparents conducteurs utilisés au sein de dispositifs photovoltaïques. En modifiant la concentration de la suspension de nanoparticules le facteur de haze de ces nano-composites peut être varié, de manière contrôlée, de presque 0% à 60%. Les propriétés morphologiques, structurales, électriques et optiques de ces nano-composites à base de FTO sont étudiées en détail et elles apparaissent étroitement dépendantes des nanoparticules sous-jacentes. Avant de discuter de l'intégration des nano-composites FTO au sein de cellules solaires, des efforts ont également été consacrés à une bonne compréhension de l'interface FTO/TiO2 qui est couramment présente au sein de divers types de cellules solaires à couches minces émergentes telles que les cellules solaires sensibilisées au colorant (DSSCs). Enfin, les nano-composites FTO diffusants ont été intégrés comme électrodes transparentes au sein de différents types de cellules solaires à couches minces et l'effet du facteur de haze sur la performance du dispositif a été étudié. En ajustant correctement le type et la concentration des nanoparticules sous-jacentes, les propriétés des nano-composites à base de FTO peuvent être variées de manière à répondre aux exigences d'électrodes pour une technologie photovoltaïque spécifique. Notre concept de préparation du TCO nano-composite en combinant les TCO et les nanoparticules propose une ligne directrice générale qui conduit à l’élaboration d’électrodes à caractère diffusant variable; permettant ainsi une bonne absorption des photons pour le photovoltaïque en couches minces.Französisch
Die steigende Bedarf der Menschheit an Energie hat zu einer Entwicklung unterschiedlicher photovoltaischer (PV) Technologien, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln, geführt. Gegenwärtig dominieren Technologien basierend auf kristallinem Silizium den PV Markt. Dünnschichttechnologien können in der Zukunft zur Lösung der Energiekrise durch ihre geringen Kosten bei geeigneten Wirkungsgraden beitragen Transparente leitfähige Materialien (TCM), meistens transparente leitfähige Oxide (TCO), sind als stromsammelnde Elektrode auf der lichtzugewandten Seite ein wesentlicher Bestandteil von Dünnschichtsolarzellen. Um die Lichtabsorption, die durch die Schichtdicke der absorbierenden Schicht begrenzt ist, zu erhöhen, ist es wünschenswert texturierte TCO einzusetzen, die eine nennenswerte Oberflächenrauheit und damit eine erhöhte diffuse Streuung (Haze) aufweisen. Der Haze-Faktor ist als das Verhältnis des diffus transmittierten bzw. reflektierten Lichts zum gesamten transmittierten bzw. reflektierten Licht definiert. Ein höherer Haze-Faktor führt daher zu einer erhöhten Streuung des Lichts und erhöht damit die optische Weglänge des Lichts im Absorbermaterial. In der aktiven Schicht wird damit ein höherer Anteil des Lichts absorbiert, was in einer höheren Stromausbeute der Solarzelle resultiert. In dieser Arbeit wurden innovative Nano-Komposite von fluor-dotiertem SnO2 (FTO) mit ZnO, S:TiO2 und Al2O3 Nanopartikeln über einen wirtschaftlichen und einfachen zweistufigen Prozess entwickelt. Die FTO Nano-Komposite weisen 70-80% Transmission und einen Schichtwiderstand von 10-15 Ω/sq auf und erfüllen damit die wesentlichen Anforderungen an ein TCO in photovoltaischen Bauteilen. Der Haze-Faktor der Nano-Komposite kann über die Konzentration der Nanopartikel in der Lösung in kontrollierter Weise zwischen nahezu 0% und 80% eingestellt werden. Die morphologischen, strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften der FTO Nano-Komposite wurden detailliert untersucht. Diese hängen eng mit den verwendeten Nanopartikeln zusammen. Experimente zum besseren Verständnis der FTO/TiO2 Grenzfläche, die in verschiedenen Typen neuer Dünnschichtsolarzellen, wie zum Beispiel farbstoff-sensibilisierte Solarzellen (DSSC), verwendet wird, werden ebenfalls in der Arbeit beschrieben. Desweiteren wurde das Verhalten der diffus streuenden FTO Nanokomposite und der Einfluss des Haze-Faktors als transparente Elektrode in verschiedenen Dünnschichtsolarzellen untersucht. Durch geeignete Variation des Typs und der Konzentration der Nanokomposite können die Eigenschaften der FTO Nanokomposite gezielt eingestellt werden, um die spezifischen Anforderungen an die Elektroden in unterschiedlichen Photovoltaik-Technologien zu erfüllen. Das Konzept der Präparation von TCO Nanokompositen durch Kombination von TCOs und Nanopartikeln bietet eine allgemeine Grundlage zum Design diffus streuender Elektroden für das Lichtmanagement in der Dünnschichtphotovoltaik.Deutsch
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