Metastable effects in chalcogenide thin film photovoltaic devices

Abstract

The aim of this thesis is to investigate light induced metastable effects occurring inchalcogenide photovoltaic cells and modules. Testing procedures for precise and reliablecharacterization of thin film photovoltaic devices have been a challenge for research labo-ratories, test facilities and manufacturers alike. Especially chalcogenide heterostructuresolar cells, like CdTe and Cu(In,Ga)Se 2 , exhibit light induced metastable effects by al-tering electrical parameters based on illumination history. International standards fordevice characterization do not account for metastable behavior and in literature, thereis still ambiguity regarding occurrence and predominant cause of metastable behavior.By conducting light soaking and dark relaxation and consecutive measurements of theIV characteristic, metastable behavior at the Cu(In,Ga)Se 2 cell level and for commer-cial CdTe and Cu(In,Ga)Se 2 modules was examined. In Cu(In,Ga)Se 2 cells, alteringmetastable behavior could be attributed to varied spectral incident irradiation of white,blue and red light. Furthermore, the impact of the buffer layer material such as CdS,ZnSnO and Zn(O,S) on metastabilities and the influence of the buffer layer thicknesscould be established. A series of light soaking experiments was made with CdTe andCu(In,Ga)Se 2 modules varying irradiance levels ranging from 50-1000 W /m 2 and biasstates between open circuit and short circuit voltage. Differing metastable responseswere observed. Lastly, a proposed testing procedure for module characterization wasevaluated with Cu(In,Ga)Se 2 modules and recommendations for future test proceduresgiven.

Ziel dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung von Licht induzierten metastabilen Effekten in chalkogeniden Photovoltaik Zellen und Modulen. Heutige Testverfahrenzur präzisen und vergleichbaren Charakterisierung bilden Herausforderungen für wissenschaftliche Institute, Prüfeinrichtungen und Hersteller, da speziell die chalkogeniden Heterostrukturen wie CdTe und Cu(In,Ga)Se 2 Solarzellen metastabile Effekte in ihren elektrischen Parametern auf Basis der Beleuchtungshistorie aufweisen. Während internationale Standards für Zell und Modul Charakterisierung metastabile Effekte nichtberücksichtigt, findet man in der Literatur ebenfalls unterschiedliche Aussagen zu Auftreten und hauptsächlichen Ursachen des metastabilen Verhaltens. In dieser Arbeit wurden Cu(In,Ga)Se 2 Zellen sowie kommerzielle CdTe und Cu(In,Ga)Se 2 Module Beleuchtungs- und Dunkelphasen ausgesetzt. So konnte durch wiederholte IV Kennlinien Messungen das metastabile Verhalten bestimmt werden. In Cu(In,Ga)Se 2 Zellen wurde ein Zusammenhang zwischen den Metastabilitäten und der spektralen Verteilung der Beleuchtung aus weißem, blauen und rotem Licht, sowie des Pufferschicht Materials aus CdS, ZnSnO und Zn(O,S) und der Pufferschichtdicke hergestellt. CdTe undCu(In,Ga)Se 2 Module wiesen unterschiedliches metastabiles Verhalten bei variierender Bestrahlungsstärke zwischen 50-1000 W /m 2 und Spannungszustand auf. Letztlich wurde ein Testverfahren anhand von Cu(In,Ga)Se 2 Modulen evaluiert und Empfehlungen für zukünftige Verfahren vorgeschlagen.