Design and investigation of physical properties of the components for all-oxide photovoltaic cells

Abstract

Niniejsza praca dotyczy projektu i wytworzenia tlenkowego ogniwa słonecznego. Zaproponowane ogniwo wykorzystuje CuO jako warstwę absorbera, ZnO jako warstwę okienną, Al jako tylną elektrodę i AZO lub ITO jako przednią elektrodę transparentną. Główny cel pracy to poprawa właściwości cienkich warstw tlenku miedzi poprzez domieszkowanie Cr metodą implantacji jonowej wraz z wygrzewaniem. Główna konkluzja z badań jest taka, że implantacja jonami Cr zmniejsza absorpcję i przewodnictwo warstw, natomiast wygrzewanie przywraca ich wartości. Dla energii implantacji 10 keV i dawki 1x1014 cm-2 próbka po wygrzewaniu wykazywała lepsze właściwości niż warstwa nieimplantowana, co potwierdza zamierzony efekt domieszkowania. Cu2O po wygrzewaniu w atmosferze Ar wykazywała powierzchnię zdominowaną przez CuO, natomiast próbki po implantacji zachowywały powierzchnię składającą się z Cu2O. Zjawisko to może być użyteczne w stabilizacji Cu2O do produkcji ogniw słonecznych. Kolejnym rozważanym zagadnieniem była odporność materiałów cienkowarstwowych na warunki środowiska kosmicznego testowana za pomocą napromieniowania protonami. Do badań wybrano CuO, ITO oraz AZO. Badane materiały wykazały dobrą odporność na promieniowanie protonowe, wskazując je jako odpowiednich kandydatów do przyszłych zastosowań kosmicznych. Na koniec, wykonano tlenkowe ogniwa słoneczne, dwa układy wykazały efekt fotowoltaiczny.

This work addresses the design and development of an all-oxide solar cell. Proposed cell used CuO as absorber layer and ZnO as window layer, Al as rear electrode and AZO or ITO as front transparent electrode. The central objective is to enhance the properties of copper oxide thin films by doping with Cr using ion implantation method and subsequent annealing. The main conclusion from the conducted research is that Cr ion implantation reduces the absorption and conductivity of the layers, while annealing restores their values. For an implantation energy of 10 keV and a dose of 1x1014 cm-2, the sample after annealing had better properties than the non-implanted layer, confirming the desired effect of doping.Cu2O layer after annealing in Ar atmosphere exhibited a surface dominated by CuO, while samples after implantation retained a surface composed of Cu2O. This phenomenon may prove useful in the stabilisation of Cu2O oxide for fabrication of solar cells. Another topic considered is the resistance of thin film materials to conditions in space environment tested using proton irradiation. CuO, ITO, and AZO were chosen for this study. All tested materials exhibited good resistance to proton radiation, indicating them as suitable candidates for future space applications. Finally, alkoxide solar cells were fabricated, with two of them showing photovoltaic effect.