Innovative bulk and interfaces management on Q-1D Sb2Se3 based solar cells

Abstract

(English) This thesis investigated antimony Q-1D (Sb)-based solar cells as a promising alternative for sustainable energy generation, addressing critical challenges related to material properties, interfaces, and device architecture. Innovative strategies were developed to optimize optoelectronic properties and improve conversion efficiency, focusing on Sb2Se3, but including also preliminary studies on the Sb2(S,Se)3 solid solution, as well as exploring cadmium-free (Cd-free) materials as electron selective transport layers (ETL). A major achievement was the optimization of the Sb2Se3/CdS interface using chemical etching techniques, such as KCN treatment, which increased the average efficiency of solar cells from 4% to 5%, reaching 5.3% in the best-performing sub-cell. These treatments not only enhanced surface passivation but also altered surface polarity, resulting in the formation of a "buried junction" that improved the fill factor and overall energy conversion efficiency. High-pressure thermal annealings proved effective in enhancing crystal quality by increasing grain size, promoting preferred crystal orientations, and reducing defect density, which enabled a 5.8% efficiency using a new co-evaporation method. These findings demonstrate the feasibility of these techniques to improve device performance and reproducibility. Cadmium-free or significantly Cd-reduced configurations were explored to reduce environmental impact, achieving an efficiency of 6.6% in superstrate-configuration devices based on Sb2(S,Se)3, approaching the 7.6% benchmark achieved with CdS. In the substrate configuration, a Cd-free Sb2Se3 cell reached an efficiency of 5.2%, surpassing the 4.8% achieved with CdS, highlighting the potential of alternative materials to replace cadmium. Despite the progress made, several challenges remain, such as ensuring the stability of Sb2Se3 interfaces under operational conditions and optimizing new materials like SbSeI and SbSeBr. Improving the scalability of fabrication processes and the cost-effectiveness of new treatments are also key areas for future research. The results of this thesis provide a solid foundation for developing more efficient and sustainable Sb2Se3-based solar cells, emphasizing the importance of continued innovation in materials science and device engineering to overcome the remaining challenges and advance toward more scalable and efficient photovoltaic technologies.

(Català) Aquesta tesi ha investigat cèl·lules solars basades en antimoni (Sb) amb baixa dimensionalitat com una alternativa prometedora per a la generació d'energia sostenible, abordant reptes crítics relacionats amb les propietats dels materials, les interfícies i l'arquitectura dels dispositius. S'han desenvolupat estratègies innovadores per optimitzar les propietats optoelectròniques i millorar l'eficiència de conversió, centrant-se en Sb2Se3 i en els estudis inicials de la solució sòlida Sb2(S,Se)3, així com en noves materials lliures de cadmi (Cd) com a capes de transport selectiu d'electrons (ETL). Un dels assoliments més importants ha estat l'optimització de la interfície Sb2Se3/CdS mitjançant processos químics, com el tractament amb KCN, que va augmentar l'eficiència mitjana de les cèl·lules solars del 4% al 5%, arribant a un 5.3% en la millor sub-cèl·lula. Aquests tractaments no només van millorar la passivació de la superfície, sinó que també van modificar la polaritat superficial, afavorint la formació d'una "unió enterrada" que va incrementar el fill factor i l'eficiència general de conversió. Els tractaments a alta pressió han demostrat ser eficaços per millorar la qualitat cristal·lina, augmentant la mida del gra, afavorint orientacions cristal·lines preferencials i reduint la densitat de defectes, la qual cosa va permetre assolir una eficiència del 5.8% utilitzant un nou mètode de co-evaporació. Aquests resultats evidencien la viabilitat d'aquestes tècniques per millorar el rendiment i la reproductibilitat dels dispositius solars. S'han explorat configuracions amb una reducció significativa o eliminació del Cd, aconseguint una eficiència del 6.6% en dispositius amb configuració superstrat basats en Sb2(S,Se)3, aproximant-se a la referència del 7.6% obtinguda amb CdS. En la configuració substrat, es va aconseguir una eficiència del 5.2% en cèl·lules Sb2Se3 lliures de Cd, superant l'eficiència del 4.8% obtinguda amb CdS, destacant el potencial dels materials alternatius per substituir el cadmi. Malgrat aquests avanços, encara persisteixen reptes importants, com la estabilitat de les interfícies Sb2Se3 sota condicions operatives i l'optimització de nous materials com SbSeI i SbSeBr. També és crucial millorar la escalabilitat dels processos de fabricació i la rendibilitat dels nous tractaments per avançar cap a aplicacions comercials. Els resultats d'aquesta tesi estableixen una base sòlida per al desenvolupament de cèl·lules solars basades en Sb2Se3 més eficients i sostenibles, subratllant la necessitat de continuar innovant en ciència de materials i enginyeria de dispositius per superar els reptes restants i avançar cap a tecnologies fotovoltaiques més escalables i eficients.

(Español) En esta tesis, se investigaron celdas solares basadas en antimonio (Sb) con baja dimensionalidad como una alternativa prometedora para la generación de energía sostenible, abordando desafíos críticos relacionados con las propiedades de los materiales, las interfaces, y la arquitectura de los dispositivos. Se desarrollaron estrategias innovadoras para optimizar las propiedades optoelectrónicas y mejorar la eficiencia de conversión, centrándose en el uso de Sb2Se3 y en los estudios iniciales de la solución sólida Sb2(S,Se)3, así como en el desarrollo de materiales libres de cadmio (Cd) como capa de transporte selectivo de electrones (ETL). Uno de los logros más destacados fue la optimización de la interfaz Sb2Se3/CdS mediante procesos químicos, como el tratamiento con KCN, que permitió incrementar la eficiencia promedio de las celdas solares del 4% al 5%, con un máximo de 5.3% en la sub-celda más eficiente. Estos tratamientos no solo mejoraron la pasivación de la superficie, sino que también modificaron la polaridad superficial, facilitando la formación de una "unión enterrada" que aumentó el factor de llenado y, por tanto, la eficiencia general de conversión de energía. Además, los tratamientos térmicos a alta presión demostraron ser eficaces para mejorar la calidad cristalina, aumentando el tamaño de grano, favoreciendo orientaciones cristalinas preferenciales, reduciendo la densidad de defectos, lo que llevó a alcanzar una eficiencia máxima del 5.8% utilizando un nuevo método de co-evaporación. Estos resultados evidencian la viabilidad de estas técnicas para mejorar el rendimiento y la reproducibilidad de los dispositivos solares. Se exploraron configuraciones con una reducción significativa o eliminación de Cd, logrando una eficiencia del 6.6% en dispositivos con configuración superestrato basados en Sb2(S,Se)3, aproximándose a la referencia del 7.6% obtenida con CdS. En la configuración sustrato, se alcanzó una eficiencia del 5.2% en celdas Sb2Se3 libres de Cd, superando a la eficiencia del 4.8% obtenida con CdS, lo que resalta el potencial de los materiales alternativos para reemplazar el cadmio. A pesar de estos avances, aún persisten desafíos importantes, como la estabilidad de las interfaces Sb2Se3 bajo condiciones operativas y la optimización de nuevos materiales como SbSeI y SbSeBr. También es crucial mejorar la escalabilidad de los procesos de fabricación y la rentabilidad de los nuevos tratamientos para avanzar hacia aplicaciones comerciales. Los resultados de esta tesis establecen una base sólida para el desarrollo de celdas solares basadas en Sb2Se3 más eficientes y sostenibles, subrayando la necesidad de continuar innovando en ciencia de materiales e ingeniería de dispositivos para superar los desafíos restantes y avanzar hacia tecnologías fotovoltaicas más escalables y eficientes.