Progress in Photovoltaics: Research and ApplicationsVolume 19, Issue 7 p. 894-897 Paper presented at 25th EU PVSEC WCPEC-5, Valencia, Spain, 2010 New world record efficiency for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells beyond 20% Philip Jackson, Corresponding Author Philip Jackson [email protected] Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanyZentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), Germany.===Search for more papers by this authorDimitrios Hariskos, Dimitrios Hariskos Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorErwin Lotter, Erwin Lotter Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorStefan Paetel, Stefan Paetel Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorRoland Wuerz, Roland Wuerz Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorRichard Menner, Richard Menner Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorWiltraud Wischmann, Wiltraud Wischmann Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorMichael Powalla, Michael Powalla Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this author Philip Jackson, Corresponding Author Philip Jackson [email protected] Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanyZentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), Germany.===Search for more papers by this authorDimitrios Hariskos, Dimitrios Hariskos Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorErwin Lotter, Erwin Lotter Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorStefan Paetel, Stefan Paetel Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorRoland Wuerz, Roland Wuerz Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorRichard Menner, Richard Menner Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorWiltraud Wischmann, Wiltraud Wischmann Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this authorMichael Powalla, Michael Powalla Zentrum fuer Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung, Baden-Wuerttemberg (ZSW), GermanySearch for more papers by this author First published: 05 January 2011 https://doi.org/10.1002/pip.1078Citations: 1,783Read the full textAboutPDF ToolsRequest permissionExport citationAdd to favoritesTrack citation ShareShare Give accessShare full text accessShare full-text accessPlease review our Terms and Conditions of Use and check box below to share full-text version of article.I have read and accept the Wiley Online Library Terms and Conditions of UseShareable LinkUse the link below to share a full-text version of this article with your friends and colleagues. Learn more.Copy URL Abstract In this contribution, we present a new certified world record efficiency of 20.1 and 20.3% for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. We analyse the characteristics of solar cells on such a performance level and demonstrate a high degree of reproducibility. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd. REFERENCES 1 Repins I, Contreras MA, Egaas B, DeHart C, Scharf J, Perkins CL, To B, Noufi R. 19.9%-Efficient ZnO/CdS/CuInGaSe2 solar cell with 81.2% fill factor. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2008; 16: 235– 239. 2 Powalla M, Dimmler B, Gross K-H. CIS thin-film solar modules—an example of remarkable progress in PV. In Proceedings of the 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference, W Palz, HA Ossenbrink, P Helm (eds). WIP: Munich, Germany, 2005; p. 1689. 3 Jackson P, Wuerz R, Rau U, Mattheis J, Kurth M, Schloetzer T, Bilger G, Werner J. High quality baseline for high efficiency, Cu(In1-xGax)Se2 solar cells. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2007; 15: 507– 519. 4 Rau U, Taretto K, Siebentritt S. Grain boundaries in Cu(In,Ga)(Se, S)2 thin-film solar cells. Applied Physics A 2009; 96: 221– 234. 5 Erslev PT, Lee JW, Shafarman WN, Cohen JD. The influence of Na on metastable defect kinetics in CIGS materials. Thin Solid Films 2009; 517(7): 2277– 2281. 6 Mönig H, Fischera C-H, Caballero R, Kaufmann CA, Allsop N, Gorgoi M, Klenk M, Schock H-W, Lehmann S, Lux-Steiner MC, Lauermann I. Surface Cu depletion of Cu(In,Ga)Se2 films: an investigation by hard X-ray photoelectron spectroscopy. Acta Materialia 2009; 57(12): 3645– 3651. 7 Yan Y, Jones KM, Abushama J, Young M, Asher S, Al-Jassim MM, Noufi R. Microstructure of surface layers in Cu(In,Ga)Se2 thin films. Applied Physics Letters 2002; 81: 1008. 8 Han S-H, Hasoon FS, Hermann AM, Levi DH. Spectroscopic evidence for a surface layer in CuInSe2:Cu deficiency. Applied Physics Letters 2007; 91: 021904. 9 Igalson M, Urbaniak A, Edoff M. Reinterpretation of defect levels derived from capacitance spectroscopy of CIGSe solar cells. Thin Solid Films 2009; 517(7): 2153– 2157. Citing Literature Volume19, Issue7Special Issue: 25th EU PVSEC WCPEC‐5, Valencia, Spain, 2010November 2011Pages 894-897 ReferencesRelatedInformation

Already, several technologies of polycrystalline thin-film photovoltaic materials have achieved certified record small-cell power conversion efficiencies exceeding 22%. They are CdTe, Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS), and metal halide perovskite (PSC), each named after the light-absorbing semiconductor material. Thin-film solar cells and modules require very little active material due to their very high absorption coefficient. Efficient production methods with low materials waste, moderate temperatures, attractive cost structures, and favorable energy payback times will play a strong role in market development as thin-film technologies reach full maturity, including mass production and the standardization of production machineries. In fact, the first two technologies have already been developed up to the industrial scale with a market share of several GW. In this review article, we outline similarities and differences between these high-efficiency thin-film technologies from both the materials and the industrial point of view. We address the materials characteristics and device concepts for each technology, including a description of recent developments that have led to very high efficiency achievements. We provide an overview of the CIGS industry players and their current status. The newcomer PSC has demonstrated its potential in the laboratory, and initial efforts in industrial production are underway. A large number of laboratories are experimenting through a wide range of options in order to optimize not only the efficiency but also stability, environmental aspects, and manufacturability of PSC. Its high efficiency and its high bandgap make PSC particularly attractive for tandem applications. An overview of all these topics is included here along with a list of materials configurations.

ABSTRACT Ag alloying of Cu(In,Ga)Se 2 (CIGSe) absorbers in thin‐film solar cells leads to improved crystallization of these absorber layers at lower substrate temperatures than for Ag‐free CIGSe thin films as well as to enhanced cation interdiffusion, resulting in reduced Ga/In gradients. However, the role of Ag in the microscopic structure–property relationships in the (Ag,Cu)(In,Ga)Se 2 thin‐film solar cells as well as a correlation between the various microscopic properties of the polycrystalline ACIGSe absorber and open‐circuit voltage of the corresponding solar cell device has not been reported earlier. In the present work, we study the effect of Ag addition by analyzing the differences in the various bulk, grain‐boundary, optoelectronic, emission, and absorption‐edge properties of ACIGSe absorbers with that of a reference CIGSe absorber. By comparing thin‐film solar cells with similar band‐gap energies ranging from about 1.1 to about 1.2 eV, we were able to correlate the differences in their absorber material properties with the differences in the device performance of the corresponding solar cells. Various microscopic origins of open‐circuit voltage losses were identified, such as strong Ga/In gradients and local compositional variations within individual grains of ACIGSe layers, which are linked to absorption‐edge broadening, lateral fluctuations in luminescence‐energy distribution, and band tailing, thus contributing to radiative V OC losses. A correlation established between the effective electron lifetime, average grain size, and lifetime at the grain boundaries indicates that enhanced nonradiative recombination at grain boundaries is a major contributor to the overall V OC deficit in ACIGSe solar cells. Although the alloying with Ag has been effective in increasing the grain size and the effective electron lifetime, still, the Ga/In gradients and the grain‐boundary recombination in the ACIGSe absorbers must be reduced further to improve the solar‐cell performance.

A detailed characterization of the impact of a RbF post-deposition treatment (RbF-PDT) on the chemical structure of a wide-gap Cu(In, Ga)Se2 thin-film solar cell absorber surface with a high Ga/(Ga + In) (GGI) ratio of 0.9 is presented. Using synchrotron- and lab-based x-ray photoelectron spectroscopy, as well as x-ray-excited Auger electron spectroscopy, we observe distinct differences to RbF-PDT on absorber surfaces with the common GGI of ∼0.3. In particular, RbF-PDT reduces sodium and oxide content at the surface, while the copper concentration at the surface is not affected. We find no spectral evidence for the formation of a distinct Rb–In–Se surface layer. In addition, we observe that the GGI ratio at the surface is slightly decreased due to a reduction of the Ga and an increase in the In concentration, which may explain the observed improvement in the power conversion efficiency after the PDT (from 6.8% to 7.3%).