Solar cell technology is an important field of study because of its significant contribution to achieving sustainable development goals. As the demand for renewable energy sources increases, solar cells provide a clean and efficient way to harness solar power, helping to reduce reliance on fossil fuels and mitigate climate change.
Graphene has gained significant attention since its discovery in 2004 for its remarkable properties, leading to many different uses in diverse optoelectronic applications. The material shows an exceptional optical transmittance, allowing light to pass through with minimal resistance, while its outstanding electrical conductivity enables efficient current flow. These unique characteristics position graphene as an excellent alternative to traditional transparent conductive electrodes for solar cell applications. This PhD thesis aims to explore the characteristics of the chemical-vapor-deposition (CVD) graphene material to improve solar cell device technologies’ performance, efficiency, and affordability.
In the process of fabricating and transferring graphene, we often observe a decrease in its intrinsic properties, which can hinder its performance. To combat this issue, our research implemented effective strategies such as thermal annealing and chemical doping aimed at enhancing both the quality and the electrical characteristics of CVD graphene. This study began with a focus on optimizing the fabrication process of Schottky solar cells that incorporate CVD graphene. By integrating thermal annealing and chemical doping into the optimization process, we aimed to significantly improve the performance of the solar cells.
To evaluate the electrical properties of the graphene, we conducted a thorough investigation of its sheet resistance using graphene field-effect transistor (FET) devices. Remarkably, we found that applying thermal annealing enhanced the graphene’s sheet resistance by an impressive 60%. Furthermore, our Schottky solar cells, when treated with thermal annealing and doped with AuCl3, achieved an efficiency of 1%. To enhance the efficiency of our solar cell, a new back-metal contact, InGa alloy, was applied in addition to improving the fabrication steps of the devices. As a result of these enhancements, we successfully achieved a notable increase in efficiency, measuring an improved efficiency of 3.32%.
On the other hand, we improved a transparent conductive electrode (TCE) based on an indium tin oxide (ITO)/graphene hybrid stack. This TCE was designed to be used later on heterojunction solar cells. We studied the changes in the optical and electrical properties of the hybrid electrode during the different fabrication steps. Optimization of the thermal annealing treatment and the doping process with silver nanowires, Ag-NWs, are performed. As a result, the sheet resistance of the hybrid electrode was improved by 60% to achieve 42.48 /sq, and the optical transmittance was 87%.
RESUMEN
La tecnología de células solares es un campo de estudio importante debido a su significativa contribución al logro de los objetivos de desarrollo sostenible. A medida que aumenta la demanda de fuentes de energía renovables, las células solares proporcionan una forma limpia y eficiente de aprovechar la energía solar, ayudando a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y a mitigar el cambio climático.
El grafeno ha ganado una atención significativa desde su descubrimiento en 2004 debido a sus notables propiedades, lo que ha llevado a su uso en diversas aplicaciones optoelectrónicas. El material muestra una transmitancia óptica excepcional, permitiendo que la luz pase con una mínima resistencia, mientras que su destacada conductividad eléctrica permite un flujo eficiente de corriente. Estas características únicas posicionan al grafeno como una excelente alternativa a los electrodos transparentes conductivos tradicionales para aplicaciones en células solares. Esta tesis doctoral tiene como objetivo explorar las características del material de grafeno crecido por depósito químico en fase de vapor (CVD) para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las tecnologías de dispositivos de células solares.
En el proceso de fabricación y transferencia del grafeno, a menudo observamos una disminución de sus propiedades intrínsecas, lo que puede dificultar su rendimiento. Para combatir este problema, nuestra investigación implementó estrategias efectivas como el recocido térmico y el dopaje químico, con el fin de mejorar tanto la calidad como las características eléctricas del grafeno CVD. Este estudio comenzó con un enfoque en la optimización del proceso de fabricación de células solares Schottky que incorporan grafeno CVD. Al integrar el recocido térmico y el dopaje químico en el proceso de optimización, nuestro objetivo era mejorar significativamente el rendimiento de las células solares.
Para evaluar las propiedades eléctricas del grafeno, realizamos una investigación exhaustiva de su resistencia de hoja caracterizando transistores de efecto de campo basados en grafeno. De manera notable, encontramos que la aplicación de recocido térmico mejoró la resistencia de hoja del grafeno en un impresionante 60%. Además, nuestras células solares Schottky, tratadas con recocido térmico y dopadas con AuCl3, lograron una eficiencia del 1%. Para mejorar la eficiencia de nuestra célula solar, se aplicó un nuevo contacto metálico posterior de aleación InGa, además de mejorar los pasos de fabricación de los dispositivos. Como resultado de estas mejoras, logramos un aumento notable en la eficiencia, alcanzando una eficiencia mejorada del 3.32%.
Por otro lado, mejoramos un electrodo conductor transparente basado en un híbrido de óxido de indio y estaño (ITO) y grafeno. Este electrodo conductor transparente fue diseñado para ser utilizado posteriormente en células solares de heterounión. Estudiamos las propiedades ópticas y eléctricas del electrodo híbrido durante la fabricación. Se realizó una optimización del tratamiento de recocido térmico y las condiciones de dopaje con nanohilos de plata, Ag-NWs. Como resultado, la resistencia de hoja del híbrido se mejoró en un 60%, alcanzando 42.48 /sq, y la transmitancia óptica fue del 87%.
Solar cell technology is an important field of study because of its significant contribution to achieving sustainable development goals. As the demand for renewable energy sources increases, solar cells provide a clean and efficient way to harness solar power, helping to reduce reliance on fossil fuels and mitigate climate change.
Graphene has gained significant attention since its discovery in 2004 for its remarkable properties, leading to many different uses in diverse optoelectronic applications. The material shows an exceptional optical transmittance, allowing light to pass through with minimal resistance, while its outstanding electrical conductivity enables efficient current flow. These unique characteristics position graphene as an excellent alternative to traditional transparent conductive electrodes for solar cell applications. This PhD thesis aims to explore the characteristics of the chemical-vapor-deposition (CVD) graphene material to improve solar cell device technologies’ performance, efficiency, and affordability.
In the process of fabricating and transferring graphene, we often observe a decrease in its intrinsic properties, which can hinder its performance. To combat this issue, our research implemented effective strategies such as thermal annealing and chemical doping aimed at enhancing both the quality and the electrical characteristics of CVD graphene. This study began with a focus on optimizing the fabrication process of Schottky solar cells that incorporate CVD graphene. By integrating thermal annealing and chemical doping into the optimization process, we aimed to significantly improve the performance of the solar cells.
To evaluate the electrical properties of the graphene, we conducted a thorough investigation of its sheet resistance using graphene field-effect transistor (FET) devices. Remarkably, we found that applying thermal annealing enhanced the graphene’s sheet resistance by an impressive 60%. Furthermore, our Schottky solar cells, when treated with thermal annealing and doped with AuCl3, achieved an efficiency of 1%. To enhance the efficiency of our solar cell, a new back-metal contact, InGa alloy, was applied in addition to improving the fabrication steps of the devices. As a result of these enhancements, we successfully achieved a notable increase in efficiency, measuring an improved efficiency of 3.32%.
On the other hand, we improved a transparent conductive electrode (TCE) based on an indium tin oxide (ITO)/graphene hybrid stack. This TCE was designed to be used later on heterojunction solar cells. We studied the changes in the optical and electrical properties of the hybrid electrode during the different fabrication steps. Optimization of the thermal annealing treatment and the doping process with silver nanowires, Ag-NWs, are performed. As a result, the sheet resistance of the hybrid electrode was improved by 60% to achieve 42.48 /sq, and the optical transmittance was 87%.
RESUMEN
La tecnología de células solares es un campo de estudio importante debido a su significativa contribución al logro de los objetivos de desarrollo sostenible. A medida que aumenta la demanda de fuentes de energía renovables, las células solares proporcionan una forma limpia y eficiente de aprovechar la energía solar, ayudando a reducir la dependencia de los combustibles fósiles y a mitigar el cambio climático.
El grafeno ha ganado una atención significativa desde su descubrimiento en 2004 debido a sus notables propiedades, lo que ha llevado a su uso en diversas aplicaciones optoelectrónicas. El material muestra una transmitancia óptica excepcional, permitiendo que la luz pase con una mínima resistencia, mientras que su destacada conductividad eléctrica permite un flujo eficiente de corriente. Estas características únicas posicionan al grafeno como una excelente alternativa a los electrodos transparentes conductivos tradicionales para aplicaciones en células solares. Esta tesis doctoral tiene como objetivo explorar las características del material de grafeno crecido por depósito químico en fase de vapor (CVD) para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las tecnologías de dispositivos de células solares.
En el proceso de fabricación y transferencia del grafeno, a menudo observamos una disminución de sus propiedades intrínsecas, lo que puede dificultar su rendimiento. Para combatir este problema, nuestra investigación implementó estrategias efectivas como el recocido térmico y el dopaje químico, con el fin de mejorar tanto la calidad como las características eléctricas del grafeno CVD. Este estudio comenzó con un enfoque en la optimización del proceso de fabricación de células solares Schottky que incorporan grafeno CVD. Al integrar el recocido térmico y el dopaje químico en el proceso de optimización, nuestro objetivo era mejorar significativamente el rendimiento de las células solares.
Para evaluar las propiedades eléctricas del grafeno, realizamos una investigación exhaustiva de su resistencia de hoja caracterizando transistores de efecto de campo basados en grafeno. De manera notable, encontramos que la aplicación de recocido térmico mejoró la resistencia de hoja del grafeno en un impresionante 60%. Además, nuestras células solares Schottky, tratadas con recocido térmico y dopadas con AuCl3, lograron una eficiencia del 1%. Para mejorar la eficiencia de nuestra célula solar, se aplicó un nuevo contacto metálico posterior de aleación InGa, además de mejorar los pasos de fabricación de los dispositivos. Como resultado de estas mejoras, logramos un aumento notable en la eficiencia, alcanzando una eficiencia mejorada del 3.32%.
Por otro lado, mejoramos un electrodo conductor transparente basado en un híbrido de óxido de indio y estaño (ITO) y grafeno. Este electrodo conductor transparente fue diseñado para ser utilizado posteriormente en células solares de heterounión. Estudiamos las propiedades ópticas y eléctricas del electrodo híbrido durante la fabricación. Se realizó una optimización del tratamiento de recocido térmico y las condiciones de dopaje con nanohilos de plata, Ag-NWs. Como resultado, la resistencia de hoja del híbrido se mejoró en un 60%, alcanzando 42.48 /sq, y la transmitancia óptica fue del 87%. Read More
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