JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

עבודה זו מתארת את תהליך הייצור המלא של מכשירים פוטו-וולטאי קדמיום לשיפור יעילות מוגברת. התהליך מנצל מערכת ואקום אוטומטית בתוך שורה לקבלת מרחב הסובלימציה המראה מדרגי, מתוך הייצור של מכשירים מחקר שטח קטן, כמו גם מודולים בקנה מידה גדול.

Abstract

פיתוחים בארכיטקטורות המכשיר הפוטו נחוצים כדי להפוך אנרגיה סולארית מקור חסכוני ואמין של אנרגיה מתחדשת בתוך הגוברת האנרגיה הגלובלית דרישות ושינוי האקלים. הטכנולוגיה cdte סרט דק הוכיחה עלות התחרותיות והגדלת יעילות בשל זמני הייצור המהיר, השימוש בחומרים מינימליים, והקדמה של סגסוגת CdSeTe לתוך שכבה ~ 3 יקרומטר הנספג. עבודה זו מציגה את הנפח הקרוב סובלימציה של דק, 1.5 יקרומטר CdSeTe/cdte בילייר התקנים באמצעות אוטומטי מערכת התצהיר ואקום מקוון. המבנה וטכניקת הייצור הדקים מצמצמים את זמן התצהיר, מגבירים את יעילות ההתקן ומקלים על פיתוח ארכיטקטורת התקן מבוססת בעתיד דק. שלושה פרמטרים בייצור מופיעים להיות המאריכות ביותר עבור מיטוב התקנים CdSeTe/CdTe דקים: מצע מחממים טמפרטורה, CdSeTe: יחס עובי CdTe, ו Cdte2 פסיבציה. עבור סובלימציה הנכון של CdSeTe, טמפרטורת המצע לפני התצהיר חייב להיות ~ 540 ° צ' (גבוה יותר עבור CdTe) כנשלט על ידי לשכון זמן במקור מחממים. הגיוון ביחס העובי CdSeTe: CdTe חושף תלות חזקה בביצועי ההתקן ביחס זה. עוביים הנספגים האופטימליים הם 0.5 יקרומטר CdSeTe/1.0 יקרומטר cdte, ויחסי עובי שאינם ממוטבים מצמצמים את היעילות דרך אפקטי המכשול האחורי. בולמי דקים רגישים ל-CdCl2 וריאציה פסיבציה; טיפול הרבה פחות CdCl2 (לעומת בולמים עבים) לגבי הטמפרטורה הן הזמן תשואות ביצועי המכשיר האופטימלי. עם תנאי ייצור ממוטבים, CdSeTe/cdte מגבירה את צפיפות המכשיר במעגל קצר ובאינטנסיביות פוטולומיניסנציה לעומת cdte יחיד. בנוסף, מערכת הסובלימציה בחלל סגור בתוך שורה ואקום מציעה הפחתת חומרים וזמן, מדרגיות, וattainability של ארכיטקטורות בולם דקים במיוחד.

Introduction

הביקוש האנרגיה הגלובלית הוא מאיץ במהירות, והשנה 2018 הפגינו המהיר ביותר (2.3%) קצב גידול בעשור האחרון1. לזווג עם המודעות הגוברת של ההשפעות של שינוי האקלים ושריפת דלקים מאובנים, הצורך בעלות תחרותי, נקי, ואנרגיה מתחדשת הפכה ברורה לגמרי. של מקורות אנרגיה מתחדשת רבים, אנרגיה סולארית הוא ייחודי הפוטנציאל הכולל שלה, כמו כמות האנרגיה הסולארית המגיע כדור הארץ הרחק עולה על צריכת אנרגיה גלובלית2.

פוטוולטאית (PV) התקנים ישירות להמיר אנרגיה סולארית לכוח חשמלי הם צדדי מדרגיות (למשל, מיני מודולים אישיים, מערכי השמש משולבים הרשת) וטכנולוגיות חומרים. טכנולוגיות כגון רב והצומת יחיד, חד גביש גליום ארסניד (GaAs) תאים סולריים יש יעילות להגיע 39.2% ו 35.5%, בהתאמה3. עם זאת, הייצור של אלה יעילות גבוהה סולרי תאים יקרים וגוזלת זמן. קדמיום (CdTe) כחומר לסרט דק PVs הוא יתרון עבור עלות נמוכה, ייצור תפוקה גבוהה, מגוון של טכניקות תצהיר, ומקדם ספיגה חיובית. תכונות אלה להפוך CdTe תאים עבור ייצור בקנה מידה גדול, ושיפורים ביעילות הפכו CdTe עלות-תחרותי עם הסיליקון PV-market-דומיננטי ודלקים מאובנים4.

התקדמות אחת לאחרונה, כי הניע את העלייה ביעילות המכשיר CdTe הוא שילוב של החומר סגסוגת קדמיום טלייט (CdSeTe) לתוך שכבת הספיגה. שילוב הנמוך ביותר ~ 1.4 eV הלהקה פער CdSeTe החומר לתוך 1.5 eV CdTe בולם מפחית את הפער של הלהקה הקדמית של הביייר. זה מגביר את שבר הפוטון מעל פער הלהקה וכך משפר את האוסף הנוכחי. התאגדות מוצלחת של CdSeTe לתוך בולמי כי הם 3 יקרומטר או עבה עבור צפיפות הנוכחית מוגברת כבר הפגינו עם טכניקות ייצור שונות (כלומר, הסובלימציה קרוב החלל, הובלה של אדים ההובלה, ו אלקטרויוציפוי)5,6,7. מגביר את טמפרטורת החדר הפוטוסקופית פליטה (PL), (trpl), ואותות אלקטרולואוטיים של התקנים בינבר5,8 מצביעים על כך שבנוסף לאוסף הנוכחי המוגבר, הCdSeTe מופיע ביעילות רדיוטיבית טובה יותר ובאורך חיים של מיעוט, ובהתקן CdSeTe/cdte יש מתח גדול יחסית לאידיאל מאשר עם cdte בלבד. הדבר יוחס בעיקר לפסיבציה של פגמים בצובר9.

מחקר קטן דווח על התאגדות של CdSeTe לתוך רזה (≤ 1.5 μm) בולמי CdTe. יש לנו ולכן חקרו את המאפיינים של דק 0.5 יקרומטר CdSeTe/1.0 יקרומטר cdte בילייר-התקנים בולם מפוברק על-ידי סובלימציה בחלל הקרוב (CSS) כדי לקבוע אם היתרונות הנראים בולמי בלאייר עבה הם גם השגה עם בולמי bilayer דק. בולמי CdSeTe/CdTe כגון, יותר מכפול דק יותר מאשר עמיתיהם עבים יותר, מציעים ירידה בולטת בזמן התצהיר ובעלויות ייצור נמוכות יותר. לבסוף, הם מחזיקים בפוטנציאל להתפתחויות בארכיטקטורת התקן עתידיות הדורשות עוביים של פחות מ-2 μm.

CSS התצהיר של בולמי במערכת ואקום אוטומטית בתוך קו מציע יתרונות רבים על שיטות ייצור אחרות10,11. שיעורי תצהיר מהירים יותר עם ייצור CSS מגביר את תפוקת ההתקן ומקדם ערכות נתונים ניסיוניים גדולות יותר. בנוסף, סביבת הוואקום היחידה של מערכת CSS בעבודה זו מגבילה אתגרים פוטנציאליים עם ממשקי ספיגה. סרט דק התקנים PV יש ממשקים רבים, אשר כל אחד מהם יכול לשמש מרכז שילוב מחדש עבור אלקטרונים וחורים, ובכך לצמצם את יעילות המכשיר הכולל. השימוש במערכת ואקום אחת עבור הצהרות CdSeTe, cdte ו-קדמיום כלוריד (cdte2) (הדרושות לאיכות הספיגה טובה12,13,14,15,16) יכול לייצר ממשק טוב יותר ולהפחית פגמים אינטרפנים.

מערכת ואקום אוטומטית מקוונת שפותחה באוניברסיטת קולורדו סטייט10 הוא גם יתרון המדרגיות שלה ואת היכולת לשוב. לדוגמה, פרמטרי התצהיר מוגדרים על-ידי המשתמש ותהליך התצהיר אוטומטי כך שהמשתמש אינו צריך לבצע התאמות במהלך הייצור הנספג. למרות שהתקני מחקר באזור קטן מיוצרים במערכת זו, ניתן לשנות את עיצוב המערכת לתצהירים בשטח גדול יותר, ולאפשר קישור בין ניסויים בקנה מידה לבין הטמעה בקנה מידה של מודול.

פרוטוקול זה מציג את שיטות הייצור המשמשות לייצור 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe סרט דק התקנים PV. להשוואה, קבוצה של מכשירי cdte 1.5 יקרומטר מיוצרים. המבנים היחידים והבילויים הינם בעלי תנאי התצהיר זהים לגמרי בכל שלבי התהליך, למעט התצהיר CdSeTe. כדי לאפיין אם בולמי CdSeTe/CdTe דקים שומרים על היתרונות אותם הפגינו על ידי עמיתיהם עבים יותר, צפיפות הזרם הנוכחי (J-V), יעילות קוונטית (QE), ו-PL מדידות מבוצעות על התקנים דקה בודדת ובילובר. גידול בצפיפות הזרם הקצר (JSC) כפי שנמדד על ידי J-V ו-qe, בנוסף לעלייה באות PL עבור CdSeTe/cdte vs. CdTe התקן, לציין כי מכשירי CdSeTe/CdTe דק מפוברק על ידי CSS להראות שיפור הבולט באוסף הנוכחי, איכות החומר, ויעילות המכשיר.

למרות שעבודה זו מתמקדת ביתרונות הקשורים לשילוב של סגסוגת CdSeTe למבנה התקן CdTe PV, תהליך הייצור המלא עבור CdTe ו-CdSeTe/CdTe התקנים מתואר לאחר מכן במלואו. איור 1, B מציג מבנים התקן שהושלמו עבור cdte ו-CdSeTe/cdte התקנים בהתאמה, מורכב של תחמוצת מוליך שקוף (TCO)-מצופה המצע זכוכית, n-סוג מגנזיום אבץ תחמוצת (mgzno) פולט שכבה, p-סוג cdte או CdSeTe/cdte בשלים עם cdte2 טיפול וסמים לטיפול ב מלבד התצהיר של CSS, תנאי הייצור זהים בין המבנה היחיד לבין מבנה הביייר. כך, אלא אם צוין אחרת, כל שלב מבוצע הן במבנים CdTe ו-CdSeTe/CdTe.

Protocol

התראה: יש לענוד את הכפפות בעת טיפול בחומרים מצעים כדי למנוע זיהום בסרטים ובמגע של חומרים לעור. תהליך ייצור זה דורש טיפול של מבנים המכילים תרכובות קדמיום; לכן יש לענוד חלוק מעבדה וכפפות במעבדה כל הזמן.

1. ניקוי מצע

  1. המקום TCO מצופה זכוכית מצעים (9.1 ס מ x 7.8 ס"מ) בארון מתכת אל חלד עם מרווח בשפע כזה ניקוי פתרון ואוויר דחוס ניתן להחיל על כל הפנים זכוכית.
  2. . באמצעות צינור החנקן הדחוס
  3. מניחים את המתלה במנקה אולטראסאונד (UC1) וממלאים באלכוהול איזופרופילי (IPA). בואו לשבת 30 דקות כדי להסיר שמן שיורית מזהמים מתהליך החיתוך זכוכית תעשייתית.
  4. רוקן את הIPA מ-UC1. הIPA ניתן להשתמש מראש עד 5x עבור ניקוי ראשוני של מצעים.
  5. לשטוף את מצעים עם מים מוכי (די), ואז למלא UC1 עם די מים על 1 ס מ מעל הקצה העליון של מצעים. הוסף 200 mL של פתרון ניקוי מרוכז אחיד על פני מצעים כדי להסיר עוד שמן שיורית, גריז, חלקיקים, או כתמי מים קשים.
  6. באמצעות הכוח העיקרי, להפעיל את UC1 ל-43 kHz תדר אולטראסוניות ו 425 כוח W ולתת מצעים לשבת 1 h.
  7. לשטוף שנייה, מנקה אולטראסוניות גדול יותר (UC2) עם מים DI ולמלא שלושה רבעים של נפח שלה עם מים DI.
  8. כבו את UC1 והסירו את מדף הפלדה אל חלד. מיד להתחיל שטיפה מצעים עם מים די מעל כיור.
    הערה: אל תתנו את הסובלי יבש בשלב זה.
  9. להעביר את מתלה פלדת אל-חלד כדי UC2 ולמלא לחלוטין עם מים DI כגון מצעים מכוסים לחלוטין. הפעל UC2 כדי 40 kHz תדר והכוח 600 W ולתת מצעים לשבת 30 דקות.
  10. הכינו את מייבש. אדי הIPA הביתי
    1. הקפדה על שסתום סגור, לחבר צינור גז לטוהר אולטרה גבוה (UHP) חנקן. פתח את מיכל החנקן. והגדר את הווסת ל -10 psi פתח את השסתום לזרימת חנקן ולהתאים 100 PSIG על מטר הזרימה המצורפת, ואז לסגור את השסתום שוב.
    2. למלא בקבוקון עם 150 מ ל של IPA טרי ו פקק הדוק הבקבוקון. פקק היטב חותמות את פתיחת הבקבוקון בזמן המאפשר חנקן ו-IPA לעבור דרך שתי מערכות צינור מתכת קטן מוטבע הפקק. אלה מתחברים מערכת צנרת קטנה מתכת עם חורים עדינים, אשר יושב מעל UC2 כגון כי החנקן/IPA אדי הוא אירוע על הסובסטרטים.
  11. כאשר מחזור UC2 לשטוף מתבצע, לכבות את החום ואת UC2.
  12. פתח את הצינור מייבש שסתום אל החנקן ו-IPA ולפתוח את שסתום הניקוז על UC2 כך מים DI יוצא מאוד לאט.
    הערה: יש לרוקן את המים באיטיות רבה. תהליך זה מחליף את המים DI עם אדי חנקן/IPA כדי למנוע כתמי מים להרכיב על מצעים. זה צריך לקחת 1 – 2 h עבור 30,000 ס"מ3 של מים.
  13. כאשר מרוקן לחלוטין, להסיר את מתלה מ UC2 ולסגור את שסתום מייבש האדים.
  14. אחסן בסביבה נקייה וכלולה לשימוש עתידי.
    הערה: מצעים מנוקים ניתן להשאיר בסביבה זו ללא הגבלת זמן, כל עוד הם נשארים נקיים. בדוק מצעים מנוקים לפני שימוש נוסף כדי להבטיח שהם לא יצטרכו לעבור את תהליך הניקוי שוב.

2. תחמוצת אבץ מגנזיום שכבת החלון התצהיר

הערה: התהליך הזה MgZnO sputter-תצהיר מנצל מגנטרון לא מאוזנת ו 4 "קוטר, 0.25" מטרה עבה עם מרחק היעד למצע של 15 ס"מ. המטרה היא 99.99% טוהר (MgO)11(zno)89 על ידי משקל אחוזים.

  1. סטארט-up של מערכת sputter
    1. הפעל את המשאבה המכנית ואת שסתום הכיוון הישר, ואחריו משאבת דיפוזיה לחדר התיז. ודא כי מים קירור היעד הוא על ושסתומים מכניים למים קירור היעד פתוחים.
    2. הפעל את משאבת נעילת העומס באמצעות מתג על המשאבה.
    3. תן את משאבת הדיפוזיה לחמם למשך 15 דקות.
    4. בדוק את לחץ החדר על מד לחץ: אם הוא מתחת 2.0 x 10-1 Torr, לפתוח את משאבת דיפוזיה שסתום שער. אם הלחץ גדול מ 2.0 x 10-1 Torr, להחליף את שסתום השביל לסגור, ולפתוח את השסתום האלימה עד טיפות הלחץ. לאחר מכן, החלף את השסתום הקשוח, פתח את העצם, ופתח באופן ידני את שסתום השער של משאבת הדיפוזיה.
    5. בתוכנת המחשב, הגדר את הלחץ המופעל על 5 mTorr ולחץ על "הפעל גז", אשר מאפשר את זרימת הגז. הזרימה צריכה להיות ~ 19 – 20 sccm ו חמצן להגדיר 3% של הזרימה הכוללת עם היתרה כמו ארגון בתוכנה.
    6. הניחו לחדר לשאוב במשך 10 דקות.
    7. בדוק כי הלחץ הבסיסי הוא מתחת 1.0 x 10-5 Torr על מד יון הבדיקה.
    8. ודא כי הזרוע העברת מוכנס לגמרי מן החדר (להסתכל דרך אשנב החדר כדי להבטיח את מחזיק המדגם אינו בחדר), ולהחליף את נעילת שסתום שער סגור.
    9. ודא כי התריס סגור: ניתן לבדוק זאת על-ידי התבוננות דרך החלון אשנב כדי לראות כי הוא ישירות מעל הקטודה מוחלטת.
    10. על אספקת החשמל, להגדיר את כוח גנרטור RF ל 60 W. בתוכנת המחשב להגדיל את הלחץ על 15 mTorr להצתה פלזמה, להפוך את כוח RF על, וברגע פלזמה הציתו, להפחית את הלחץ בחזרה 5 mTorr בתוכנה. הכוח המשתקף צריך להיות 1 – 2 W. אם הוא גבוה הרבה יותר, יש לכוונן את רשת ההתאמה של RF.
    11. המטרה חייבת להיות מחומם כדי למנוע פיצוח: להגדיל את הכוח על גנרטור RF כוח בקצב של 20 W/min עד להגיע לכוח הסופי של 140 W. הכוח המשתקף צריך להיות באופן אידיאלי < 5% מהכוח האמיתי. אפשר למטרה לקדם מראש עם סגר סגור עבור 15 דקות.
  2. התצהיר המאטר
    1. כדי לכייל את קצב התצהיר. יש לזייף דגימת עדים השתמש בסמן קבוע כדי לצייר קו ~ 0.2 ס מ (אורך) בצידו המצופה TCO של מצע נקי.
    2. ודא כי שסתום שער נעילת המטען סגור, ולאחר מכן לשחרר ולפתוח את כפתור דלת נעילת העומס. לפרוק את נעילת המטען עם רבע הסיבוב של שסתום החנקן UHP עד מנעול לטעון הדלת מרפה. השאר את שסתום האוורור פתוח חלקית כדי לנקות את נעילת המטען בזמן שהדלת פתוחה.
    3. השתמש במפוח אוויר ידני כדי להסיר בעדינות את חלקיקי האבק מהמצע הנקי TCO-מצופה. הסר מצע כלשהו על המחזיק לדוגמה וטען את המצע נקי TCO בצד למטה באמצעות זוג מלקחיים משופעת גומי. החזק את המדגם על הקצה כדי למנוע את אזור התצהיר.
    4. סגור והדק את דלת נעילת המטען. הפעל את משאבת נעילת העומס וסגור את שסתום פתח החנקן.
    5. לשאוב את נעילת המטען עד למדוד את הלחץ לנעול עומס קורא מתחת 5.0 x 10-2 Torr. לאחר מכן לכבות את משאבת הטעינה ולעבור לפתוח את שער נעילת טען (הלחץ לא צריך להיות ספייק מעל 7 mTorr). המתן עד שהלחץ לרמה והכנס ידנית את זרוע ההעברה כך שהמדגם יושב מעל הקתודה.
    6. הגדר את זמן התצהיר הרצוי על טיימר ולהתחיל את העיתוי כאשר התריס הוא פתח ידנית. סגור מיד את התריס כמו טיימר שיורד.
    7. הפסק ידנית את זרוע ההעברה לחלוטין וסגור את שער נעילת המטען.
    8. הסר או החלף את הדוגמה הבאה בשלבים 2.2.2 – 2.2.5.
    9. כדי להשיג את שיעור התצהיר MgZnO, להסיר את הסמן הקבוע מתוך דגימת העד עם המוליך משופעת כותנה טבל ב מתנול. למדוד את העובי באמצעות פרולומטר17 ולקבוע את זמני התצהיר הבאים עבור עובי MgZnO הרצוי (100 nm עבור הדגימות המוצגות בעבודה זו).
    10. חזור על התצהיר עבור דגימות רבות ככל שתרצה.
      הערה: לאחר התצהיר של MgZnO, ניתן לאחסן את הדגימות לזמן מה. בסיכון של אוקסיגון, מומלץ שהם יאוחסנו desiccator תחת ואקום עבור לא יותר משבוע 1 לקבלת התוצאות הטובות ביותר.

3. מרחב הסובלימציה התצהיר והטיפול של שכבות ספיגה

  1. הפעלת מערכת CSS
    1. ודא כי 1) המערכת היא תחת ואקום, 2) משאבות מכני ודיפוזיה הן על, 3) שסתום שער נעילת הדלת פתוחה לחדר, ו 4) הלחץ מוגדר ל 40 mTorr.
    2. לפתוח באופן ידני את שסתום זרימת הגז (98% N2 ו 2% O2) ולבחור "גז לאפשר" על תוכנת המחשב. הלחץ אמור להתייצב סביב 40 mTorr.
    3. הפעל את מנתח הגז השאריות (RGA) על-ידי פתיחת שסתום RGA והתחברות לתוכנית התוכנה. זה הכרחי כדי לעקוב אחר המים, חמצן, חנקן, ואת רמות המימן במערכת. רמות אלה הן בדרך כלל סביב 4.5 x 10-9, 2.5 x 10-8, 2.3 x 10-6, ו 8.0 x 10-10 Torr עבור כל, בהתאמה.
    4. הביאו את המקורות העליונים והתחתונים של מערכת CSS לטמפרטורות הפעלה בתוכנית המחשב. טמפרטורות מקור העליון מוגדרות ל-620 ° c עבור מחממים, 360 ° c עבור CdTe, 420 ° c עבור Cdte20Te80, 387 ° c עבור cdte2, 400 ° c עבור אנסי, ו-620 ° c עבור bakeoff. טמפרטורות מקור התחתון מוגדרות ל-620 ° c עבור מחממים, 555 ° c עבור CdTe, 545 ° צ' עבור Cdte20Te80, 439 ° c עבור cdte2, 400 ° c עבור אנסי, ו-620 ° c עבור bakeoff. אלה הפרשי טמפרטורה לקדם סובלימציה מלמטה למקורות העליון כגון חומר מראה על המדגם, הממוקם בין המקורות.
    5. כאשר המקורות הגיעו לטמפרטורת התפעול, הפעל את מחזיק המדגם דרך מתכון הבוריד: בתוכנה, בחר "Bakeoff" ברשימת המתכונים ולחץ על "הפעל". זה יעביר באופן אוטומטי את הזרוע העברה כך מחזיק המדגם נשאר במקור bakeoff עבור 480 s. זה מחמם את המחזיק לדוגמה ואופה כל חומר עודף.
    6. לאחר זרוע העברת באופן אוטומטי מופרע הזה בו מחזיק המדגם למיקום הבית וסוגר את שסתום השער, לפרוק את נעילת המטען על ידי פתיחת שסתום החנקן UHP. כשפרקו, פתחו את דלת נעילת המטען וסגרו את שסתום האוורור.
  2. טיפול באמצעות התצהיר והפסיבציה ב-CSS
    1. השתמש מפוח אוויר כף יד כדי להסיר בעדינות כל חלקיקי אבק מן המצע נקי MgZnO/TCO מצופה ולטעון את המצע על מחזיק המדגם (MgZnO בצד למטה).
    2. סגור את דלת נעילת המטען והדלק את נעילת המטען על-ידי הפעלת מתג העומס של נעילת המטען.
    3. במהלך השאיבה, הקלט את המתכון הרצוי לתצהיר CSS בתוכנית המחשב. המתכונים המשמשים להכנת מבנים CdTe ו CdSeTe/CdTe שונים בשלב זה והם כדלקמן.
    4. עבור המדגם של העד CdTe (לקביעת שיעור התצהיר של CdTe; נדרש עבור התקן CdTe ו-CdSeTe/CdTe המכשיר), להשתמש:
      110 s במקור מחממים (זה מעלה את הזכוכית כדי ~ 480 ° צ' כגון CdTe יהיה כראוי סובלימציה על המצע);
      110 s במקור CdTe (זה מראה CdTe על המצע);
      180 s ב-cdcl2 מקור [התצהיר cdcl2 הוא הכרחי עבור ביצועי התקן cdcl טוב (זה הוכח כי הוא פסיבי גבולות דגנים וקשרים תלויים ומקדמת גידול גרעינים ויישור בולם בולם הגדול של cdcl12,13,14,15,16)];
      240 s במקור אנאל (מניע את ה-CdCl2 לחומר הנספג); ו
      300 s מקור קירור (זה מאפשר את המדגם להתקרר לפריקה).
    5. באמצעות להב גילוח, לבלר שטח קטן של חומר CdTe מתוך המצע ולמדוד את עובי הסרט CdTe באמצעות פרולומטר משטח כדי לקבוע את שיעור התצהיר17.
    6. עבור המדגם CdSeTe העד (לקביעת שיעור CdSeTe תצהיר; נדרש רק עבור CdSeTe/CdTe התקן ייצור), השתמש:
      140 s במקור מחממים (זה מעלה את הזכוכית כדי ~ 540 ° צ' כגון כי CdSeTe יהיה כראוי סובלימציה על המצע);
      300 s במקור CdSeTe (זה מראה CdSeTe על מצע); ו
      300 s מקור קירור.
    7. באמצעות להב תער, לבלר אזור קטן של חומר CdSeTe מתוך המצע ולמדוד את עובי הסרט CdSeTe באמצעות פרולומטר משטח כדי לקבוע את שיעור התצהיר17.
    8. עבור הספיגה הדקה (דגם CdTe), השתמש באפשרות:
      110 s במקור מחממים;
      xx במקור cdte [זמן לשכון תלוי בשיעור התצהיר cdte ואת עובי הרצוי (עבור 1.5 יקרומטר בודד cdte בשימוש כאן, הזמן לשכון הוא 60 s)];
      150 s במקור cdcl2 [הטיפול ב-cdcl2 תלוי בעובי הנספג; לכן, יש לערוך ניסויים כדי למטב את תנאי הטיפול (המועדים המפורטים לשכון ממוטבים לדקה, 1.5 יקרומטר בולמי שנות18)];
      240 s במקור אנאל; ו
      300 s מקור קירור.
    9. לקבלת הטבילה הדקה (דוגמת CdSeTe/CdTe), השתמש ב:
      140 s במקור מחממים;
      xx s ב CdSeTe מקור [שוב, זמן לשכון תלוי בשיעור התצהיר CdSeTe ועובי הרצוי (עבור 0.5 יקרומטר CdSeTe השכבה בשימוש כאן, זמן לשכון הוא 231 s)];
      xx ב cdte המקור [זמן לשכון תלוי בעובי cdte הרצוי ושיעור התצהיר מחושב מתוך עובי נמדד של המדגם של העד cdte (עבור 1.5 יקרומטר bilayer CdSeTe/cdte משומשים כאן, הזמן לשכון הוא 50 s עבור השכבה 1.0 יקרומטר cdte)];
      150 s ב-CdCl2 מקור;
      240 s במקור אנאל; ו
      300 s מקור קירור.
    10. כאשר הלחץ מנעול העומס קורא מתחת 40 mTorr בתוכנת המחשב, באמצעות התוכנה, לפתוח את שסתום את המנעול השער ולבחור "התחל". התוכנית מפעילה באופן אוטומטי את המתכון שנבחר ויחזור לתנוחת הבית עם סיום הקירור שלב10.
    11. לאחר התצהיר המלא להשלים לפתוח את המטען לנעול שסתום, לפרוק את האטמוספירה, ולפתוח את נעילת מנעול הדלת עבור קירור המצע הסופי. לאחר ~ 60 s, המצע צריך להיות מגניב מספיק כדי להסיר מבעל המדגם עם מטלית ללא מוך.
    12. לאחר הסרת המדגם, לסגור את דלת נעילת לטעון, לשאוב את נעילת העומס על ידי הפעלת מתג האלימה, ובצע את הצעד 3.1.5 כדי להפעיל את המתכון bakeoff. יש להפעיל bakeoff בין כל מדגם לתצהיר כדי לנקות את מחזיק המדגם.
    13. המדגם המעובד צריך להיות שכבה מעורפלת לבנה על הסרט מהטיפול CdCl2 . צלם תמונה של הסרט כדי לציין את תבנית האובך. אם יש מעט או אין חומר גלוי מן הטיפול CdCl2 , טיפול זה כנראה צריך אופטימיזציה.
    14. שטפו את החומר העודף CdCl2 מן הסרט לתוך גביע סיים באמצעות מים DI ויבש את הסרט עם ארגון דחוס.
      התראה: זה CdCl2 לשטוף יש לבצע במתחם הכיל. עם סיום הביצוע, היפטר מתערובת המים CdCl2/DI במיכל הפסולת המסוכנת המתאים.
      הערה: לאחר התצהיר CSS, ניתן לאחסן את הדגימות במשך זמן מה, אבל מומלץ שהם יאוחסנו desiccator תחת ואקום עבור לא יותר משבוע 1 לקבלת התוצאות הטובות ביותר. תרשים של מערכת התצהיר CSS האוטומטי מהשורה האוטומטית מוצג באיור 2.

4. סגור-חלל הסובלימציה טיפול נחושת

  1. הפעלת מערכת CSS
    1. ודא כי משאבות מכני ודיפוזיה מופעל.
    2. פתח את שסתום הגז התהליך ולהתאים ידנית את כפתור בקרת זרימת הגז עד 40 mTorr לחץ ההפעלה מוצג על מד הלחץ.
    3. הגדר והפעל באופן ידני את מקורות CSS באמצעות בקרי נגזרים בעלי אינטגרל פרופורציונלי (PID). טמפרטורות המקור המובילות בניסוי זה הן 330 ° c עבור מקור החום, 170 ° c עבור מקור CuCl, ו 200 ° c עבור מקור האנטה. טמפרטורת המקור התחתונה היא 330 ° c עבור מקור החום, 190 ° c עבור מקור CuCl, ו 200 ° c עבור מקור האנטה.
    4. החלף את שסתום משאבת הדיפוזיה וסגור ידנית את שסתום שער נעילת המטען.
  2. הטיפול הרפואי במבני ספיגה
    1. כאשר המקורות הגיעו לטמפרטורת ההפעלה, ניתן לטעון את המדגם על מחזיק הדגימה:
      1. שחרר את הידית עבור דלת נעילת המטען.
      2. לפרוק את נעילת המטען עם הסיבוב הרבע של שסתום תעלת החנקן של UHP.
      3. פתח את דלת נעילת המטען ולהשתמש במפוח אוויר כף יד כדי להסיר בעדינות את כל חלקיקי האבק מהדוגמה. מניחים את הסרט לדוגמה על מחזיק המדגם באמצעות זוג מלקחיים משופעת גומי, להחזיק את המדגם על הקצה כדי למנוע את אזור התצהיר.
      4. סגור את שסתום האוורור וסגור והדק את דלת נעילת המטען.
      5. לפתוח באופן ידני את משאבת הטעינה ולתת את נעילת לטעון מתחת ללחץ מוצלב (40 mTorr).
    2. כאשר הלחץ מוצלב מתקבל, באופן ידני לסגור את נעילת המשאבה ולפתוח באופן ידני את שסתום שער נעילת העומס.
    3. הזז באופן ידני את זרוע ההעברה לתוך מחממים, CuCl ומיקומי מיקום רציפים. שעון עצר משמש לזמן ההתעכב בכל תנוחה. עבור הדגימות שתוארו, הזמנים לשכון הם 75 s, 5 s, ו-250 s עבור מחממים, CuCl, ו מקורות, בהתאמה.
    4. לאחר שלב הריפוי, באופן ידני להביא את הזרוע העברה בחזרה למיקום הבית ולסגור את המנעול השער נעילת שסתום.
    5. בצע את שלב 4.2.1 כדי להחליף דגימות.
      הערה: בעת פריקת דגימה קודמת, סביר להניח שהוא עדיין חם. להסיר את המדגם עם זוג מלקחיים משופעת גומי ולתת לו להתקרר (הסרט בצד למעלה) על בלוק מתכת. לאחר הטיפול Cu, הדגימות ניתן לאחסן זמן מה, אבל זה מומלץ שהם יאוחסנו desiccator תחת ואקום עבור לא יותר משבוע 1 לתוצאות הטובות ביותר.

5. התאיידות התצהיר של טלריום דק

  1. הפעל את המשאבה המכנית, השסתום המכני ומשאבת הדיפוזיה באמצעות מתגים במערכת המאייד. אפשר למשאבת הדיפוזיה להתחמם למשך 20 דקות.
  2. על ידי פתיחת שסתום תעלת החנקן. והרמת תא המיאייד העמיסו את הטיט לתוך מוליבדן מצופה אלומינה הסירה. הזיזו את תא המאייד חזרה למקומו לאחר טעינת החומר.
  3. הזן את ההגדרות המתאימות עבור התצהיר Te מתוך מוליבדן אלומינה מצופה סירה במסך גביש קוורץ (QCM) פאנל (צפיפות = 6.25 g/ס"מ3 ו עכבה אקוסטית = 9.81 g/cm2s).
  4. פתח את החלק העליון של התא כדי לגשת למחזיק לדוגמה. השתמש במפוח אוויר ידני כדי להסיר בעדינות את כל חלקיקי האבק מהמדגם. לטעון את הסרט לדוגמה למטה על המחזיק לדוגמה ולסגור את החדר העליון.
  5. הזז באופן ידני את המנוף לתוך התנוחה האלימה; הן הקריאות האלימה והן הלחץ הקאמרי אמורות להתחיל לרדת. לאפשר ללחץ לרדת מתחת 10 mTorr.
  6. הפוך את שסתום הכיוון. למצב הקודם המתן ~ 30 עבור כל יתד רגעית בלחץ כדי להיפתר, ואז לפתוח את שסתום ואקום גבוה. כאשר קורא הלחץ התאי התבסס על היציאה, לחץ התצהיר המתאים של 1.0 x 10-5 Torr הגיע.
  7. הפעל את מתג ההפעלה, פתח את התריס והפעל את הפקד הנוכחי כדי להתחיל בתצהיר. טווח ההפעלה הנוכחי האופטימלי הוא 90 – 100 מעלות AC-מזגן כך ששיעור התצהיר יהיה ~ 5 – 10 Å/s. שיעור התצהיר, המוצג על הבדיקה QCM, יכול להשתנות במהירות; לכן, יש להתאים את הזרם באופן רציף במהלך התצהיר כדי לשמור על הקצב בין 5 ל-10 Å/s.
  8. כאשר QCM מציג את עובי Te הרצוי (40 nm עבור הדגימות המשמשות כאן), במהירות ובמקביל להפוך את הנוכחי לאפס, לכבות את מתג ההפעלה, ולסגור את התריס.
  9. סגרו את שסתום הוואקום הגבוה, פתחו את שסתום תעלת החנקן, והסירו את הדגימה ממחזיק הדגימה. חזור על שלבים 5.4 – 5.8 לקבלת תצהיר על דגימות נוספות.
    הערה: לאחר התצהיר Te, הדגימות ניתן לאחסן במשך זמן מה, אבל מומלץ שהם יאוחסנו desiccator תחת ואקום עבור לא יותר משבוע 1 לתוצאות הטובות ביותר.

6. בחזרה ניקל יישום מגע

התראה: בשל האדים מצבע Ni ו-מתיל אתיל קטון (מק מ), תמיד להפעיל אוהד התקורה לחזור אוויר במהלך תהליך זה.

  1. הר את הדגימות (בצד הסרט פונה קדימה) על מדף הרכבה אנכית.
  2. ודא כי האקדח של ני המוליך נקי בכל רחבי. אם לא, נקה עם מק.
  3. הקשר האחורי הוא תערובת של צבע מוליך ו רזה ביחס 2:1. לפני החלת הצבע, טלטל את פתרון הקשר האחורי כדי להבטיח ערבוב מלא.
  4. יוצקים את הפתרון בחזרה Ni לתוך אקדח המוליך ולהדליק את הצינור מדחס האוויר המחובר. רסס חתיכת מבחן (כלומר, קרטון) כדי לוודא שהצבע מוחל בצורה אחידה. אם זה אחיד, להחיל את הקשר האחורי על הדגימות על ידי התזת הפתרון על פני ערכת המדגם עם תנועה לרוחב איטי. הרשו לאיש הקשר האחורי להתייבש מעט ולמרוח פעמים רבות ככל הדרוש לכיסוי מלא (בדרך כלל, חמישה מעברים פועלים היטב).
    הערה: הפתרון Ni יכול להתייבש ולסתום את האקדח המוליך; לכן, כדי למנוע תהליך של דה סותם במהלך יישום המגע האחורי, חשוב לחכות לא יותר מ 60 s בין ערכות תרסיס.
  5. כבה את מדחס האוויר ולאפשר את המגע האחורי להתייבש על הדגימות עבור לפחות 1 h.

7. תיחום לתוך 25 התקנים מהאזור הקטן

הערה: כדי לסיים את מבנה הסרט הדק לתוך התקנים הניתנים למגע חשמלית, מחסנית הסרט חייבת להיות מחולקת להתקני שטח קטנים, כך שאיש הקשר הקדמי TCO ו-Ni-contact מנגישים באופן חשמלית. זה נעשה באמצעות מסיכת מתכת עם הסרה מכנית של מוליך למחצה.

  1. מניחים דגימה במסכת המתכת.
  2. מניחים את המדגם במסיכה בתוך הקופסה ובאמצעות צינור סיפון, להחיל את הזכוכית, מדיה חרוזים לחלקים מתחת למסיכה של המדגם. הסרת חומר תקין מושגת כאשר חלונות המסיכה נעשים כמעט שקופים.
  3. חזור על תהליך זה עם המסיכה השניה כך שבעת השלמת התיחום, 25 התקנים מרובעים קטנים מופיעים בתבנית של 5 x 5 על המדגם. האזורים שהושלמו הם ~ 0.6 ס מ2.
  4. נקו את צד הסרט של דגימות עם המוליך כותנה משופעת טבל במים DI.
  5. כדי למזער את ההתנגדות הצדדית במדידות חשמליות של המכשירים סיים, הלחמה דפוס הרשת בין המכשירים עם הלחמה אינדיום.
    הערה: מבני ההתקנים שהושלמו מקבלים באיור 1A ובאיור 1a עבור התקני Cdte ו-CdSeTe/cdte, בהתאמה.

תוצאות

התוספת של CdSeTe לספיגת CdTe דק משפרת את יעילות המכשיר באמצעות איכות חומר מעולה וצפיפות גבוהה במעגל קצר (JSC). איור 3A ואיור 3 ב, (מותאם מתוך שבולן ואח')להראות PL ו trpl, בהתאמה, עבור מכשירי CdTe יחיד ו CdSeTe/cdte התקנים בולם. הן מדידות PL ו-TRPL מציגות באופן ברור ...

Discussion

Bilayer CdSeTe/CdTe מכשירים פוטו וולטאית להפגין שיפורים ביעילות לעומת עמיתיהם CdTe שלהם בגלל איכות חומר טוב יותר מוגבר האוסף הנוכחי. יעילות משופרת כגון הפגינו בולמי bilayer גדול יותר 3 יקרומטר5,7, ועכשיו עם תנאי ייצור אופטימיזציה, זה כבר הוכיחה כי יעילות מוגברת הם גם השגה ?...

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgements

המחברים רוצים להודות לפרופסור W.S. סמנת לשימוש במערכות התצהיר שלו, Kevan קאמרון עבור תמיכה במערכת, ד ר עמית Munshi עבור עבודתו עם תאים bilayer עבה וקטעי וידאו משלים של מערכת מקוונת ואקום CSS מקוון, וד ר. דריוס קוצ'יסקאס לסיוע עם מדידות TRPL. חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת על ידי ארה ב. משרד האנרגיה של צריכת אנרגיה יעילה ואנרגיה מתחדשת (EERE) תחת אנרגיה סולארית טכנולוגיות משרד (ההסכם) מספר DE-EE0007543.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Alpha Step Surface ProfilometerTencor Instruments10-00020Instrument for measuring film thickness
CdCl2 Material5N PlusN/AMaterial for absorber passivation treatment
CdSeTe Semiconductor Material5N PlusN/AP-type semiconductor material for absorber layer
CdTe Semiconductor Material5N PlusN/AP-type semiconductor material for absorber layer
CESAR RF Power GeneratorAdvanced Energy61300050Power generator for MgZnO sputter deposition
CuCl MaterialSigma AldrichN/AMaterial for absorber doping
Delineation MaterialKramer Industries Inc.Melamine Type 3 60-80 meshPlastic beading material for film delineation
Glovebox EnclosureVaniman Manufacturing Co.Problast 3Glovebox enclosure for film delineation
Gold CrystalKurt J. Lesker CompanyKJLCRYSTAL6-G10Crystal for Te evaporation thickness monitor
HVLP and Standard Gravity Feed Spray Gun KitHuskyHDK00600SGApplicator spray gun for Ni paint back contact application
MgZnO Sputter TargetPlasmaterials, Inc.PLA285287489N-type emitter layer material
Micro 90 Glass Cleaning SolutionCole-ParmerEW-18100-05Solution for initial glass cleaning
NSG Tec10 SubstratesPilkingtonN/ATransparent-conducting oxide glass for front electrical contact
Super Shield Ni Conductive CoatingMG Chemicals841AR-3.78LConductive paint for back contact layer
Te MaterialSigma AldrichMKBZ5843VMaterial for back contact layer
Thickness MonitorR.D. Mathis CompanyTM-100Instrument for programming and monitoring Te evaporation conditions
Thinner 1MG Chemicals4351-1LPaint thinner to mix with Ni for back contact layer
Ultrasonic Cleaner 1L & R ElectronicsQ28OHUltrasonic cleaner 1 for glass cleaning
Ultrasonic Cleaner 2Ultrasonic Clean100SUltrasonic cleaner 2 for glass cleaning
UV/VIS Lambda 2 SpectrometerPerkinElmer166351Spectrometer used for transmission measurements on CdSeTe films

References

  1. . Global energy demand rose by 2.3% in 2018, its fastest pace in the last decade Available from: https://www.iea.org/newsroom/news/2019/march/global-energy-demand-rose-by-23-in-2018-its-fastest-pace-in-the-last-decade.html (2019)
  2. Morton, O. Solar energy: A new day dawning?: Silicon valley sunrise. Nature. 443 (7107), 19-22 (2006).
  3. . Best research-cell efficiency chart Available from: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2019)
  4. Munshi, A., et al. Polycrystalline CdSeTe/CdTe absorber cells with 28 mA/cm2 short-circuit current. IEEE Journal of Photovoltaics. 8 (1), 310-314 (2018).
  5. Metzger, W. K., et al. Exceeding 20% efficiency with in situ group V doping in polycrystalline CdTe solar cells. Nature Energy. 4, 837-845 (2019).
  6. Hsiao, K. J. Electroplated CdTe solar technology at Reel Solar. Proceedings of 46thIEEE PVSC. , (2019).
  7. Bothwell, A. M., Drayton, J. A., Jundt, P. M., Sites, J. R. Characterization of thin CdTe solar cells with a CdSeTe front layer. MRS Advances. 4 (37), 2053-2062 (2019).
  8. Fiducia, T. A. M., et al. Understanding the role of selenium in defect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluride solar cells. Nature Energy. 4, 504-511 (2019).
  9. Swanson, D. E., et al. Single vacuum chamber with multiple close space sublimation sources to fabricate CdTe solar cells. Journal of Vacuum Science and Technology A. 34, 021202 (2016).
  10. McCandless, B. E., Sites, J. R., Luque, A., Hegedus, S. Cadmium telluride solar cells. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. , 617-662 (2003).
  11. Abbas, A., et al. Cadmium chloride assisted re-crystallization of CdTe: the effect of annealing over-treatment. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , (2014).
  12. Munshi, A., et al. Effect of varying process parameters on CdTe thin film device performance and its relationship to film microstructure. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , (2014).
  13. Metzger, W. K., et al. Time-resolved photoluminescence studies of CdTe solar cells. Journal of Applied Physics. 94 (5), 3549-3555 (2003).
  14. Moseley, J., et al. Luminescence methodology to determine grain-boundary, grain-interior, and surface recombination in thin film solar cells. Journal of Applied Physics. 124, 113104 (2018).
  15. Amarasinghe, M., et al. Obtaining large columnar CdTe grains and long lifetime on nanocrystalline CdSe, MgZnO, or CdS layers. Advanced Energy Materials. 8, 1702666 (2018).
  16. Tencor Instruments. . Alpha-Step 100 User's Manual. , (1984).
  17. Wojtowicz, A., Huss, A. M., Drayton, J. A., Sites, J. R. Effects of CdCl2 passivation on thin CdTe absorbers fabricated by close-space sublimation. Proceedings of 44th IEEE PVSC. , (2017).
  18. Kirchartz, T., Ding, K., Rau, U., Abou-Ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. Fundamental electrical characterization of thin film solar cells. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. , 47 (2011).
  19. Swanson, D. E., Sites, J. R., Sampath, W. S. Co-sublimation of CdSexTe1-x layers for CdTe solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 159, 389-394 (2017).
  20. McCandless, B. E., et al. Overcoming Carrier Concentration Limits in Polycrystalline CdTe Thin Films with In Situ Doping. Scientific Reports. 8, 14519 (2018).
  21. Romeo, N., Bossio, A., Rosa, G. The back contact in CdTe/CdS thin film solar cells. Proceedings ISES Solar World Congress 2017. , (2017).
  22. Munshi, A. H., et al. Doping CdSexTe1-x/CdTe graded absorber films with arsenic for thin film photovoltaics. Proceedings of 46th IEEE PVSC. , (2019).
  23. Danielson, A. Doping CdTe Absorber Cells using Group V Elements. Proceedings of WCPEC-7. , (2018).
  24. Hsiao, K. J. . Electron Reflector Strategy for CdTe Thin film Solar Cells. , (2010).
  25. Swanson, D. E., et al. Incorporation of Cd1-xMgxTe as an electron reflector for cadmium telluride photovoltaic cells. Proceedings of MRS Spring Meeting and Exhibit. , (2015).
  26. Wendt, R., Fischer, A., Grecu, D., Compaan, A. D. Improvement of CdTe solar cell performance with discharge control during film deposition by magnetron sputtering. Journal of Applied Physics. 84 (5), 2920-2925 (1998).
  27. Sudharsanan, R., Rohatgi, A. Investigation of metalorganic chemical vapor deposition grown CdTe/CdS solar cells. Solar Cells. 31 (2), 143-150 (1991).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

157photovoltaicschalcogenidephotoluminescence

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved