Yakın Alan Süblimasyon-Gelişmiş Kısa Devre Akım Yoğunluğu ve Fotolüminesans için Ultra İnce CdSeTe/CdTe Güneş Pilleri

Özet

Bu çalışma, gelişmiş verimlilik için ince emici kadmiyum selenyum tellürit/kadmiyum telluride fotovoltaik cihazların tam üretim sürecini açıklar. Süreç, küçük alan araştırma cihazlarının ve büyük ölçekli modüllerin imalatından ölçeklenebilir yakın alan süblimasyon birikimi için otomatik bir sıra içi vakum sistemi kullanır.

Özet

Artan küresel enerji talepleri ve iklim değişikliği nin ortasında, güneş enerjisini uygun maliyetli ve güvenilir bir yenilenebilir enerji kaynağı haline getirmek için fotovoltaik cihaz mimarilerinde ki gelişmeler gereklidir. İnce film CdTe teknolojisi, kısmen hızlı üretim süreleri, minimum malzeme kullanımı ve CdSeTe alaşımının ~3 μm emici bir katmana getirilmesi nedeniyle maliyet-rekabet gücünü ve verimliliği artırdığını göstermiştir. Bu çalışma, otomatik hat içi vakum biriktirme sistemi kullanarak ince, 1,5 μm CdSeTe/CdTe iki katmanlı cihazların yakın mekan süblimasyon imalatını sunmaktadır. İnce iki katmanlı yapı ve üretim tekniği biriktirme süresini en aza indirir, cihaz verimliliğini artırır ve gelecekteki ince emici tabanlı cihaz mimarisinin geliştirilmesini kolaylaştırır. Üç üretim parametreleri ince CdSeTe/CdTe emici cihazları optimize etmek için en etkili olduğu görülmektedir: substrat ön ısıtma sıcaklığı, CdSeTe:CdTe kalınlığı oranı ve CdCl₂ pasifasyonu. CdSeTe'nin uygun süblimasyonu için, birikilmeden önceki substrat sıcaklığı ~540 °C (CdTe'den daha yüksek) olmalıdır. CdSeTe:CdTe kalınlık oranındaki değişim, cihaz performansının bu orana güçlü bir şekilde bağlı olduğunu ortaya koymaktadır. Optimum emici kalınlıkları 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe'dir ve optimize edilmeyen kalınlık oranları arka bariyer etkileri yle verimliliği azaltır. İnce emiciler CdCl₂ pasifasyon varyasyonuna duyarlıdır; sıcaklık ve zaman açısından çok daha az agresif CdCl₂ tedavisi (daha kalın emicilere göre) optimum cihaz performansı sağlar. Optimize edilmiş üretim koşulları ile CdSeTe/CdTe, cihaz kısa devre akım yoğunluğunu ve fotolüminesans yoğunluğunu tek emici CdTe'ye göre artırır. Ayrıca, bir satır içi yakın mekan süblimasyon vakum biriktirme sistemi malzeme ve zaman azaltma, ölçeklenebilirlik ve gelecekteki ultra ince emici mimarilerin ulaşılabilirlik sunar.

Giriş

Küresel enerji talebi hızla hızlanıyor ve 2018 yılı en hızlı (2,3%) son on yılda büyüme hızı¹. Iklim değişikliğinin etkileri ve fosil yakıtların yakılması artan farkındalık ile eşleştirilmiş, maliyet rekabetçi, temiz ve yenilenebilir enerji ihtiyacı bol açık hale gelmiştir. Birçok yenilenebilir enerji kaynaklarının, güneş enerjisi toplam potansiyeli için ayırt edici, dünya ulaşır güneş enerjisi miktarı kadar küresel enerji^tüketimi2 aşıyor gibi .

Fotovoltaik (PV) cihazlar güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür ve ölçeklenebilirlik (örneğin, kişisel kullanım mini modülleri ve ızgara entegre güneş dizileri) ve malzeme teknolojileri açısından çok yönlüdür. Çok ve tek kavşaklı, tek kristalli galyum arsenid (GaAs) güneş pilleri gibi teknolojiler, sırasıyla^3%39,2 ve% 35,5 ulaşan verimlilikleri var. Ancak, bu yüksek verimli güneş pilleri imalatı pahalı ve zaman alıcı. İnce film pvs için bir malzeme olarak Polikristalin kadmiyum tellür (CdTe) düşük maliyet, yüksek verimli üretim, biriktirme teknikleri çeşitli ve olumlu emme katsayısı için avantajlıdır. Bu özellikler CdTe'yi büyük ölçekli üretim için uygun hale getirsin ve verimlilikteki gelişmeler CdTe'yi PV-market baskın silikon ve fosil yakıtlarla maliyet-rekabetçi hale getirmiştir⁴.

CdTe cihaz verimliliğindeki artışı sağlayan yeni gelişmelerden biri de kadmiyum selenyum tellürit (CdSeTe) alaşım malzemesinin emici tabakaiçine eklenmesidir. Alt ~1.4 eV bant boşluğu CdSeTe malzemenin 1,5 eV CdTe emiciye entegre edilmesi, çift katmanlı emicinin ön bant boşluğunu azaltır. Bu, bant boşluğunun üzerindeki foton fraksiyonu artar ve böylece geçerli koleksiyonu geliştirir. CdSeTe'nin artan akım yoğunluğu için 3 μm veya daha kalın emicilere başarılı bir şekilde dahil edilmesi çeşitli üretim teknikleri (yani yakın alan süblimasyonu, buhar taşıma birikimi ve elektrokaplama)^5,6,7ile gösterilmiştir. Artan oda sıcaklığıfotolüminesans emisyon spektroskopisi (PL), zaman çözülmüş fotolüminesans (TRPL) ve çift katmanlı emici cihazlardan gelen elektrolüminesans sinyalleri^5,8 artan akım toplama ek olarak, CdSeTe daha iyi radyatif verimlilik ve azınlık taşıyıcı ömrüne sahip görünüyor, ve bir CdSeTe / CdTe cihaz cdte ile ideal göre daha büyük bir voltaj vardır sadece. Bu büyük ölçüde toplu kusurların selenyum pasifasyonu atfedilen olmuştur⁹.

CdSeTe'nin daha ince (≤1.5 μm) CdTe emicilere dahil edilmesi konusunda çok az araştırma bildirilmiştir. Bu nedenle, kalın iki katmanlı emicilerde görülen faydaların ince iki katmanlı emicilerle elde edilip edilemeyeceğini belirlemek için yakın alan süblimasyonu (CSS) tarafından imal edilen 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe çift katmanlı emici cihazların özelliklerini araştırdık. Bu tür CdSeTe/CdTe emiciler, daha kalın muadillerinin iki katından daha ince, biriktirme süresi ve malzeme ve daha düşük üretim maliyetleri nde kayda değer bir azalma sunar. Son olarak, 2 μm'den daha az emici kalınlıklar gerektiren gelecekteki cihaz mimarisi geliştirmeleri için potansiyele sahip olurlar.

Tek bir otomatik sıralı vakum sisteminde emicilerin CSS birikimi diğer üretim yöntemlerine göre birçok avantaj sunar^10,11. CSS imalatı ile daha hızlı biriktirme hızları cihaz veriçiyi artırır ve daha büyük deneysel veri kümelerini teşvik eder. Ayrıca, bu çalışmada CSS sisteminin tek vakum ortamı emici arayüzleri ile potansiyel zorlukları sınırlar. İnce film LIsyon PV cihazlarının her biri elektronlar ve delikler için bir rekombinasyon merkezi olarak hareket edilebilen birçok arabirimi vardır ve böylece genel cihaz verimliliği azalır. CdSeTe, CdTe ve kadmiyum klorür (CdCl₂₎ifadeleri için tek bir vakum sisteminin kullanımı (iyi emici kalitesi için gerekli^{12,13,14,15,16}) daha iyi bir arayüz üretebilir ve interfacial kusurları azaltabilir.

Colorado State University^10'da geliştirilen sıralı otomatik vakum sistemi, ölçeklenebilirlik ve tekrarlanabilirlik açısından da avantajlıdır. Örneğin, biriktirme parametreleri kullanıcı tarafından ayarlanır ve biriktirme işlemi, kullanıcının emici imalatı sırasında ayarlamalar yapması gerekmeyecek şekilde otomatikleştirilir. Bu sistemde küçük alan araştırma cihazları imal edilse de, sistem tasarımı daha geniş alan ifadeleri için ölçeklendirilebilir ve araştırma ölçeğinde deney ve modül ölçekli uygulama arasında bir bağlantı sağlanabilir.

Bu protokol, 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe ince film PV cihazlarının üretiminde kullanılan üretim yöntemlerini sunar. Karşılaştırma için, 1,5 μm CdTe cihazlar kümesi imal edilir. Tek ve çift katmanlı emici yapılar, CdSeTe birikimi hariç tüm işlem adımlarında nominal olarak aynı biriktirme koşullarına sahiptir. İnce CdSeTe/CdTe emicilerin daha kalın muadilleri tarafından gösterilen faydaları koruyup korumadığını karakterize etmek için, ince tek ve çift katmanlı emici cihazlarda akım yoğunluğu-gerilim (J-V), kuantum verimliliği (QE) ve PL ölçümleri gerçekleştirilir. J-V ve QE ile ölçülen kısa devre akım yoğunluğunda (J_SC)bir artış, CdSeTe /CdTe vsiçin PL sinyalibir artışa ek olarak . CdTe cihazı, CSS tarafından imal edilen ince CdSeTe/CdTe cihazlarının mevcut toplama, malzeme kalitesi ve cihaz verimliliğinde kayda değer bir iyileşme gösterdiğini gösterir.

Bu çalışma, CdTe PV cihaz yapısına CdSeTe alaşımının eklenmesiyle ilgili faydalara odaklansa da, CdTe ve CdSeTe/CdTe aygıtları için tam üretim süreci daha sonra tam olarak açıklanmıştır. Şekil 1A,B, şeffaf iletken oksit (TCO) kaplamalı cam substrat, n tipi magnezyum çinko oksit (MgZnO) yayıcısı tabakası, p tipi CdTe veya CdSeTe/CdTe emici ile CdCl₂ ve bakır doping irat, ince Te tabakası ve nikel geri temastan oluşan CdTe ve CdSeTe/CdTe cihazları için tamamlanmış cihaz yapılarını gösterir. CSS emici birikimi hariç, üretim koşulları tek ve çift katmanlı yapı arasında aynıdır. Böylece, aksi belirtilmedikçe, her adım hem CdTe hem de CdSeTe/CdTe yapılarında gerçekleştirilir.

Protokol

DİkKAT: Film kontaminasyonunu ve malzemeden cilde teması önlemek için yüzeyleri kullanırken eldiven giyilmelidir. Bu üretim süreci kadmiyum bileşikleri içeren yapıların işlenmesini gerektirir; bu nedenle, bir laboratuvar önlüğü ve eldiven her zaman laboratuarda giyilmelidir.

1. Substrat temizliği

1. TCO kaplamalı cam yüzeyleri (9,1 cm x 7,8 cm) geniş aralıklı paslanmaz çelik bir rafa yerleştirin, böylece her cam yüze temizleme solüsyonu ve basınçlı hava uygulanabilir.
2. Azot basınçlı hava hortumu kullanarak yüzeylerdeki tozları patlatın.
3. Rafı ultrasonik temizleyiciye (UC1) yerleştirin ve isopropil alkol (IPA) ile doldurun. Endüstriyel cam kesme işleminden kalan yağı ve kirleticileri çıkarmak için 30 dk oturalım.
4. IPA'yı UC1'den boşaltın. IPA, yüzeylerin ilk temizliği için 5 x'e kadar yeniden kullanılabilir.
5. Yüzeyleri deiyonize (DI) suyla durulayın, ardından UC1'i yüzeylerin üst kenarının yaklaşık 1 cm yukarısında ki DI suyuyla doldurun. Artık yağ, gres, partikül veya sert su lekelerini daha da temizlemek için yüzeylere 200 mL konsantre temizleme çözeltisi ekleyin.
6. Ana gücü kullanarak UC1'i 43 kHz ultrasonik frekansve 425 W güçle açın ve yüzeylerin 1 saat boyunca oturmasını sağlar.
7. İkinci, daha büyük ultrasonik temizleyiciyi (UC2) DI suyuyla yıkave hacminin dörtte üçünü DI suyuyla doldurun.
8. UC1'i kapatın ve paslanmaz çelik rafı çıkarın. Hemen bir lavabo üzerinde DI su ile yüzeylerdurulma başlar.
   NOT: Bu aşamada yüzeylerin kurumasına izin vermeyin.
9. Paslanmaz çelik rafı UC2'ye aktarın ve yüzeylertamamen kaplanmış şekilde DI suyuyla tamamen doldurun. UC2'yi 40 kHz ultrasonik frekansve 600 W güç için açın ve yüzeylerin 30 dakika boyunca oturmasını sağlar.
10. Ev yapımı IPA buhar kurutucuyu hazırlayın.
    1. Vananın kapalı olmasını sağlayarak, bir gaz hortumu ultra yüksek saflıkta (UHP) nitrojene bağlayın. Azot tankını açın ve regülatörü 10 psi'ye ayarlayın. Vanayı azot akışına açın ve bağlı akış ölçerde 100 PSIG'e ayarlayın, ardından valf tekrar kapatın.
    2. Bir şişeyi 150 mL taze IPA ile doldurun ve şişeyi sıkıca mantarla doldurun. Mantar, azot ve IPA'nın mantara gömülü iki küçük metal boru sisteminden geçmesine izin verirken şişe yi sıkıca kapatır. Bunlar, UC2'nin üzerinde yer alan ince delikleri olan küçük bir metal boru sistemine bağlanır, bu da azot/IPA buharı yüzeylerde meydana gelir.
11. UC2 durulama döngüsü bittiğinde, ısı ve UC2 kapatın.
12. Buhar kurutucu vanasını nitrojen ve IPA'ya açın ve UC2'deki drenaj vanasını açın, bu şekilde DI suyu çok yavaş çıkıyor.
    NOT: DI suyu çok yavaş boşaltılmalıdır. Bu işlem, substratlarda su lekelerinin oluşmasını önlemek için DI suyunun yerine azot/IPA buharı alır. Bu su 30.000 cm³ için 1-2 saat almalıdır.
13. Tamamen boşaltıldığında, rafı UC2'den çıkarın ve buhar kurutma makinesi vanasını kapatın.
14. İleride kullanmak için temiz ve içerdiği bir ortamda saklayın.
    NOT: Temizlenmiş yüzeyler, temiz kaldığı sürece bu ortamda süresiz olarak bırakılabilir. Temizleme işlemini tekrar geçirmelerine gerek kalmadığından emin olmak için daha fazla kullanmadan önce temizlenmiş yüzeyleri inceleyin.

2. Magnezyum çinko oksit pencere tabakası sputter birikimi

NOT: Bu MgZnO püskürtme biriktirme işlemi dengesiz bir manyetoron ve 4" çapında, 0.25 " kalın hedef-substrat mesafesi 15 cm kullanır. Hedef % 99.99 saflıkta (MgO)₁₁(ZnO)_%89 ağırlıktır.

1. Fışkırtme sistemi başlatma
   1. Mekanik pompa ve foreele valfi açın, püskürtme odası için difüzyon pompası takip. Hedef soğutma suyunun açık olduğundan ve hedef soğutma suyuna mekanik vanaların açık olduğundan emin olun.
   2. Pompanın anahtarını kullanarak yük kilidi pompasını açın.
   3. Difüzyon pompası 15 dakika ısınalım.
   4. Basınç göstergesi üzerindeki oda basıncını kontrol edin: 2.0 x 10^-1 Torr'un altındaysa difüzyon pompası kapı vanasını açın. Basınç 2,0 x 10^-1 Torr'dan büyükse, foreline valfini kapatıp basınç düşene kadar pürüzlü valfini açın. Daha sonra, anahtar kaba valf kapalı, foreline açın ve el ile difüzyon pompa kapı vanası açın.
   5. Bilgisayar yazılımında, çalışma basıncını 5 mTorr'a ayarlayın ve gaz akışını sağlayan "gaz etkinleştir"i tıklatın. Akış ~ 19-20 sccm ve oksijen yazılım argon olarak denge ile toplam akış% 3 olarak ayarlanmalıdır.
   6. Oda 10 dakika pompalayın.
   7. Iyon ölçer okumada taban basıncının 1,0 x 10^-5 Torr'un altında olup olmadığını kontrol edin.
   8. Transfer kolunun hazneden tamamen geri çekilip (numune tutucunun haznede olmadığından emin olmak için oda görüş portuna bakın) ve yük kilidi kapı vanasının kapalı olduğundan emin olun.
   9. Deklanşörkapalı olduğundan emin olun: Bu, fışkırtıcı katotun hemen üzerinde olduğunu görmek için viewport penceresinden bakarak kontrol edilebilir.
   10. Güç kaynağında, RF jeneratör gücünü 60 W'a ayarlayın. Bilgisayar yazılımında plazma ateşleme için basıncı 15 mTorr'a yükseltin, RF gücünü açın ve plazma tutuştuktan sonra basıncı yazılımdaki 5 mTorr'a geri düşürün. Yansıyan güç 1-2 W olmalıdır. Çok daha yüksekse, RF maç ağı ayarlanmalıdır.
   11. Çatlamayı önlemek için hedef ısıtılmalıdır: 140 W'lık son güce ulaşana kadar RF güç jeneratörünün gücünü 20 W/dk oranında artırın. Yansıyan güç ideal olarak gerçek gücün %5'i olmalıdır. Deklanşör kapalı 15 dakika boyunca hedefin ön püskürtülmesine izin verin.
2. MgZnO sputter birikimi
   1. İfade oranını ayarlamak için tanık numunesi imal edilmelidir. Temiz bir substrat ın TCO kaplamalı tarafına ~0,2 cm (uzunluk) çizgi çizmek için kalıcı bir işaretleyici kullanın.
   2. Yük kilidi kapı vanasının kapalı olduğundan emin olun, ardından yük kilidi kapı tonuzunu gevşetin ve açın. Yük kilidi kapısı gevşeyene kadar UHP azot havalandırma valfinin dörtte bir dönüşünü ile yük kilidini boşaltın. Kapı açıkken yük kilidini temizlemek için havalandırma valfini kısmen açık tutun.
   3. Temiz TCO kaplamalı alt tabakadaki toz parçacıklarını nazikçe çıkarmak için el hava üfleyicikullanın. Numune tutucudaki herhangi bir alt katmanı çıkarın ve temiz substrat TCO'yu kauçuk uçlu cımbız kullanarak yan aşağı yükleyin. Biriktirme alanını önlemek için numuneyi kenarda tutun.
   4. Yük kilidi kapısını kapatın ve sıkın. Yük kilidi pompasını açın ve azot ventiye vanasını kapatın.
   5. Yük kilidi basınç göstergesi 5,0 x 10^-2 Torr'un altına inene kadar yük kilidini aşağı pompalayın. Sonra yük kilidi pompasını kapatın ve yük kilidi kapısını açın (basınç 7 mTorr'un üzerine çıkmamalıdır). Basıncın düzleştirilmesini bekleyin ve geçiş kolunu, numunenin kepenkli katotun üzerine yerlebir olacak şekilde manuel olarak takın.
   6. İstenilen biriktirme süresini bir zamanlayıcıya ayarlayın ve deklanşör el ile açılırken zamanlamaya başlayın. Zamanlayıcı kapanırken deklanşörü hemen kapatın.
   7. Transfer kolunu el ile tamamen geri çekve yük kilidi kapısını kapatın.
   8. 2.2.2-2.2.2.5 adımlarını aşağıdaki adımları kaldırın veya değiştirin.
   9. MgZnO biriktirme oranını elde etmek için, metanol batırılmış bir pamuk uçlu aplikatör ile tanık örneğinden kalıcı belirteci çıkarın. Kalınlığı profilometre¹⁷ kullanarak ölçün ve istenilen MgZnO kalınlığı için sonraki biriktirme sürelerini ayarlayın (bu çalışmada sunulan numuneler için 100 nm).
   10. İstenildiği kadar örnek için birikimi tekrarlayın.
       NOT: MgZnO birikiminden sonra numuneler bir süre saklanabilir. Oksitlenme riski altında, en iyi sonuçlar için en fazla 1 hafta boyunca vakum altında bir kurutucu da saklanması tavsiye edilir.

3. Yakın alan sublimasyon birikimi ve emici tabakaların tedavisi

1. CSS sistemi başlatma
   1. 1) sistem vakum altında olduğundan emin olun, 2) mekanik ve difüzyon pompaları açık, 3) yük kilidi kapı vanası hazneye açık, ve 4) basınç 40 mTorr ayarlanır.
   2. Gaz akış valfini manuel olarak açın (%98 N₂ ve %2 O₂₎ve bilgisayar yazılımında "Gaz etkinleştir" seçeneğini belirleyin. Basınç 40 mTorr civarında stabilize edilmelidir.
   3. RGA vanasını açarak ve yazılım programına bağlanarak artık gaz analizörünü (RGA) açın. Bu sistemdeki su, oksijen, azot ve hidrojen seviyelerini izlemek için gereklidir. Bu seviyeler genellikle 4,5 x 10^-9, 2,5 x 10^-8, 2,3 x 10^-6ve 8,0 x^{10 -10} Torr, sırasıyla civarındadır.
   4. CSS sistemini bilgisayar programındaki çalışma sıcaklıklarına kadar üst ve alt kaynaklara getirin. Üst kaynak sıcaklıkları ön ısıtma için 620 °C, CdTe için 360 °C, CdSe için 420 °C,_CdCl20Te₈₀için 387 °C, anneal için 400 °C ve fırında pişirme için 620 °C olarak belirlenmiştir. Alt kaynak sıcaklıkları ön ısıtma için 620 °C, CdTe için 555 °C, CdSe₂₀Te₈₀için 545 °C, CdCl₂için 439 °C, anneal için 400 °C ve fırında pişirme için 620 °C olarak belirlenmiştir. Bu sıcaklık farkları alttan üst kaynaklara kadar süblimleşmeyi teşvik eder, bu da malzemenin kaynaklar arasında yer alan numuneye yerleştiği gibi.
   5. Kaynaklar çalışma sıcaklığına ulaştığında, örnek tutucuyu bakeoff tarifinde çalıştırın: yazılımda, yemek tarifi listesinde "Bakeoff" seçeneğini belirleyin ve "Çalıştır"a tıklayın. Bu, transfer kolunu otomatik olarak hareket ettirir, böylece örnek tutucu 480 s için fırında kaynağında kalır. Bu örnek tutucu kadar ısıtır ve herhangi bir fazla malzeme kapalı pişirir.
   6. Aktarım kolu numune tutucuyu otomatik olarak ev konumuna geri çektikten ve kapı valfini kapattıktan sonra UHP azot ventiye valfini açarak yük kilidini boşaltın. Havaboşaltıldığında, yük kilidi kapısını açın ve havalandırma vanasını kapatın.
2. Emicilerin CSS birikimi ve pasifasyon tedavisi
   1. Temiz MgZnO/TCO kaplı alt tabakadaki toz parçacıklarını nazikçe çıkarmak ve substratı numune tutucuya (MgZnO tarafı aşağı) yüklemek için bir el hava üfleyici kullanın.
   2. Yük kilidi kapısını kapatın ve yük kilidi kaba basma düğmesini açarak yük kilidini aşağı pompalayın.
   3. Pompalarken, bilgisayar programına CSS tpozisyonu için istenilen tarifi girin. CdTe ve CdSeTe/CdTe yapılarının hazırlanmasında kullanılan tarifler bu aşamada farklıdır ve aşağıdaki gibidir.
   4. CdTe tanık örneği için (CdTe biriktirme oranının belirlenmesi için; hem CdTe hem de CdSeTe/CdTe cihaz imalatı için gereklidir), kullanın:
      Ön ısı kaynağında 110 s (bu cdTe düzgün substrat üzerine yüceltmek olacak şekilde ~ 480 °C için cam yükseltir);
      CdTe kaynağında 110 s (bu substrat üzerine CdTe substrat üzerine bu sublimates);
      CdCl₂ kaynak 180 s [CdCl₂ birikimi iyi CdTe cihaz performansı için gereklidir (bu tahıl sınırları ve sarkan bağları pasifize ve polikristalin CdTe emici¹²tahıl büyüme ve hizalama teşvik gösterilmiştir^,13,14^,15,16];
      240 s anneal kaynak (bu emici malzeme içine CdCl₂ sürücüler); Ve
      Soğutma kaynağında 300 s (bu boşaltma için numune soğumasını sağlar).
   5. Bir jilet kullanarak, substrat cdte malzeme küçük bir alan karalamak ve biriktirme oranı¹⁷belirlemek için bir yüzey profilometre kullanarak CdTe film kalınlığı ölçmek.
   6. CdSeTe tanık örneği için (CdSeTe biriktirme oranının belirlenmesi için; sadece CdSeTe/CdTe cihaz imalatı için gereklidir), kullanın:
      140 s ön ısı kaynağında (bu cdSeTe düzgün substrat üzerine yüceltmek olacak şekilde ~ 540 °C için cam yükseltir);
      CdSeTe kaynağında 300 s (bu substrat üzerine CdSeTe substrat üzerine bu sublimates); Ve
      Soğutma kaynağında 300 s.
   7. Bir jilet kullanarak, alt tabaka dan CdSeTe malzeme küçük bir alan karalamak ve biriktirme oranı belirlemek için bir yüzey profilometre kullanarak CdSeTe film kalınlığı ölçmek^17.
   8. İnce tek emici (CdTe numunesi) için şunları kullanın:
      Ön ısı kaynağında 110 s;
      xx s CdTe kaynağında [yaşam süresi CdTe biriktirme hızına ve istenilen kalınlığa bağlıdır (burada kullanılan 1,5 μm tek CdTe emici için, yaşam süresi 60 s)];
      CdCl₂ kaynak150 s [CdCl₂ tedavi emici kalınlığına bağlıdır; bu nedenle, deneyler tedavi koşullarını optimize etmek için yapılmalıdır (listelenen çalışma süreleri ince için optimize edilmiştir, 1.5 μm emiciler¹⁸];
      Anneal kaynakta 240 s; Ve
      Soğutma kaynağında 300 s.
   9. İnce çift katmanlı emici (CdSeTe/CdTe örneği) için şunları kullanın:
      Ön ısı kaynağında 140 s;
      xx s CdSeTe kaynak [tekrar, yaşam süresi CdSeTe biriktirme hızı ve istenen kalınlığa bağlıdır (burada kullanılan 0.5 m CdSeTe tabakası için, yaşam süresi 231 s)];
      xx s CdTe kaynağında [yaşam süresi cdte tanık örneğinin ölçülen kalınlığından hesaplanan istenilen CdTe kalınlığına ve biriktirme oranına bağlıdır (burada kullanılan 1,5 μm çift katmanlı CdSeTe/CdTe emici için, 1,0 μm CdTe tabakası için yaşam süresi 50 s'dir.];
      CdCl₂ kaynak150 s;
      Anneal kaynakta 240 s; Ve
      Soğutma kaynağında 300 s.
   10. Yük kilidi basıncı bilgisayar yazılımında 40 mTorr'un altında okunduğunda, yazılımı kullanarak, yük kilidi kapı vanasını açın ve "Başlat"ı seçin. Program otomatik olarak seçilen tarifi çalışır ve soğutma adımı¹⁰tamamladıktan sonra ev konumuna dönecektir.
   11. Tam biriktirme tamamlandıktan sonra yük kilidi havalandırma vanası açın, atmosfere havalandırma ve son substrat soğutma için yük kilidi kapağını açın. ~60 s'den sonra, substrat tüy bırakmayan bir bezle numune tutucudan çıkaracak kadar soğuk olmalıdır.
   12. Örnek çıkarıldıktan sonra, yük kilidi kapısını kapatın, kaba anahtarı açarak yük kilidini aşağı pompalayın ve bakeoff tarifiçalıştırmak için adım 3.1.5 izleyin. Numune tutucuyu temizlemek için her numune birikimi arasında bir fırın çalıştırılmalıdır.
   13. İşlenen örnek, CdCl₂ tedavisinden film üzerinde beyaz puslu bir tabaka olmalıdır. Pus desenine dikkat çekmek için filmin bir resmini çek. CdCl₂ tedavisinde çok az veya hiç görünür materyal varsa, bu tedavinin optimizasyona ihtiyacı vardır.
   14. Filmdeki fazla CdCl₂ malzemesini DI suyu kullanarak mezun olmuş bir kabın içine durulayın ve filmi sıkıştırılmış argon ile kurulayın.
       DİkKAT: Bu CdCl₂ durulama içerdiği bir muhafaza içinde yapılmalıdır. Tamamlandıktan sonra, CdCl₂/DI su karışımını uygun tehlikeli atık kabına atın.
       NOT: CSS birikiminden sonra, numuneler bir süre saklanabilir, ancak en iyi sonuçlar için en fazla 1 hafta boyunca vakum altında bir kurutucuda saklanmalıdır. Otomatik sıralı CSS biriktirme sisteminin şeması Şekil 2'degösterilmiştir.

4. Yakın alan süblimasyon bakır tedavisi

1. CSS sistemi başlatma
   1. Mekanik ve difüzyon pompalarının açık olduğundan emin olun.
   2. Proses gaz valfi açık ve 40 mTorr çalışma basıncı basınç göstergesi üzerinde görüntülenene kadar gaz akış kontrol tonuzunu manuel olarak ayarlayın.
   3. Orantılı integral-türev (PID) denetleyicilerini kullanarak CSS kaynaklarını el ile ayarlayın ve açın. Bu deneyde kullanılan en yüksek kaynak sıcaklıkları ön ısı kaynağı için 330 °C, CuCl kaynağı için 170 °C ve annelik kaynağı için 200 °C'dir. Alt kaynak sıcaklıkları ön ısı kaynağı için 330 °C, CuCl kaynağı için 190 °C ve annekaynak için 200 °C'dir.
   4. Difüzyon pompası valfini açın ve yük kilidi kapı vanasını manuel olarak kapatın.
2. Emici yapılarda CuCl tedavisi
   1. Kaynaklar çalışma sıcaklığına ulaştığında, numune numune tutucuya yüklenebilir:
      1. Yük kilidi kapısı için topuz gevşetin.
      2. UHP azot delik valfinin dörtte biri dönerek yük kilidini boşaltın.
      3. Yük kilidi kapısını açın ve numunedeki toz parçacıklarını nazikçe çıkarmak için bir el hava üfleyici kullanın. Örnek film tarafını kauçuk uçlu cımbız kullanarak numune tutucunun üzerine yerleştirin ve birikintisi alanını önlemek için numuneyi kenarda tutarak yerleştirin.
      4. Havalandırma vanasını kapatın ve yük kilidi kapısını kapatın ve sıkın.
      5. Yük kilidi pompasını manuel olarak açın ve yük kilidi pompasını crossover basıncının (40 mTorr) altına kilitleyin.
   2. Crossover basıncı elde edildiğinde, yük kilidi pompasını manuel olarak kapatın ve yük kilidi kapı vanasını manuel olarak açın.
   3. Transfer kolunu el ile ön ısıtma, CuCl ve anneal pozisyonlarına sırayla taşıyın. Her pozisyonda ki çalışma süresi için bir zamanlayıcı kullanılır. Açıklanan örnekler için, mesken süreleri sırasıyla ön ısıtma, CuCl ve anneal kaynaklar için 75 s, 5 s ve 250 s'dir.
   4. Annealing adımından sonra, transfer kolunu manuel olarak ev pozisyonuna getirin ve yük kilidi kapı vanasını kapatın.
   5. Örnek değişimi için adım 4.2.1'i izleyin.
      NOT: Önceki bir örneği boşaltırken, büyük olasılıkla sıcaktır. Numuneyi kauçuk uçlu cımbızla çıkarın ve metal bir blokta soğumasını bekleyin (film tarafı yukarı). Cu tedavisinden sonra, numuneler bir süre saklanabilir, ancak en iyi sonuçlar için en fazla 1 hafta boyunca vakum altında bir kurutucu da saklanmalıdır.

5. İnce telluriumun buharlaşma birikimi

1. Evaporatör sistemindeki anahtarları kullanarak mekanik pompayı, foreline valfi ve difüzyon pompasını açın. Difüzyon pompası 20 dakika ısınmak için izin verin.
2. Azot ventvanvanı açarak ve evaporatör haznesini kaldırarak hazneyi boşaltın ve açın. Te'yi alümina kaplı mobibdenum tekneye yükleyin. Buharlaştırıcı haznesini malzeme yüklendikten sonra yerine geri getirin.
3. Kuvars kristal monitör (QCM) panelinde (yoğunluk = 6,25 g/cm³ ve akustik empedans = 9,81 g/cm²s) alüminyum kaplı mobibdenum bir tekneden Te birikimi için uygun ayarları girin.
4. Örnek tutucuya erişmek için odanın üst üst örconu açın. Numunedeki toz parçacıklarını nazikçe çıkarmak için el hava üfleyicikullanın. Örnek film tarafını numune tutucuya yükleyin ve oda üst tarafını kapatın.
5. Kolu el ile kabalama pozisyonuna taşıyın; hem kaba ve oda basıncı okumaları düşmeye başlamalıdır. Basıncın 10 mTorr'un altına düşmesine izin verin.
6. Foreline valfi foreline pozisyonuna geri çevirin. Basınç herhangi bir anlık başak çözülmesi için ~ 30 s bekleyin, sonra yüksek vakum vanası açın. Oda basınç okuyucu stoğunda, 1.0 x 10^-5 Torr'un uygun biriktirme basıncına ulaşılmıştır.
7. Güç düğmesini açın, deklanşörü açın ve biriktirmeye başlamak için geçerli denetimi açın. En uygun akım çalışma aralığı 90-100 AC amperdir, bu da biriktirme oranının ~5-10 Å/s olacaktır. QCM okumada görüntülenen biriktirme oranı hızla değişebilir; bu nedenle, 5-10 Å/s arasındaki oranı korumak için akım biriktirme sırasında sürekli olarak ayarlanmalıdır.
8. QCM istenilen Te kalınlığını (burada kullanılan numuneler için 40 nm) gösterdiğinde, akımı hızlı ve eşzamanlı olarak sıfıra çevirin, güç düğmesini kapatın ve deklanşörü kapatın.
9. Yüksek vakum valfini kapatın, azot ventvalasını açın ve numuneyi numune tutucudan çıkarın. Ek numuneler üzerinde birikintisi için 5.4-5.8 adımlarını tekrarlayın.
   NOT: Te birikiminden sonra, numuneler bir süre saklanabilir, ancak en iyi sonuçlar için en fazla 1 hafta boyunca vakum altında bir kurutucuda saklanmalıdır.

6. Nikel geri temas uygulaması

DİkKAT: Ni boya ve metil etil ketondan (MEK) çıkan dumanlar nedeniyle, bu işlem sırasında havayı çevrimlemek için her zaman havaüstü bir fan çalıştırın.

1. Örnekleri (film tarafı öne bakacak şekilde) dikey bir montaj rafına monte edin.
2. Ni aplikatör silahıboyunca temiz olduğundan emin olun. Değilse, MEK ile temizleyin.
3. Geri temas iletken Ni boya ve 2:1 oranında ince bir karışımıdır. Boyayı uygulamadan önce, tam karıştırma sağlamak için arka temas solüsyonunu sallayın.
4. Ni geri temas çözeltisini aplikatör tabancasına dökün ve bağlı hava kompresörü hortumuna takın. Sprey bir test parçası (yani, karton) boya düzgün uygular sağlamak için. Düzgünse, çözeltiyi numune setine yavaş bir yanal hareketle püskürterek geri teması numunelere uygulayın. Geri temas ın hafifçe kurumasını bekleyin ve tam kapsama alanı için gereken sayıda kez uygulayın (genellikle, beş geçiş iyi çalışır).
   NOT: Ni çözeltisi aplikatör tabancasını kurutabilir ve tıkayabilir; bu nedenle, geri temas uygulaması sırasında tıkanma işlemini önlemek için, püskürtme setleri arasında en fazla 60 s beklemek önemlidir.
5. Hava kompresörü kapatın ve geri temasın numuneler üzerinde en az 1 saat kurumasını bekleyin.

7. 25 küçük alan lı cihaza delineation

NOT: İnce film yapısını elektrikle temas edebilecek cihazlara dönüştürmek için film yığınının TCO ön teması ve Ni arka teması nın elektriksel olarak erişilebilir olması gibi küçük alan aygıtlarına dönüştürülmesi gerekir. Bu yarı iletken mekanik kaldırma ile metal bir maske kullanılarak yapılır.

1. Metal maskenin içine bir örnek yerleştirin.
2. Maskeli numuneyi torpido glovebox'a yerleştirin ve bir sifon hortumu kullanarak cam, boncuklu ortamı numunenin maskesiz kısımlarına uygulayın. Maske pencereleri neredeyse saydam hale geldiğinde uygun malzeme kaldırma sağlanır.
3. Bu işlemi ikinci maskeyle tekrarlayın, böylece, 25 küçük kare cihaz örnek üzerinde 5 x 5 deseninde görünür. Tamamlanan alanlar ~0,6cm 2'dir.
4. Örneklerin film tarafını di suya batırılmış pamuk uçlu bir aplikatörle temizleyin.
5. Bitmiş cihazların elektriksel ölçümlerinde yanal direnci en aza indirmek için, bir indiyum lehim ile cihazlar arasında bir ızgara desen lehim.
   NOT: Tamamlanan cihaz yapıları sırasıyla CdTe ve CdSeTe/CdTe emici cihazlar için Şekil 1A ve Şekil 1B'de verilmiştir.

Sonuçlar

CdSeTe'nin ince bir CdTe emiciye eklenmesi, üstün emici malzeme kalitesi ve daha yüksek kısa devre akım yoğunluğu (J_SC)ile cihaz verimliliğini artırır. Şekil 3A ve Şekil 3B, (Bothwell ve ark.^8'denuyarlanmıştır) tek CdTe emici ve CdSeTe/CdTe çift katmanlı emici cihazlar için sırasıyla PL ve TRPL'yi gösterir. Pl ve TRPL ölçümleri cdseTe/CdTe çift katmanlı emici ile fotolüminesansın iyileştiğini açı...

Tartışmalar

İnce iki katmanlı CdSeTe/CdTe fotovoltaik cihazlar, daha iyi malzeme kalitesi ve artan mevcut koleksiyon nedeniyle CdTe benzerlerine göre verimlilikte iyileşmeler göstermektedir. Bu tür gelişmiş verimlilikler 3 μm^5,7'denbüyük iki katmanlı emicilerde gösterilmiştir ve şimdi optimize edilmiş üretim koşulları yla, 1,5 μm çift katmanlı emiciler için artırılmış verimliliklerin de ulaşılabilir olduğu gösterilmiştir.

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Alpha Step Surface Profilometer	Tencor Instruments	10-00020	Instrument for measuring film thickness
CdCl2 Material	5N Plus	N/A	Material for absorber passivation treatment
CdSeTe Semiconductor Material	5N Plus	N/A	P-type semiconductor material for absorber layer
CdTe Semiconductor Material	5N Plus	N/A	P-type semiconductor material for absorber layer
CESAR RF Power Generator	Advanced Energy	61300050	Power generator for MgZnO sputter deposition
CuCl Material	Sigma Aldrich	N/A	Material for absorber doping
Delineation Material	Kramer Industries Inc.	Melamine Type 3 60-80 mesh	Plastic beading material for film delineation
Glovebox Enclosure	Vaniman Manufacturing Co.	Problast 3	Glovebox enclosure for film delineation
Gold Crystal	Kurt J. Lesker Company	KJLCRYSTAL6-G10	Crystal for Te evaporation thickness monitor
HVLP and Standard Gravity Feed Spray Gun Kit	Husky	HDK00600SG	Applicator spray gun for Ni paint back contact application
MgZnO Sputter Target	Plasmaterials, Inc.	PLA285287489	N-type emitter layer material
Micro 90 Glass Cleaning Solution	Cole-Parmer	EW-18100-05	Solution for initial glass cleaning
NSG Tec10 Substrates	Pilkington	N/A	Transparent-conducting oxide glass for front electrical contact
Super Shield Ni Conductive Coating	MG Chemicals	841AR-3.78L	Conductive paint for back contact layer
Te Material	Sigma Aldrich	MKBZ5843V	Material for back contact layer
Thickness Monitor	R.D. Mathis Company	TM-100	Instrument for programming and monitoring Te evaporation conditions
Thinner 1	MG Chemicals	4351-1L	Paint thinner to mix with Ni for back contact layer
Ultrasonic Cleaner 1	L & R Electronics	Q28OH	Ultrasonic cleaner 1 for glass cleaning
Ultrasonic Cleaner 2	Ultrasonic Clean	100S	Ultrasonic cleaner 2 for glass cleaning
UV/VIS Lambda 2 Spectrometer	PerkinElmer	166351	Spectrometer used for transmission measurements on CdSeTe films