Artículo de método

Células solares Ultra-Thin CdSeTe/CdTe depositadas en el espacio cercano para mejorar la densidad de corriente de cortocircuito y la fotoluminiscencia

DOI:

10.3791/60937

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6 de marzo de 2020

 ,  ,  , 
1Department of Physics, Colorado State University

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo describe el proceso completo de fabricación de dispositivos fotovoltaicos de temidio de selenio de cadmio delgado para una mayor eficiencia. El proceso utiliza un sistema de vacío en línea automatizado para la deposición de sublimación de espacio cercano que es escalable, desde la fabricación de dispositivos de investigación de área pequeña, así como módulos a gran escala.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los avances en las arquitecturas de dispositivos fotovoltaicos son necesarios para hacer de la energía solar una fuente rentable y fiable de energía renovable en medio de las crecientes demandas energéticas mundiales y el cambio climático. La tecnología CdTe de película delgada ha demostrado la competitividad de los costos y el aumento de la eficiencia debido en parte a los tiempos de fabricación rápidos, el uso mínimo de material es decir, la introducción de una aleación CdSeTe en una capa absorbente de 3 m. Este trabajo presenta la fabricación de sublimación de espacio cercano de dispositivos bicapa CdSeTe/CdTe delgados de 1,5 m utilizando un sistema automatizado de deposición de vacío en línea. La delgada estructura bicapa y la técnica de fabricación minimizan el tiempo de deposición, aumentan la eficiencia del dispositivo y facilitan el desarrollo futuro de la arquitectura de dispositivos basados en absorbentes delgados. Tres parámetros de fabricación parecen ser los más impactantes para optimizar los dispositivos absorbentes delgados CdSeTe/CdTe: temperatura de precalentamiento del sustrato, relación de espesor CdSeTe:CdTe y pasivación CdCl2. Para una sublimación adecuada del CdSeTe, la temperatura del sustrato antes de la deposición debe ser de 540 oC (superior a la de CdTe) controlada por el tiempo de permanencia en una fuente de precalentamiento. La variación en la relación de espesor CdSeTe:CdTe revela una fuerte dependencia del rendimiento del dispositivo en esta relación. Los espesores óptimos del absorbedor son de 0,5 m CdSeTe/1,0 m de CdTe, y las relaciones de espesor no optimizadas reducen la eficiencia a través de efectos de barrera inversa. Los absorbedores delgados son sensibles a la variación de pasivación de CdCl2; un tratamiento cdCl2 mucho menos agresivo (en comparación con los absorbedores más gruesos) con respecto a la temperatura y el tiempo produce un rendimiento óptimo del dispositivo. Con condiciones de fabricación optimizadas, CdSeTe/CdTe aumenta la densidad de corriente de cortocircuito del dispositivo y la intensidad de la fotoluminiscencia en comparación con el CdTe de un solo absorbedor. Además, un sistema de deposición de vacío de sublimación de espacio cerrado en línea ofrece reducción de material y tiempo, escalabilidad y logro de futuras arquitecturas de absorbedor ultrafino.

Introducción

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La demanda mundial de energía se está acelerando rápidamente, y el año 2018 demostró el más rápido ( 2,3%) tasa de crecimiento en la última década1. Junto con una creciente conciencia de los efectos del cambio climático y la quema de combustibles fósiles, la necesidad de energía sabastecada, limpia y renovable se ha vuelto muy clara. De las muchas fuentes de energía renovables, la energía solar es distintiva por su potencial total, ya que la cantidad de energía solar que llega a la tierra supera con creces el consumo energético mundial2.

Los dispositivos fotovoltaicos (PV) convierten directamente la energía solar en energía eléctrica y son versátiles en escalabilidad (por ejemplo, minimódulos de uso personal y paneles solares integrados en la red) y tecnologías de materiales. Tecnologías como las células solares de araruro de galio de un solo cristal y de un solo cristal (GaAs) tienen eficiencias que alcanzan el 39,2% y el 35,5%, respectivamente3. Sin embargo, la fabricación de estas células solares de alta eficiencia es costosa y requiere mucho tiempo. El telluriuro de cadmio policristalino (CdTe) como material para PV de película delgada es ventajoso por su bajo costo, fabricación de alto rendimiento, variedad de técnicas de deposición y coeficiente de absorción favorable. Estos atributos hacen que el CdTe sea propicio para la fabricación a gran escala, y las mejoras en la eficiencia han hecho que el CdTe sea competitivo en cuanto a silicio y combustibles fósiles4.

Un avance reciente que ha impulsado el aumento en la eficiencia del dispositivo CdTe es la incorporación de material de aleación de tetriuro de selenio de cadmio (CdSeTe) en la capa absorbente. La integración del material CdSeTe de la banda más baja de 1,4 eV en un absorbedor CdTe de 1,5 eV reduce la separación de la banda frontal del absorbedor bicapa. Esto aumenta la fracción de fotones por encima de la brecha de banda y, por lo tanto, mejora la colección actual. Se ha demostrado la incorporación exitosa de CdSeTe en absorbentes de 3 m o más gruesos para aumentar la densidad de corriente con diversas técnicas de fabricación (es decir, sublimación de espacio cercano, deposición de transporte de vapor y electroplacado)5,6,7. El aumento de la espectroscopia de emisión de fotoluminiscencia de temperatura ambiente (PL), la fotoluminiscencia resuelta en el tiempo (TRPL) y las señales de electroluminiscencia de los dispositivos absorbentes bicapa5,8 indican que, además del aumento de la recolección de corriente, el CdSeTe parece tener una mejor eficiencia radiativa y una vida útil del portador de minorías, y un dispositivo CdSeTe/CdTe tiene un voltaje más grande que el ideal que con CdTe solamente. Esto se ha atribuido en gran medida a la pasivación de selenio de defectos a granel9.

Se han reportado poca investigación sobre la incorporación de CdSeTe en absorbentes de CdTe más delgados (1,5 m). Por lo tanto, hemos investigado las características de los dispositivos delgados de 0,5 m CdSeTe/1,0 m CdTe bilayer-absorber fabricados por sublimación de espacio cercano (CSS) para determinar si los beneficios vistos en absorbentes bicapa gruesa también son alcanzables con absorbentes bicapa delgada. Estos absorbedores CdSeTe/CdTe, más del doble de delgados que sus homólogos más gruesos, ofrecen una notable disminución en el tiempo de deposición y el material y menores costos de fabricación. Por último, tienen potencial para futuros desarrollos de arquitectura de dispositivos que requieren espesores de absorbedor de menos de 2 m.

La deposición CSS de absorbentes en un único sistema de vacío en línea automatizado ofrece muchas ventajas sobre otros métodos de fabricación10,11. Las tasas de deposición más rápidas con la fabricación CSS aumentan el rendimiento del dispositivo y promueven conjuntos de datos experimentales más grandes. Además, el entorno de vacío único del sistema CSS en este trabajo limita los desafíos potenciales con las interfaces absorbentes. Los dispositivos fotovoltaicos de película delgada tienen muchas interfaces, cada una de las cuales puede actuar como un centro de recombinación para electrones y agujeros, reduciendo así la eficiencia general del dispositivo. El uso de un único sistema de vacío para las deposiciones de CdSeTe, CdTe y cloruro de cadmio (CdCl2) (necesario para una buena calidad de absorbedor12,13,14,15,16) puede producir una mejor interfaz y reducir los defectos interfaciales.

El sistema de vacío automatizado en línea desarrollado en la Universidad Estatal de Colorado10 también es ventajoso en su escalabilidad y repetibilidad. Por ejemplo, los parámetros de deposición se establecen por el usuario y el proceso de deposición se automatiza de forma que el usuario no necesite realizar ajustes durante la fabricación del absorbedor. Aunque los dispositivos de investigación de área pequeña se fabrican en este sistema, el diseño del sistema se puede escalar verticalmente para obtener deposiciones de área más grandes, lo que permite un vínculo entre la experimentación a escala de investigación y la implementación a escala de módulos.

Este protocolo presenta los métodos de fabricación utilizados para fabricar dispositivos fotovoltaicos de película delgada CdTe de 0,5 m cdseTe/1.0-m. Para la comparación, se fabrica un conjunto de dispositivos CdTe de 1,5 m. Las estructuras absorbentes individuales y bicapatienen condiciones de deposición nominalmente idénticas en todos los pasos del proceso, excluyendo la deposición de CdSeTe. Para caracterizar si los absorbedores delgados CdSeTe/CdTe conservan los mismos beneficios demostrados por sus contrapartes más gruesas, las mediciones de voltaje de densidad de corriente (J-V), eficiencia cuántica (QE) y PL se realizan en los dispositivos absorbentes delgados de una y dos capas. Un aumento en la densidad de corriente de cortocircuito (JSC) medido por J-V y QE, además de un aumento en la señal PL para el CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indique que los dispositivos Delgados CdSeTe/CdTe fabricados por CSS muestran una mejora notable en la recolección actual, la calidad del material y la eficiencia del dispositivo.

Aunque este trabajo se centra en los beneficios asociados con la incorporación de una aleación CdSeTe en una estructura de dispositivos fotovoltaicos CdTe, el proceso de fabricación completo para dispositivos CdTe y CdSeTe/CdTe se describe posteriormente en su totalidad. La Figura 1A,B muestra las estructuras completas del dispositivo para dispositivos CdTe y CdSeTe/CdTe respectivamente, compuestas por un sustrato de vidrio recubierto de óxido conductor transparente (TCO), capa de emisor de óxido de zinc de magnesio de tipo n (MgZnO), tipo p CdTe o absorbedor CdSeTe/CdTe con tratamiento CdCl2 y tratamiento de dopaje de cobre, capa de Te delgada y contacto posterior de níquel. Excluyendo la deposición del absorbedor CSS, las condiciones de fabricación son idénticas entre la estructura única y la estructura bicapa. Por lo tanto, a menos que se indique lo contrario, cada paso se realiza en las estructuras CdTe y CdSeTe/CdTe.

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Protocolo

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ADVERTENCIA: Se deben usar guantes al manipular sustratos para evitar la contaminación de la película y el contacto entre material y piel. Este proceso de fabricación requiere el manejo de estructuras que contienen compuestos de cadmio; por lo tanto, se debe usar una capa de laboratorio y guantes en el laboratorio en todo momento.

1. Limpieza de sustratos

  1. Coloque los sustratos de vidrio recubiertos con TCO (9,1 cm x 7,8 cm) en un bastidor de acero inoxidable con un amplio espacio para que la solución de limpieza y el aire comprimido se puedan aplicar a cada cara de vidrio.
  2. Soplar cualquier polvo de los sustratos usando una manguera de aire comprimido de nitrógeno.
  3. Coloque el bastidor en un limpiador ultrasónico (UC1) y llene con alcohol isopropílico (IPA). Deje sentarse durante 30 minutos para eliminar el aceite residual y los contaminantes del proceso de corte de vidrio industrial.
  4. Drenar el IPA de UC1. El IPA se puede reutilizar hasta 5 veces para la limpieza inicial de sustratos.
  5. Enjuagar los sustratos con agua desionizada (DI), luego llenar UC1 con agua DI aproximadamente 1 cm por encima del borde superior de los sustratos. Agregue 200 ml de solución de limpieza concentrada uniformemente a través de los sustratos para eliminar aún más el aceite residual, la grasa, las partículas o las manchas de agua dura.
  6. Usando la potencia principal, encienda la frecuencia ultrasónica UC1 a 43 kHz y la potencia de 425 W y deje que los sustratos se sentédurante durante 1 h.
  7. Enjuague un segundo limpiador ultrasónico más grande (UC2) con agua DI y llene tres cuartas partes de su volumen con agua DI.
  8. Apague UC1 y retire el bastidor de acero inoxidable. Inmediatamente comience a enjuagar sustratos con agua DI sobre un fregadero.
    NOTA: No deje que los sustratos se sequen en esta etapa.
  9. Transfiera el bastidor de acero inoxidable a UC2 y llene completamente con agua DI de tal forma que los sustratos estén completamente cubiertos. Encienda la frecuencia ultrasónica UC2 a 40 kHz y la potencia de 600 W y deje que los sustratos se sentédurante durante 30 minutos.
  10. Prepara el secador de vapor IPA casero.
    1. Asegurando que la válvula esté cerrada, conecte una manguera de gas a nitrógeno de ultra alta pureza (UHP). Abra el tanque de nitrógeno y ajuste el regulador a 10 psi. Abra la válvula al flujo de nitrógeno y ajuste a 100 PSIG en el medidor de flujo conectado y, a continuación, vuelva a cerrar la válvula.
    2. Llene un matraz con 150 ml de IPA fresco y corcho firmemente el matraz. El corcho sella firmemente la abertura del matraz mientras permite que el nitrógeno y el IPA pasen a través de dos pequeños sistemas de tuberías metálicas incrustadas en el corcho. Estos se conectan a un pequeño sistema de tuberías metálicas con agujeros finos, que se encuentra por encima de UC2 de tal forma que el vapor de nitrógeno/IPA es incidente en los sustratos.
  11. Cuando termine el ciclo de enjuague UC2, apague el fuego y UC2.
  12. Abra la válvula de la secadora de vapor al nitrógeno y al IPA y abra la válvula de drenaje en UC2 de tal forma que el agua DI salga muy lentamente.
    NOTA: El agua DI debe drenarse muy lentamente. Este proceso reemplaza el agua DI con vapor de nitrógeno/IPA para evitar que se formen manchas de agua en los sustratos. Esto debe tomar 1–2 h para 30.000 cm3 de agua.
  13. Cuando se drene por completo, retire el bastidor de UC2 y cierre la válvula de la secadora de vapor.
  14. Almacenar en un entorno limpio y contenido para su uso futuro.
    NOTA: Los sustratos limpios se pueden dejar en este entorno indefinidamente, siempre y cuando permanezcan limpios. Inspeccione los sustratos limpios antes de su uso posterior para asegurarse de que no necesitan someterse de nuevo al proceso de limpieza.

2. Deposición de espumosa de la capa de óxido de zinc de magnesio

NOTA: Este proceso de deposición de esputo sputter MgZnO utiliza un magnetrón desequilibrado y un objetivo de 4" de diámetro, 0,25" de espesor con una distancia de objetivo a sustrato de 15 cm. El objetivo es 99.99% pureza (MgO)11(ZnO)89 por ciento de peso.

  1. Puesta en marcha del sistema Sputter
    1. Encienda la bomba mecánica y la válvula de línea, seguido de la bomba de difusión para la cámara de esputo. Asegúrese de que el agua de refrigeración objetivo esté encendida y de que las válvulas mecánicas del agua de refrigeración objetivo estén abiertas.
    2. Encienda la bomba de bloqueo de carga con el interruptor de la bomba.
    3. Deje que la bomba de difusión se caliente durante 15 minutos.
    4. Compruebe la presión de la cámara en el manómetro: si está por debajo de 2,0 x 10-1 Torr, abra la válvula de compuerta de la bomba de difusión. Si la presión es superior a 2,0 x 10-1 Torr, cambie la válvula de línea para cerrar y abra la válvula de desbaste hasta que la presión caiga. A continuación, el interruptor cerró la válvula de desbaste, abrió la línea de ajuste y abrió manualmente la válvula de compuerta de la bomba de difusión.
    5. En el software del ordenador, establezca la presión de funcionamiento en 5 mTorr y haga clic en "gas enable", que permite el flujo de gas. El flujo debe ser de 19 a 20 sccm y oxígeno establecido en el 3% del flujo total con la balanza como argón en el software.
    6. Deje que la cámara bombee durante 10 minutos.
    7. Compruebe que la presión base está por debajo de 1,0 x 10-5 Torr en la lectura del medidor iónico.
    8. Asegúrese de que el brazo de transferencia esté completamente retraído de la cámara (mire a través de la ventana gráfica de la cámara para asegurarse de que el soporte de la muestra no está en la cámara) y cambie la válvula de la puerta de bloqueo de carga cerrada.
    9. Asegúrese de que el obturador está cerrado: esto se puede comprobar mirando a través de la ventana de la ventana gráfica para ver que está directamente por encima del cátodo sputter.
    10. En la fuente de alimentación, ajuste la potencia del generador de RF a 60 W. En el software de la computadora aumentar la presión a 15 mTorr para la ignición por plasma, encender la potencia de RF, y una vez que el plasma se ha encendido, reducir la presión de nuevo a 5 mTorr en el software. El poder reflejado debe ser de 1–2 W. Si es mucho más alto, la red de coincidencia RF se debe ajustar.
    11. El objetivo debe calentarse para evitar agrietamiento: aumente la potencia del generador de energía RF a una velocidad de 20 W/min hasta alcanzar una potencia final de 140 W. La potencia reflejada debería ser idealmente <5% de la potencia real. Permita que el objetivo se pre-espute con el obturador cerrado durante 15 minutos.
  2. Declaración del sputter de MgZnO
    1. Para calibrar la tasa de deposición, se debe fabricar una muestra de testigo. Utilice un marcador permanente para dibujar una línea de 0,2 cm (longitud) en el lado recubierto de TCO de un sustrato limpio.
    2. Asegúrese de que la válvula de la puerta de bloqueo de carga esté cerrada, luego afloje y abra la perilla de la puerta de bloqueo de carga. Ventile el bloqueo de carga con un cuarto de vuelta de la válvula de ventilación de nitrógeno UHP hasta que la puerta de bloqueo de carga se afloje. Mantenga la válvula de ventilación parcialmente abierta para purgar el bloqueo de carga mientras la puerta está abierta.
    3. Utilice un soplador de aire de mano para eliminar suavemente cualquier partícula de polvo del sustrato limpio recubierto de TCO. Retire cualquier sustrato en el soporte de la muestra y cargue el sustrato limpio TCO de lado a lado usando un par de pinzas con punta de goma. Sostenga la muestra en el borde para evitar el área de deposición.
    4. Cierre y apriete la puerta de bloqueo de carga. Encienda la bomba de bloqueo de carga y cierre la válvula de ventilación de nitrógeno.
    5. Bombee el bloqueo de carga hasta que el manómetro de bloqueo de carga se lea por debajo de 5.0 x 10-2 Torr. A continuación, apague la bomba de bloqueo de carga y abra la puerta de bloqueo de carga (la presión no debe aumentar por encima de 7 mTorr). Espere a que la presión se nivele e inserte manualmente el brazo de transferencia de modo que la muestra se sitúe por encima del cátodo cerrado.
    6. Ajuste el tiempo de deposición deseado en un temporizador y comience la sincronización a medida que se abre manualmente el obturador. Cierre inmediatamente el obturador mientras se apaga el temporizador.
    7. Retraiga manualmente el brazo de transferencia por completo y cierre la puerta de bloqueo de carga.
    8. Quite o cambie el ejemplo siguiendo los pasos 2.2.2–2.2.5.
    9. Para obtener la tasa de deposición de MgZnO, retire el marcador permanente de la muestra testigo con un aplicador con punta de algodón sumergido en metanol. Mida el espesor utilizando un perfilómetro17 y establezca los tiempos de deposición posteriores para el espesor MgZnO deseado (100 nm para las muestras presentadas en este trabajo).
    10. Repita la deposición para tantas muestras como desee.
      NOTA: Después de la deposición de MgZnO, las muestras se pueden almacenar durante algún tiempo. A riesgo de oxidación, se recomienda que se almacenen en un desecador al vacío durante no más de 1 semana para obtener mejores resultados.

3. Deposición de sublimación de espacio cercano y tratamiento de capas absorbentes

  1. Puesta en marcha del sistema CSS
    1. Asegúrese de que 1) el sistema está en vacío, 2) las bombas mecánicas y de difusión están encendidas, 3) la válvula de compuerta de bloqueo de carga está abierta a la cámara, y 4) la presión se establece en 40 mTorr.
    2. Abra manualmente la válvula de flujo de gas (98% N2 y 2% O2)y seleccione "Gas enable" en el software del ordenador. La presión debe estabilizarse alrededor de 40 mTorr.
    3. Encienda el analizador de gas residual (RGA) abriendo la válvula RGA y conectándose al programa de software. Esto es necesario para rastrear los niveles de agua, oxígeno, nitrógeno e hidrógeno en el sistema. Estos niveles son típicamente alrededor de 4.5 x 10-9, 2.5 x 10-8, 2.3 x 10-6, y 8.0 x 10-10 Torr para cada uno, respectivamente.
    4. Lleve las fuentes superior e inferior del sistema CSS a temperaturas de funcionamiento en el programa informático. Las temperaturas de la fuente superior se establecen en 620 oC para el precalentamiento, 360 oC para CdTe, 420 oC para CdSe20Te80, 387 oC para CdCl2, 400 oC para anneal y 620 oC para el horno. Las temperaturas de la fuente inferior se establecen en 620 oC para el precalentamiento, 555 oC para CdTe, 545 oC para CdSe20Te80, 439 oC para CdCl2, 400 oC para anneal y 620 oC para el horno. Estos diferenciales de temperatura promueven la sublimación de las fuentes inferiores a superiores, de modo que el material se sublima sobre la muestra, situada entre las fuentes.
    5. Cuando las fuentes hayan alcanzado las temperaturas de funcionamiento, ejecute el portamuestras a través de la receta de bakeoff: en el software, seleccione "Bakeoff" en la lista de recetas y haga clic en "Ejecutar". Esto moverá automáticamente el brazo de transferencia de forma que el soporte de la muestra permanezca en la fuente de horneado durante 480 s. Esto calienta el soporte de la muestra y hornea cualquier exceso de material.
    6. Después de que el brazo de transferencia retraiga automáticamente el soporte de la muestra a la posición de inicio y cierre la válvula de compuerta, desahogue el bloqueo de carga abriendo la válvula de ventilación de nitrógeno UHP. Cuando esté ventilado, abra la puerta de bloqueo de carga y cierre la válvula de ventilación.
  2. Deposición CSS y tratamiento de pasivación de absorbentes
    1. Utilice un soplador de aire de mano para eliminar suavemente cualquier partícula de polvo del sustrato limpio recubierto con MgZnO/TCO y cargue el sustrato en el soporte de la muestra (mgZnO lado hacia abajo).
    2. Cierre la puerta de bloqueo de carga y bombee la cerradura de carga encendiendo el interruptor de desbaste de bloqueo de carga.
    3. Mientras bombea hacia abajo, ingrese la receta deseada para la deposición CSS en el programa de computadora. Las recetas utilizadas para preparar las estructuras CdTe y CdSeTe/CdTe son diferentes en esta etapa y son las siguientes.
    4. Para la muestra testigo de CdTe (para la determinación de la tasa de deposición de CdTe; necesaria para la fabricación de dispositivos CdTe y CdSeTe/CdTe), utilice:
      110 s en fuente de precalentamiento (esto eleva el vidrio a 480 oC de tal manera que CdTe se sublimará correctamente sobre el sustrato);
      110 s en fuente de CdTe (esto sublima CdTe sobre el sustrato);
      180 s en la fuente CdCl2 [la deposición cdCl2 es necesaria para un buen rendimiento del dispositivo CdTe (se ha demostrado que pasiva los límites de grano y los enlaces colgantes y promueve el crecimiento y alineación del grano en el absorbedor de CdTe policristalino12,13,14,15,16)];
      240 s en fuente (esto impulsa el CdCl2 en el material absorbente); Y
      300 s en fuente de refrigeración (esto permite que la muestra se enfríe para descargarla).
    5. Usando una cuchilla de afeitar, escriba un área pequeña de material CdTe fuera del sustrato y mida el espesor de la película CdTe usando un perfilómetro de superficie para determinar la tasa de deposición17.
    6. Para la muestra testigo de CdSeTe (para la determinación de la tasa de deposición de CdSeTe; necesaria únicamente para la fabricación de dispositivos CdSeTe/CdTe), utilice:
      140 s en fuente de precalentamiento (esto eleva el vidrio a 540 oC de tal manera que CdSeTe se sublimará correctamente sobre el sustrato);
      300 s en fuente CdSeTe (esto sublima CdSeTe sobre el sustrato); Y
      300 s en fuente de refrigeración.
    7. Usando una cuchilla de afeitar, escriba un área pequeña de material CdSeTe fuera del sustrato y mida el espesor de la película CdSeTe usando un perfilómetro de superficie para determinar la tasa de deposición17.
    8. Para el absorbedor único delgado (muestra CdTe), utilice:
      110 s en fuente de precalentamiento;
      xx s en la fuente de CdTe [el tiempo de permanencia depende de la tasa de deposición de CdTe y el espesor deseado (para el absorbedor de CdTe único de 1,5 m utilizado aquí, el tiempo de permanencia es de 60 s)];
      150 s en la fuente CdCl2 [el tratamiento cdCl2 depende del espesor del absorbedor; por lo tanto, los experimentos deben llevarse a cabo para optimizar las condiciones de tratamiento (los tiempos de permanencia enumerados están optimizados para absorbentes delgados de 1,5 m18)];
      240 s en fuente anal; Y
      300 s en fuente de refrigeración.
    9. Para el absorbedor de bicapa delgada (ejemplo CdSeTe/CdTe), utilice:
      140 s en fuente de precalentamiento;
      xx s en la fuente CdSeTe [de nuevo, el tiempo de permanencia depende de la tasa de deposición de CdSeTe y el espesor deseado (para la capa CdSeTe de 0,5 m utilizada aquí, el tiempo de permanencia es de 231 s)];
      xx s en la fuente de CdTe [el tiempo de permanencia depende del espesor de CdTe deseado y la tasa de deposición calculada a partir del espesor medido de la muestra testigo de CdTe (para el absorbedor bicapa CdSeTe/CdTe de 1,5 m utilizado aquí, el tiempo de permanencia es de 50 s para una capa de CdTe de 1,0 m)];
      150 s en fuente CdCl2;
      240 s en fuente anal; Y
      300 s en fuente de refrigeración.
    10. Cuando la presión de bloqueo de carga se lee por debajo de 40 mTorr en el software del ordenador, utilizando el software, abra la válvula de compuerta de bloqueo de carga y seleccione "Iniciar". El programa ejecuta automáticamente la receta seleccionada y volverá a la posición de inicio al completar el paso de enfriamiento10.
    11. Después de que la deposición completa sea completa, abra la válvula de ventilación de bloqueo de carga, ventile a la atmósfera y abra la puerta de bloqueo de carga para la refrigeración del sustrato final. Después de 60 s, el sustrato debe estar lo suficientemente fresco como para retirarse del soporte de la muestra con un paño libre de pelusas.
    12. Una vez retirada la muestra, cierre la puerta de bloqueo de carga, bombee la cerradura de carga encendiendo el interruptor de desbaste y siga el paso 3.1.5 para ejecutar la receta de horneado. Se debe ejecutar un bakeoff entre cada deposición de muestra para limpiar el soporte de la muestra.
    13. La muestra procesada debe tener una capa brumosa blanca en la película del tratamiento con CdCl2. Tome una foto de la película para anotar el patrón de neblina. Si hay poco o ningún material visible del tratamiento con CdCl2, este tratamiento probablemente necesita optimización.
    14. Enjuague el exceso de material CdCl2 de la película en un vaso de precipitados graduado con agua DI y seque la película con argón comprimido.
      ADVERTENCIA: Este enjuague CdCl2 debe realizarse en un recinto contenido. Una vez completado, deseche la mezcla de agua CdCl2/DIen el contenedor de residuos peligrosos adecuado.
      NOTA: Después de la deposición de CSS, las muestras se pueden almacenar durante algún tiempo, pero se recomienda que se almacenen en un desecador al vacío durante no más de 1 semana para obtener mejores resultados. En la Figura 2se muestra un esquema del sistema automatizado de deposición CSS en línea.

4. Tratamiento de cobre de sublimación de espacio cercano

  1. Puesta en marcha del sistema CSS
    1. Asegúrese de que las bombas mecánicas y de difusión estén encendidas.
    2. Abra la válvula de gas de proceso y ajuste manualmente la perilla de control de flujo de gas hasta que se muestre la presión de funcionamiento de 40 mTorr en el manómetro.
    3. Establezca y encienda manualmente las fuentes CSS utilizando controladores proporcional-integral-derivados (PID). Las temperaturas de origen superiores utilizadas en este experimento son de 330 oC para la fuente de precalentamiento, de 170 oC para la fuente CuCl y de 200 oC para la fuente de recocido. Las temperaturas de la fuente inferior son de 330 oC para la fuente de precalentamiento, 190 oC para la fuente CuCl y 200 oC para la fuente de recocido.
    4. Encienda la válvula de la bomba de difusión y cierre manualmente la válvula de compuerta de bloqueo de carga.
  2. Tratamiento CuCl en estructuras absorbentes
    1. Cuando las fuentes hayan alcanzado la temperatura de funcionamiento, la muestra se puede cargar en el soporte de la muestra:
      1. Afloje la perilla de la puerta de bloqueo de carga.
      2. Ventile el bloqueo de carga con un cuarto de vuelta de la válvula de ventilación de nitrógeno UHP.
      3. Abra la puerta de bloqueo de carga y utilice un soplador de aire de mano para eliminar suavemente las partículas de polvo de la muestra. Coloque el lado de la película de muestra hacia abajo en el soporte de la muestra con un par de pinzas con punta de goma, sosteniendo la muestra en el borde para evitar el área de deposición.
      4. Cierre la válvula de ventilación y cierre y apriete la puerta de bloqueo de carga.
      5. Abra manualmente la bomba de bloqueo de carga y deje que la bomba de bloqueo de carga esté por debajo de la presión de cruce (40 mTorr).
    2. Cuando se obtenga la presión de cruce, cierre manualmente la bomba de bloqueo de carga y abra manualmente la válvula de compuerta de bloqueo de carga.
    3. Mueva manualmente el brazo de transferencia en las posiciones de precalentamiento, CuCl y anneal secuencialmente. Se utiliza un temporizador para el tiempo de permanencia en cada posición. Para las muestras descritas, los tiempos de permanencia son 75 s, 5 s y 250 s para las fuentes de precalentamiento, CuCl y anneal, respectivamente.
    4. Después del paso de recocido, lleve manualmente el brazo de transferencia de nuevo a la posición de inicio y cierre la válvula de compuerta de bloqueo de carga.
    5. Siga el paso 4.2.1 para intercambiar muestras.
      NOTA: Al descargar una muestra anterior, es probable que esté caliente. Retire la muestra con un par de pinzas con punta de goma y déjela enfriar (lado de película hacia arriba) en un bloque de metal. Después del tratamiento con Cu, las muestras se pueden almacenar durante algún tiempo, pero se recomienda que se almacenen en un desecador al vacío durante no más de 1 semana para obtener mejores resultados.

5. Deposición por evaporación de telurio delgado

  1. Encienda la bomba mecánica, la válvula de línea de juego y la bomba de difusión con interruptores en el sistema del evaporador. Deje que la bomba de difusión se caliente durante 20 minutos.
  2. Ventile y abra la cámara abriendo la válvula de ventilación de nitrógeno y levantando la cámara del evaporador. Cargue el Te en el barco de molibdeno recubierto de alúmina. Vuelva a colocar la cámara del evaporador en su lugar después de cargar el material.
  3. Introduzca los ajustes adecuados para la deposición de Te desde una embarcación de molibdeno recubierta de alúmina en el panel del monitor de cristal de cuarzo (QCM) (densidad de 6,25 g/cm3 e impedancia acústica a 9,81 g/cm2s).
  4. Abra la parte superior de la cámara para acceder al soporte de la muestra. Utilice un soplador de aire de mano para eliminar suavemente cualquier partícula de polvo de la muestra. Cargue el lado de la película de muestra hacia abajo en el soporte de la muestra y cierre la parte superior de la cámara.
  5. Mueva manualmente la palanca en la posición de desbaste; tanto las lecturas de desbaste como las lecturas de presión de la cámara deben comenzar a bajar. Deje que la presión caiga por debajo de 10 mTorr.
  6. Vuelva a colocar la válvula de línea a la posición del borde. Espere 30 s para que se resuelva cualquier pico momentáneo de presión y, a continuación, abra la válvula de vacío alto. Cuando el lector de presión de la cámara se ha basado, se ha alcanzado la presión de deposición adecuada de 1,0 x 10-5 Torr.
  7. Encienda el interruptor de encendido, abra el obturador y suba el control actual para comenzar la deposición. El rango de funcionamiento de corriente óptimo es de 90-100 amperios de CA, de tal manera que la velocidad de deposición será de 5 a 10 euros/ s. La tasa de deposición, que se muestra en la lectura de QCM, puede cambiar rápidamente; por lo tanto, la corriente debe ajustarse continuamente durante la deposición para mantener la tasa entre 5-10 o/s.
  8. Cuando el QCM muestre el espesor Te deseado (40 nm para las muestras utilizadas aquí), gire rápida y simultáneamente la corriente a cero, apague el interruptor de alimentación y cierre el obturador.
  9. Cierre la válvula de vacío alto, abra la válvula de ventilación de nitrógeno y retire la muestra del soporte de la muestra. Repita los pasos 5.4–5.8 para la deposición en muestras adicionales.
    NOTA: Después de la deposición de Te, las muestras se pueden almacenar durante algún tiempo, pero se recomienda que se almacenen en un desecador al vacío durante no más de 1 semana para obtener mejores resultados.

6. Aplicación de contacto posterior de níquel

ADVERTENCIA: Debido a los humos de la pintura Ni y la cetona de etilo metílico metílico (MEK), siempre ejecute un ventilador superior para ciclo de aire durante este proceso.

  1. Monte las muestras (lado de película mirando hacia adelante) en un estante de montaje vertical.
  2. Asegúrese de que la pistola aplicador Ni esté limpia en todas las instalaciones. Si no es así, límpielo con MEK.
  3. El contacto posterior es una mezcla de pintura Ni conductiva y diluyente en una proporción de 2:1. Antes de aplicar la pintura, agitar la solución de contacto posterior para asegurar una mezcla completa.
  4. Vierta la solución de contacto posterior Ni en la pistola aplicadora y encienda la manguera del compresor de aire conectado. Rocíe una pieza de prueba (es decir, cartón) para asegurarse de que la pintura se aplica uniformemente. Si es uniforme, aplique el contacto posterior a las muestras pulverizando la solución a través del conjunto de muestras con un movimiento lateral lento. Permita que el contacto posterior se seque ligeramente y aplique tantas veces como sea necesario para una cobertura completa (normalmente, cinco pasadas funcionan bien).
    NOTA: La solución Ni puede secar y obstruir la pistola aplicador; por lo tanto, para evitar un proceso de desobstrucción durante la aplicación de contacto posterior, es importante esperar no más de 60 s entre conjuntos de pulverización.
  5. Apague el compresor de aire y deje que el contacto posterior se seque en las muestras durante al menos 1 h.

7. Delineación en 25 dispositivos de área pequeña

NOTA: Para terminar la estructura de película delgada en dispositivos con contacto eléctrico, la pila de película debe delinearse en dispositivos de área pequeña, de modo que el contacto frontal tCO y el contacto posterior de Ni sean accesibles eléctricamente. Esto se hace usando una máscara de metal con la eliminación mecánica del semiconductor.

  1. Coloque una muestra en la máscara de metal.
  2. Coloque la muestra enmascarada en la guantera y utilice una manguera de sifón, aplique el vidrio, los medios con cuentas a las partes desenmascaradas de la muestra. La eliminación adecuada del material se logra cuando las ventanas de la máscara se vuelven casi transparentes.
  3. Repita este proceso con la segunda máscara de modo que al completar la delineación, 25 dispositivos cuadrados de área pequeña aparezcan en un patrón de 5 x 5 en la muestra. Las superficies completadas son de 0,6 cm2.
  4. Limpie el lado de la película de las muestras con un aplicador con punta de algodón sumergido en agua DI.
  5. Para minimizar la resistencia lateral en las mediciones eléctricas de los dispositivos terminados, soldar un patrón de rejilla entre los dispositivos con una soldadura de indio.
    NOTA: Las estructuras de dispositivos completadas se indican en la Figura 1A y la Figura 1B para los dispositivos absorbentes CdTe y CdSeTe/CdTe, respectivamente.

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Resultados

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La adición de CdSeTe a un absorbedor CdTe delgado mejora la eficiencia del dispositivo a través de una calidad de material absorbente superior y una mayor densidad de corriente de cortocircuito (JSC). La Figura 3A y la Figura 3B, (adaptada de Bothwell et al.8) muestran PL y TRPL, respectivamente, para el absorbedor único CdTe y los dispositivos absorbentes bicapa CdSeTe/CdTe. Las mediciones PL y TRPL muestran claramente una fot...

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Discusión

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Los dispositivos fotovoltaicos Delgados CdSeTe/CdTe demuestran mejoras en la eficiencia en comparación con sus homólogos DeCd debido a una mejor calidad del material y al aumento de la recolección actual. Estas eficiencias mejoradas se han demostrado en absorbentes bicapa superiores a 3 m5,7, y ahora con condiciones de fabricación optimizadas, se ha demostrado que el aumento de la eficiencia también es alcanzable para los absorbedores bicapa más delgados, de 1,5 ...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Los autores quieren agradecer al profesor W.S. Sampath por el uso de sus sistemas de deposición, Kevan Cameron por el apoyo del sistema, el Dr. Amit Munshi por su trabajo con células bicapa más gruesas y material de archivo suplementario del sistema automatizado de deposición de vacío CSS en línea, y el Dr. Darius Kuciauskas para la ayuda con las mediciones TRPL. Este material se basa en el trabajo apoyado por la Oficina de Eficiencia Energética y Energías Renovables (EERE) del Departamento de Energía de los Estados Unidos en virtud del Acuerdo de La Oficina de Tecnologías de Energía Solar (SETO) Número DE-EE0007543.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Perfilómetro de superficie Alpha StepTencor Instruments10-00020Instrumento para medir el espesor de la película
CdCl2 Material5N PlusN/AMaterial para el tratamiento de pasivación del absorbedor
CdSeTe Material semiconductor5N PlusN/AMaterial semiconductor de tipo P para la capa absorbente
CdTe Material semiconductor5N PlusN/AMaterial semiconductor tipo P para capa absorbente Generador de
energía CESAR RF Generador de energíaavanzado61300050Generador de energía para deposición por pulverización catódica de MgZnO
Material CuClSigma AldrichN/AMaterial para dopaje de absorbentes
Material de delineaciónKramer Industries Inc.Melamina Tipo 3 Malla 60-80Material de reborde de plástico para la delineación de la película
Caja de guantes VanimanManufacturing Co.Problast 3Caja de guantes para la delineación de la película Cristal de
oroKurt J. Lesker CompanyKJLCRYSTAL6-G10Cristal para monitor de espesor de evaporación
de Te HVLP y kit de pistola de pulverización de alimentación por gravedad estándarHuskyHDK00600SGPistola de pulverización aplicadora para la aplicación de contacto posterior de pintura
Ni MgZnO Sputter TargetPlasmaterials, Inc.PLA285287489Tipo N Material de la capa del emisor
Micro 90 Solución de limpieza de vidrioCole-ParmerEW-18100-05Solución para la limpieza inicial
del vidrio NSG Tec10 Sustratos PilkingtonN/AVidrio de óxido conductor transparente para contacto eléctrico frontal
Super Shield Ni Recubrimiento conductorMG Chemicals841AR-3.78LPintura conductora para capa de contacto trasero
Te MaterialSigma Aldrich MKBZ5843VMaterial para la capa de contacto posterior
Monitor de espesorR.D. Mathis CompanyTM-100Instrumento para la programación y monitorización de las condiciones de evaporación
Te Diluyente 1MG Chemicals4351-1LDiluyente de pintura para mezclar con Ni para la capa de contacto
posterior Limpiador ultrasónico 1L & R ElectronicsQ28OHLimpiador ultrasónico 1 para la limpieza de cristales
Limpiador ultrasónico 2Ultrasonic Clean100SLimpiador ultrasónico 2 para la limpieza
de cristales Espectrómetro UV/VIS Lambda 2PerkinElmerEspectrómetro 166351 utilizado para mediciones de transmisión en películas de CdSeTe

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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  4. First Solar. First Solar sustainability report. , Available from: http://www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/Sustainability-Documents/FirstSolar_SustainabilityReport_Web_2018.ashx (2018).
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  9. 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).
  10. 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).
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  12. Abbas, A., et al. Cadmium chloride assisted re-crystallization of CdTe: the effect of annealing over-treatment. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , Denver, CO. (2014).
  13. 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. , Denver, CO. (2014).
  14. Metzger, W. K., et al. Time-resolved photoluminescence studies of CdTe solar cells. Journal of Applied Physics. 94 (5), 3549-3555 (2003).
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