Close-Space Sublimation-Deposited Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Solar Cells for Enhanced Short-Circuit Current Density and Photoluminescence

Résumé

Ce travail décrit le processus complet de fabrication de l’absorbeur mince cadmium telluride/cadmium telluride dispositifs photovoltaïques pour une efficacité accrue. Le processus utilise un système automatisé de vide en ligne pour les dépôts de sublimation à espace rapproché qui est évolutif, de la fabrication de petits dispositifs de recherche de zone ainsi que des modules à grande échelle.

Résumé

Les développements dans les architectures de dispositifs photovoltaïques sont nécessaires pour faire de l’énergie solaire une source rentable et fiable d’énergie renouvelable au milieu de la demande croissante d’énergie mondiale et du changement climatique. La technologie CdTe à couches minces a démontré une compétitivité des coûts et une efficacité croissante en partie en raison des temps de fabrication rapides, de l’utilisation minimale des matériaux et de l’introduction d’un alliage CdSeTe dans une couche absorbante de 3 millions d’euros. Ce travail présente la fabrication de sublimations à espace rapproché des appareils bilayer CdSeTe/CdTe minces de 1,5 m à l’aide d’un système automatisé de dépôt sous vide en ligne. La structure bilayer mince et la technique de fabrication minimisent le temps de dépôt, augmentent l’efficacité de l’appareil et facilitent le développement futur de l’architecture de dispositif à base d’absorbeurs minces. Trois paramètres de fabrication semblent être les plus percutants pour optimiser les dispositifs minces cdSeTe/CdTe absorbeurs : la température de préchauffer le substrat, le rapport d’épaisseur CdSeTe:CdTe et la passivation CdCl_2. Pour une sublimation appropriée du CdSeTe, la température du substrat avant le dépôt doit être de 540 oC (plus élevée que celle de cdTe) contrôlée par le temps de séjour dans une source de préchauffage. La variation du rapport d’épaisseur CdSeTe:CdTe révèle une forte dépendance des performances de l’appareil à ce ratio. Les épaisseurs optimales d’absorbeur sont des cdSeTe de 0,5 m et un CdTe de 1,0 m, et des ratios d’épaisseur non optimisés réduisent l’efficacité grâce à des effets de barrière arrière. Les absorbeurs minces sont sensibles à la variation de passivation CdCl_2; un traitement CdCl₂ beaucoup moins agressif (par rapport aux absorbeurs plus épais) concernant la température et le temps donne des performances optimales de l’appareil. Avec des conditions de fabrication optimisées, CdSeTe/CdTe augmente la densité de courant et l’intensité de photoluminescence des périphériques en court-circuit par rapport au CdTe à absorbeur unique. En outre, un système de dépôt sous vide de sublimation dans l’espace rapproché offre la réduction des matériaux et du temps, l’évolutivité et l’accessibilité des futures architectures d’absorbeurs ultra-minces.

Introduction

La demande mondiale d’énergie s’accélère rapidement, et l’année 2018 a été la plus rapide (2,3 %) taux de croissance au cours de la dernière décennie¹. Associé à une prise de conscience croissante des effets du changement climatique et de la combustion des combustibles fossiles, la nécessité d’une énergie économique, propre et renouvelable est devenue très claire. Parmi les nombreuses sources d’énergie renouvelables, l’énergie solaire est distinctive pour son potentiel total, comme la quantité d’énergie solaire qui atteint la terre dépasse de loin la consommation mondiale d’énergie².

Les appareils photovoltaïques (PV) convertissent directement l’énergie solaire en énergie électrique et sont polyvalents en matière d’évolutivité (p. ex., mini-modules d’utilisation personnelle et panneaux solaires intégrés au réseau) et technologies matérielles. Les technologies telles que les cellules solaires à jonctions multiples et à mono-jonction, à mono-cristal d’arsène de gallium (GaAs), ont des efficacités atteignant 39,2 % et 35,5 %, respectivement³. Cependant, la fabrication de ces cellules solaires à haut rendement est coûteuse et prend beaucoup de temps. La telluride de cadmium de polycrystalline (CdTe) comme matériau pour les téléviseurs à couches minces est avantageuse pour son faible coût, fabrication à haut débit, variété de techniques de dépôt, et coefficient d’absorption favorable. Ces attributs rendent CdTe propice à la fabrication à grande échelle, et l’amélioration de l’efficacité ont rendu CdTe rentable avec le silicium PV-dominant et les combustibles fossiles⁴.

Une avancée récente qui a conduit à l’augmentation de l’efficacité de l’appareil CdTe est l’incorporation de caélénium de cadmium (CdSeTe) matériau en alliage dans la couche absorbante. L’intégration du matériel CdSeTe de bande de bande de 1,4 eV inférieur dans un absorbeur CdTe de 1,5 eV réduit l’écart de bande avant de l’absorbeur de bilayer. Cela augmente la fraction de photon au-dessus de l’écart de bande et améliore ainsi la collection actuelle. L’incorporation réussie de CdSeTe dans des absorbeurs de 3 m ou plus épais pour une densité de courant accrue a été démontrée avec diverses techniques de fabrication (c.-à-d. sublimation à espace rapproché, dépôt de transport de vapeur et électroplacage)^5,6,7. L’augmentation de la spectroscopie d’émission de photoluminescence à température ambiante (PL), la photoluminescence résolue dans le temps (TRPL) et les signaux d’électroluminescence des dispositifs absorbeurs de bilayer^5,8 indiquent qu’en plus de l’augmentation de la collecte actuelle, le CdSeTe semble avoir une meilleure efficacité radiative et une meilleure durée de vie du transporteur minoritaire, et un appareil CdSeTe/CdTe a une tension plus élevée par rapport à l’idéal qu’avec CdTe seulement. Ceci a été largement attribué à la passivation de sélénium des défauts en vrac⁹.

Peu de recherches ont été rapportées sur l’incorporation de CdSeTe dans des absorbeurs CdTe plus minces (1,5 m). Nous avons donc étudié les caractéristiques des minces appareils cdSeTe/1.0 'm CdTe bilayer-absorber fabriqués par sublimation de l’espace rapproché (CSS) pour déterminer si les avantages observés dans les absorbeurs bilayer épais sont également réalisables avec des absorbeurs bilayer minces. Ces absorbeurs CdSeTe/CdTe, plus de deux fois plus minces que leurs homologues plus épais, offrent une diminution notable du temps de dépôt et des matériaux et des coûts de fabrication plus faibles. Enfin, ils ont un potentiel pour les développements futurs de l’architecture des périphériques qui nécessitent des épaisseurs absorbant de moins de 2 m.

Le dépôt CSS des absorbeurs dans un seul système automatisé de vide en ligne offre de nombreux avantages par rapport aux autres méthodes de fabrication^10,11. Des taux de dépôt plus rapides avec la fabrication CSS stimulent le débit de l’appareil et favorisent de plus grands ensembles de données expérimentales. De plus, l’environnement sous vide unique du système CSS dans ce travail limite les défis potentiels avec les interfaces absorbante. Les appareils photovoltaïques à couches minces ont de nombreuses interfaces, chacune pouvant servir de centre de recombinaison pour les électrons et les trous, réduisant ainsi l’efficacité globale de l’appareil. L’utilisation d’un seul système de vide pour le CdSeTe, cdTe, et le chlorure de cadmium (CdCl₂) dépositions (nécessaire pour une bonne qualité absorbeur^{12,13,14,15,16}) peut produire une meilleure interface et réduire les défauts interfaciaux.

Le système de vide automatisé en ligne développé à l’Université d’État du Colorado¹⁰ est également avantageux dans son évolutivité et sa répétabilité. Par exemple, les paramètres de dépôt sont définis par l’utilisateur, et le processus de dépôt est automatisé de sorte que l’utilisateur n’a pas besoin d’apporter des ajustements pendant la fabrication de l’absorbeur. Bien que les dispositifs de recherche de petite zone soient fabriqués dans ce système, la conception du système peut être mise à l’échelle pour les dépôts de plus grandes zones, permettant un lien entre l’expérimentation à l’échelle de la recherche et la mise en œuvre à l’échelle du module.

Ce protocole présente les méthodes de fabrication utilisées pour fabriquer des appareils photovoltaïques à couches minces De 0,5 m. À titre de comparaison, un ensemble d’appareils CdTe de 1,5 m sont fabriqués. Les structures d’absorbeur simple et bilayer ont des conditions de dépôt nominalement identiques dans toutes les étapes du processus, à l’exclusion du dépôt de CdSeTe. Pour caractériser si les absorbeurs CdSeTe/CdTe minces conservent les mêmes avantages démontrés par leurs homologues plus épais, la densité-tension actuelle (J-V), l’efficacité quantique (QE) et les mesures PL sont effectuées sur les dispositifs minces absorbeurs simples et bilayer. Une augmentation de la densité de courant court-circuit (J_SC) mesurée par J-V et QE, en plus d’une augmentation du signal PL pour le CdSeTe/CdTe vs. Appareil CdTe, indiquez que les appareils CdSeTe/CdTe minces fabriqués par CSS montrent une amélioration notable de la collecte actuelle, de la qualité des matériaux et de l’efficacité de l’appareil.

Bien que ce travail se concentre sur les avantages associés à l’incorporation d’un alliage CdSeTe dans une structure d’appareil PV CdTe, le processus de fabrication complet pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe est décrit par la suite dans son intégralité. La figure 1A,B montre les structures d’appareils terminées pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe respectivement, composées d’un substrat en verre transparent recouvert d’oxyde (TCO), d’oxyde de zinc de magnésium de type n (MgZnO), d’un cdTe de type p ou d’un absorbeur CdSeTe/CdTe avec traitement de traitement et de dopage au cuivre CdCl_2, d’une mince couche de te et d’un contact de nickel. À l’exclusion du dépôt d’absorbeur CSS, les conditions de fabrication sont identiques entre la structure simple et la structure bilayer. Ainsi, sauf indication contraire, chaque étape est effectuée sur les structures CdTe et CdSeTe/CdTe.

Protocole

AVERTISSEMENT : Les gants doivent être portés lors de la manipulation des substrats pour prévenir la contamination du film et le contact entre le matériel et la peau. Ce processus de fabrication nécessite la manipulation de structures contenant des composés de cadmium; par conséquent, une blouse de laboratoire et des gants doivent être portés en laboratoire en tout temps.

1. Nettoyage de substrat

1. Placer les substrats en verre enduits de TCO (9,1 cm x 7,8 cm) dans une grille en acier inoxydable avec un espacement suffisant de telle sorte que la solution de nettoyage et l’air comprimé peuvent être appliqués sur chaque visage en verre.
2. Soufflez toute poussière sur les substrats à l’aide d’un tuyau d’air comprimé d’azote.
3. Placer la grille dans un nettoyant à ultrasons (UC1) et remplir d’alcool isopropyl (IPA). Laisser reposer 30 minutes pour éliminer l’huile résiduelle et les contaminants du processus industriel de coupe de verre.
4. Égoutter l’IPA de UC1. L’IPA peut être réutilisée jusqu’à 5x pour le nettoyage initial des substrats.
5. Rincer les substrats avec de l’eau déionisée (DI), puis remplir UC1 d’eau DI à environ 1 cm au-dessus du bord supérieur des substrats. Ajouter 200 ml de solution de nettoyage concentrée uniformément à travers les substrats pour éliminer davantage l’huile résiduelle, la graisse, les particules ou les taches d’eau dure.
6. En utilisant la puissance principale, activer la fréquence ultrasonique UC1 à 43 kHz et la puissance de 425 W et laisser les substrats reposer pendant 1 h.
7. Rincer un deuxième nettoyant à ultrasons plus grand (UC2) avec de l’eau DI et remplir les trois quarts de son volume avec de l’eau DI.
8. Éteignez UC1 et retirez la grille en acier inoxydable. Commencez immédiatement à rincer les substrats avec de l’eau DI au-dessus d’un évier.
   REMARQUE : Ne laissez pas les substrats sécher à ce stade.
9. Transférer le support en acier inoxydable à UC2 et remplir complètement avec de l’eau DI de telle sorte que les substrats sont complètement recouverts. Allumez la fréquence ultrasonique UC2 à 40 kHz et la puissance de 600 W et laissez les substrats reposer pendant 30 min.
10. Préparer le séchoir à vapeur IPA fait maison.
    1. S’assurer que la soupape est fermée, brancher un tuyau de gaz à l’azote ultra-haute pureté (UHP). Ouvrez le réservoir d’azote et définissez le régulateur à 10 psi. Ouvrez la vanne au débit d’azote et ajustez-vous à 100 PSIG sur le débit fixé, puis fermez la valve à nouveau.
    2. Remplir un flacon de 150 ml d’API frais et en liège le flacon. Le liège scelle étroitement l’ouverture du flacon tout en permettant à l’azote et à l’API de passer à travers deux petits systèmes de tuyaux métalliques encastrés dans le liège. Ceux-ci se connectent à un petit système de tuyauterie métallique avec des trous fins, qui se trouve au-dessus de UC2 de telle sorte que la vapeur d’azote/IPA est incident sur les substrats.
11. Lorsque le cycle de rinçage UC2 est terminé, éteignez la chaleur et l’UC2.
12. Ouvrez la soupape de sécheuse à vapeur à l’azote et à l’IPA et ouvrez la soupape de vidange sur UC2 de sorte que l’eau DI sort très lentement.
    REMARQUE : L’eau DI doit être drainée très lentement. Ce processus remplace l’eau DI par de la vapeur d’azote/IPA pour empêcher les taches d’eau de se former sur les substrats. Cela devrait prendre 1-2 h pour 30.000 cm³ d’eau.
13. Une fois complètement égoutté, retirer la grille de UC2 et fermer la soupape de sécheuse à vapeur.
14. Conserver dans un environnement propre et confiné pour une utilisation future.
    REMARQUE : Les substrats nettoyés peuvent être laissés dans cet environnement indéfiniment, tant qu’ils restent propres. Inspecter les substrats nettoyés avant d’être utilisés davantage pour s’assurer qu’ils n’ont pas besoin de subir à nouveau le processus de nettoyage.

2. Dépôt de la couche de pulvérisation de la couche d’oxyde de zinc de magnésium

REMARQUE : Ce procédé de dépôt de pulvérisation MgZnO utilise un magnétron déséquilibré et une cible de 4 pouces de diamètre et 0,25 po d’épaisseur avec une distance de cible à substrat de 15 cm. L’objectif est de 99,99% de pureté (MgO)₁₁(ZnO)₈₉ par pourcentage de poids.

1. Démarrage du système Sputter
   1. Allumez la pompe mécanique et la soupape avant-ligne, suivie de la pompe à diffusion pour la chambre à pulvérisation. Assurez-vous que l’eau de refroidissement cible est allumée et que les vannes mécaniques de l’eau de refroidissement cible sont ouvertes.
   2. Allumez la pompe de verrouillage de charge à l’aide de l’interrupteur de la pompe.
   3. Laisser la pompe à diffusion se réchauffer pendant 15 min.
   4. Vérifiez la pression de la chambre sur la jauge de pression : si elle est inférieure à 2,0 x 10^-1 Torr, ouvrez la soupape de la porte de la pompe à diffusion. Si la pression est supérieure à 2,0 x 10^-1 Torr, passez la soupape avant-ligne pour fermer et ouvrez la soupape rugueuse jusqu’à ce que la pression baisse. Ensuite, l’interrupteur a fermé la soupape de brouillage, ouvrir l’avant-ligne et ouvrir manuellement la soupape de la porte de la pompe à diffusion.
   5. Dans le logiciel informatique, définissez la pression d’exécution à 5 mTorr et cliquez sur « active de gaz », ce qui permet le flux de gaz. Le débit doit être de 19 à 20 sccm et l’oxygène réglé à 3% du flux total avec l’équilibre comme argon dans le logiciel.
   6. Laisser pomper la chambre pendant 10 min.
   7. Vérifiez que la pression de base est inférieure à 1,0 x 10^-5 Torr sur la lecture de jauge d’ion.
   8. Assurez-vous que le bras de transfert est entièrement rétracté de la chambre (regardez à travers le viewport de chambre pour s’assurer que le porte-échantillons n’est pas dans la chambre), et changez la soupape de la porte de verrouillage de charge fermée.
   9. Assurez-vous que l’obturateur est fermé: cela peut être vérifié en regardant à travers la fenêtre viewport pour voir qu’il est directement au-dessus de la cathode sputter.
   10. Sur l’alimentation, réglez la puissance du générateur RF à 60 W. Dans le logiciel informatique augmenter la pression à 15 mTorr pour l’allumage plasma, allumer la puissance RF, et une fois que le plasma s’est enflammé, réduire la pression de retour à 5 mTorr dans le logiciel. La puissance réfléchie devrait être de 1 à 2 W. S’il est beaucoup plus élevé, le réseau de correspondance RF doit être réglé.
   11. La cible doit être réchauffée pour éviter la fissuration : augmenter la puissance du générateur de puissance RF à un taux de 20 W/min jusqu’à atteindre une puissance finale de 140 W. La puissance réfléchie devrait idéalement être de 5% de la puissance réelle. Laisser la cible pré-sputter avec l’obturateur fermé pendant 15 min.
2. Dépôt de crachement de MgZnO
   1. Pour calibrer le taux de dépôt, un échantillon de témoin doit être fabriqué. Utilisez un marqueur permanent pour tracer une ligne de 0,2 cm (longueur) sur le côté TCO d’un substrat propre.
   2. Assurez-vous que la soupape de la porte de verrouillage de charge est fermée, puis desserrez et ouvrez le bouton de porte de verrouillage de charge. Venter le verrou de charge avec un quart de tour de la soupape d’évent d’azote UHP jusqu’à ce que la porte de verrouillage de charge se desserre. Gardez la soupape d’évent partiellement ouverte pour purger la serrure de charge pendant que la porte est ouverte.
   3. Utilisez un souffleur d’air portatif pour enlever délicatement les particules de poussière du substrat propre recouvert de TCO. Retirez tout substrat sur le support de l’échantillon et chargez le substrat propre TCO latéralement vers le bas à l’aide d’une paire de pincettes à pointe de caoutchouc. Tenez l’échantillon sur le bord pour éviter la zone de dépôt.
   4. Fermez et serrez la porte de verrouillage de charge. Allumez la pompe de verrouillage de charge et fermez la soupape d’évent d’azote.
   5. Pompez le verrouillage de charge vers le bas jusqu’à ce que la jauge de pression de verrouillage de charge indique en dessous de 5.0 x 10^-2 Torr. Puis éteignez la pompe de verrouillage de charge et allumez la porte de verrouillage de charge (la pression ne doit pas piquer au-dessus de 7 mTorr). Attendez que la pression soit de niveau et insérez manuellement le bras de transfert de telle sorte que l’échantillon se trouve au-dessus de la cathode à volets.
   6. Réglez le temps de dépôt désiré sur une minuterie et commencez le moment pendant que l’obturateur est ouvert manuellement. Fermez immédiatement l’obturateur lorsque la minuterie s’éteint.
   7. Rétractez manuellement le bras de transfert complètement et fermez la porte de verrouillage de charge.
   8. Retirez ou échangez l’échantillon suivant les étapes 2.2.2-2.2.5.
   9. Pour obtenir le taux de dépôt MgZnO, retirez le marqueur permanent de l’échantillon témoin avec un applicateur à pointe de coton trempé dans du méthanol. Mesurer l’épaisseur à l’aide d’un profilomètre¹⁷ et définir les temps de dépôt ultérieurs pour l’épaisseur désirée de MgZnO (100 nm pour les échantillons présentés dans ce travail).
   10. Répétez la déposition pour autant d’échantillons que désiré.
       REMARQUE : Après le dépôt de MgZnO, les échantillons peuvent être stockés pendant un certain temps. Au risque de s’oxyder, il est recommandé qu’ils soient stockés dans un desiccateur sous vide pendant pas plus d’une semaine pour les meilleurs résultats.

3. Dépôt de sublimation de l’espace rapproché et traitement des couches absorbantes

1. Démarrage du système CSS
   1. Assurez-vous que 1) le système est sous vide, 2) les pompes mécaniques et de diffusion sont allumées, 3) la soupape de barrière de verrouillage de charge est ouverte à la chambre, et 4) la pression est réglée à 40 mTorr.
   2. Ouvrez manuellement la soupape d’écoulement du gaz (98 % N₂ et 2 % O₂) et sélectionnez « Active de gaz » sur le logiciel informatique. La pression devrait se stabiliser autour de 40 mTorr.
   3. Allumez l’analyseur de gaz résiduel (RGA) en ouvrant la soupape RGA et en vous connectant au logiciel. Ceci est nécessaire pour suivre les niveaux d’eau, d’oxygène, d’azote et d’hydrogène dans le système. Ces niveaux sont généralement autour de 4,5 x 10^-9, 2,5 x 10^-8, 2,3 x 10^-6, et 8,0 x 10^-10 Torr pour chacun, respectivement.
   4. Apportez le système CSS de haut en bas jusqu’à la température de fonctionnement dans le programme informatique. Les températures de source supérieure sont fixées à 620 oC pour la préchauffe, 360 oC pour cdTe, 420 oC pour cdSe₂₀Te₈₀, 387 oC pour CdCl₂, 400 'C pour l’anneal, et 620 'C pour le bakeoff. Les températures de source inférieure sont fixées à 620 oC pour la préchauffe, 555 oC pour cdTe, 545 oC pour cdSe₂₀Te₈₀, 439 'C pour CdCl₂, 400 'C pour l’anneal, et 620 'C pour le bakeoff. Ces écarts de température favorisent la sublimation des sources inférieures aux sources supérieures, de sorte que le matériau se sublime sur l’échantillon, situé entre les sources.
   5. Lorsque les sources ont atteint des températures de fonctionnement, faites passer le porte-échantillon à travers la recette de cuisson : dans le logiciel, sélectionnez « Bakeoff » dans la liste de recettes et cliquez sur « Run ». Cela déplacera automatiquement le bras de transfert de telle sorte que le support de l’échantillon reste dans la source de cuisson pour 480 s. Cela chauffe le porte-échantillons et cuit tout excès de matière.
   6. Après que le bras de transfert se rétracte automatiquement le porte-échantillons à la position d’accueil et ferme la soupape de la porte, éventez le verrou de charge en ouvrant la soupape d’évent d’azote UHP. Lorsqu’il est évacué, ouvrez la porte de verrouillage de charge et fermez la soupape d’évent.
2. Déposition et traitement de passivation du CSS des absorbeurs
   1. Utilisez un souffleur d’air portatif pour enlever doucement les particules de poussière du substrat propre recouvert de MgZnO/TCO et charger le substrat sur le support de l’échantillon (côté MgZnO vers le bas).
   2. Fermez la porte de verrouillage de charge et pompez le verrou de charge en allumant l’interrupteur de verrouillage de charge.
   3. Pendant le pompage vers le bas, entrez la recette désirée pour le dépôt de CSS dans le programme informatique. Les recettes utilisées pour préparer les structures CdTe et CdSeTe/CdTe sont différentes à ce stade et sont les suivantes.
   4. Pour l’échantillon de témoin CdTe (pour déterminer le taux de dépôt de CdTe; requis pour la fabrication de cdTe et de cdSeTe/CdTe), utilisez :
      110 s à la source de préchauffer (ce qui élève le verre à 480 oC de telle sorte que CdTe se sublimera correctement sur le substrat);
      110 s dans la source CdTe (cela sublime CdTe sur le substrat);
      180 s dans la source CdCl₂ [le dépôt cdCl₂ est nécessaire pour une bonne performance de l’appareil CdTe (il a été démontré qu’il passe les limites du grain et les obligations pendantes et favorise la croissance et l’alignement du grain dans le absorbeur CdTe polycrystalline^{12,13,14,15,16})];
      240 s à la source anneale (ce qui entraîne le CdCl₂ dans le matériau absorbant); Et
      300 s dans la source de refroidissement (ce qui permet à l’échantillon de refroidir pour décharger).
   5. À l’aide d’une lame de rasoir, scribe une petite zone de matériel CdTe hors du substrat et mesurer l’épaisseur du film CdTe à l’aide d’un profilomètre de surface pour déterminer le taux de dépôt¹⁷.
   6. Pour l’échantillon de témoin CdSeTe (pour déterminer le taux de dépôt de CdSeTe; requis uniquement pour la fabrication de l’appareil CdSeTe/CdTe), utilisez :
      140 s à la source de préchauffer (ce qui élève le verre à 540 oC de telle sorte que CdSeTe se sublimera correctement sur le substrat);
      300 s dans la source CdSeTe (cela sublime CdSeTe sur le substrat); Et
      300 s dans la source de refroidissement.
   7. À l’aide d’une lame de rasoir, scribe une petite zone de matériel CdSeTe hors du substrat et mesurer l’épaisseur du film CdSeTe à l’aide d’un profilomètre de surface pour déterminer le taux de dépôt^17.
   8. Pour l’absorbeur unique mince (échantillon CdTe), utilisez :
      110 s à la source de préchauffer;
      xx s dans la source CdTe [le temps de séjour dépend du taux de dépôt De CdTe et de l’épaisseur désirée (pour l’absorbeur CdTe unique de 1,5 m utilisé ici, le temps de séjour est de 60 s)];
      150 s dans la source CdCl₂ [le traitement CdCl₂ dépend de l’épaisseur absorbante; par conséquent, des expériences devraient être menées pour optimiser les conditions de traitement (les temps de puits énumérés sont optimisés pour les absorbeurs minces, 1,5 m^{absorbeurs 18)];}
      240 s à la source anneale; Et
      300 s dans la source de refroidissement.
   9. Pour l’absorbeur bilayer mince (échantillon CdSeTe/CdTe), utilisez :
      140 s à la source de préchauffer;
      xx s dans la source CdSeTe [encore une fois, le temps de séjour dépend du taux de dépôt cdSeTe et de l’épaisseur désirée (pour la couche CdSeTe de 0,5 m utilisée ici, le temps de séjour est de 231 s)];
      xx s dans la source CdTe [le temps de séjour dépend de l’épaisseur et du taux de dépôt CdTe souhaité calculés à partir de l épaisseur mesurée de l’échantillon de témoin CdTe (pour la couche cdTe bilayer de 1,5 m utilisée ici, le temps de séjour est de 50 s pour une couche cdTe de 1,0 m)];
      150 s dans CdCl₂ source;
      240 s à la source anneale; Et
      300 s dans la source de refroidissement.
   10. Lorsque la pression de verrouillage de charge se lit en dessous de 40 mTorr dans le logiciel informatique, à l’aide du logiciel, ouvrez la soupape de la porte de verrouillage de charge et sélectionnez « Démarrer ». Le programme exécute automatiquement la recette sélectionnée et retournera à la position à la maison après avoir terminé l’étape de refroidissement¹⁰.
   11. Une fois le dépôt complet, ouvrez la soupape d’évent de verrouillage de charge, éventez dans l’atmosphère et ouvrez la porte de verrouillage de charge pour le refroidissement final du substrat. Après 60 s, le substrat doit être assez frais pour enlever du support de l’échantillon avec un chiffon sans peluche.
   12. Une fois l’échantillon enlevé, fermez la porte de verrouillage de charge, pompez le verrou de charge en allumant l’interrupteur de brouillage, et suivez l’étape 3.1.5 pour exécuter la recette de cuisson. Une cuisson doit être exécutée entre chaque dépôt d’échantillon pour nettoyer le porte-échantillons.
   13. L’échantillon traité doit avoir une couche blanche brumeuse sur le film du traitement CdCl_2. Prenez une photo du film pour noter le modèle de brume. S’il y a peu ou pas de matière visible du traitement CdCl_2, ce traitement a probablement besoin d’optimisation.
   14. Rincer l’excédent de matériel CdCl₂ hors du film dans un bécher gradué en utilisant de l’eau DI et sécher le film avec de l’argon comprimé.
       CAUTION: Ce rinçage CdCl₂ doit être effectué dans un boîtier contenu. Une fois terminé, disposer du mélange d’eau CdCl₂/DI dans le conteneur de déchets dangereux approprié.
       REMARQUE : Après le dépôt du CSS, les échantillons peuvent être stockés pendant un certain temps, mais il est recommandé qu’ils soient stockés dans un desiccateur sous vide pendant pas plus d’une semaine pour obtenir de meilleurs résultats. Un schéma du système automatisé de dépôt du CSS en ligne est indiqué dans la figure 2.

4. Traitement de cuivre de sublimation de sublimation de l’espace étroit

1. Démarrage du système CSS
   1. Assurez-vous que les pompes mécaniques et de diffusion sont allumées.
   2. Ouvrez la soupape de gaz de procédé et ajustez manuellement le bouton de commande de débit de gaz jusqu’à ce que la pression de fonctionnement de 40 mTorr soit affichée sur la jauge de pression.
   3. Définissez et allumez manuellement les sources CSS à l’aide de contrôleurs à dérivés proportionnels (PID). Les températures de source les plus élevées utilisées dans cette expérience sont de 330 oC pour la source de préchauffer, de 170 oC pour la source CuCl et de 200 oC pour la source anneale. Les températures de source inférieure sont de 330 oC pour la source de préchauffer, de 190 oC pour la source CuCl et de 200 oC pour la source anneale.
   4. Allumez la soupape de la pompe de diffusion et fermez manuellement la soupape de la porte de verrouillage de charge.
2. Traitement CuCl sur les structures absorbantes
   1. Lorsque les sources ont atteint la température de fonctionnement, l’échantillon peut être chargé sur le porte-échantillons :
      1. Desserrer le bouton pour la porte de verrouillage de charge.
      2. Venter le verrou de charge avec un quart de tour de la soupape d’évent d’azote UHP.
      3. Ouvrez la porte de verrouillage de charge et utilisez un souffleur d’air portatif pour enlever doucement toutes les particules de poussière de l’échantillon. Placez le côté du film d’échantillon vers le bas sur le support d’échantillon à l’aide d’une paire de pincettes à pointe de caoutchouc, en tenant l’échantillon sur le bord pour éviter la zone de dépôt.
      4. Fermez la soupape d’évent et fermez et serrez la porte de verrouillage de charge.
      5. Ouvrez manuellement la pompe de verrouillage de charge et laissez la pompe de verrouillage de charge en dessous de la pression de croisement (40 mTorr).
   2. Lorsque la pression du multisegment est obtenue, fermez manuellement la pompe de verrouillage de charge et ouvrez manuellement la soupape de la porte de verrouillage de charge.
   3. Déplacez manuellement le bras de transfert dans le préchauffer, le CuCl et les positions anneales séquentiellement. Une minuterie est utilisée pour le temps de séjour dans chaque position. Pour les échantillons décrits, les temps d’habit sont 75 s, 5 s, et 250 s pour le prechauffe, CuCl, et les sources anneales, respectivement.
   4. Après l’étape d’annealing, ramenez manuellement le bras de transfert à la position de la maison et fermez la soupape de barrière de charge.
   5. Suivez l’étape 4.2.1 pour échanger des échantillons.
      REMARQUE : Lors du déchargement d’un échantillon précédent, il est encore probablement chaud. Retirer l’échantillon avec une paire de pincettes à pointe de caoutchouc et laisser refroidir (côté film vers le haut) sur un bloc métallique. Après le traitement Cu, les échantillons peuvent être stockés pendant un certain temps, mais il est recommandé qu’ils soient stockés dans un desiccateur sous vide pour pas plus d’une semaine pour les meilleurs résultats.

5. Dépôt d’évaporation du tellurium mince

1. Allumez la pompe mécanique, la soupape avant-ligne et la pompe de diffusion à l’aide d’interrupteurs sur le système d’évaporateur. Laisser la pompe à diffusion se réchauffer pendant 20 min.
2. Éventez et ouvrez la chambre en ouvrant la soupape d’évent d’azote et en soulevant la chambre d’évaporateur. Chargez le Te dans le bateau molybdène recouvert d’alumine. Remettre la chambre d’évaporateur en place après le chargement du matériau.
3. Entrez les réglages appropriés pour le dépôt te d’un bateau molybdène enduit d’alumine dans le panneau de moniteur de cristal de quartz (QCM) (densité de 6,25 g/cm³ et d’impédance acoustique - 9,81 g/cm²s).
4. Ouvrez le dessus de la chambre pour accéder au porte-échantillons. Utilisez un souffleur d’air portatif pour enlever délicatement les particules de poussière de l’échantillon. Chargez le côté du film d’échantillon vers le bas sur le support d’échantillon et fermez le dessus de chambre.
5. Déplacez manuellement le levier dans la position rugueuse; les lectures de pression rugueuses et de la pression de chambre devraient commencer à baisser. Laisser la pression tomber en dessous de 10 mTorr.
6. Retourner la soupape avant-ligne à la position avant-ligne. Attendez que toute pointe momentanée de pression soit résolue, puis ouvrez la soupape à vide haute. Lorsque le lecteur de pression de la chambre a basé, la pression de dépôt appropriée de 1,0 x 10^-5 Torr a été atteint.
7. Allumez l’interrupteur d’alimentation, ouvrez l’obturateur et montez le contrôle actuel pour commencer le dépôt. La plage d’exploitation courante optimale est de 90 à 100 ac, de sorte que le taux de dépôt sera de 5 à 10 points. Le taux de dépôt, affiché sur la lecture de la GQ, peut changer rapidement; par conséquent, le courant doit être ajusté en permanence pendant la déposition pour maintenir le taux entre 5 et 10 euros.
8. Lorsque le QCM affiche l’épaisseur Te désirée (40 nm pour les échantillons utilisés ici), rapidement et simultanément tourner le courant à zéro, éteindre l’interrupteur de puissance, et fermer l’obturateur.
9. Fermez la soupape à vide haute, ouvrez la soupape d’évent d’azote et retirez l’échantillon du porte-échantillons. Répéter les étapes 5.4-5.8 pour les dépôts sur des échantillons supplémentaires.
   REMARQUE : Après le dépôt te, les échantillons peuvent être stockés pendant un certain temps, mais il est recommandé qu’ils soient stockés dans un desiccateur sous vide pendant pas plus d’une semaine pour obtenir de meilleurs résultats.

6. Application de contact Nickel back

CAUTION: En raison des fumées de la peinture Ni et de la cétone éthylique méthyle (MEK), toujours exécuter un ventilateur au-dessus de cycle de l’air au cours de ce processus.

1. Monter les échantillons (côté film orienté vers l’avant) sur une étagère de montage verticale.
2. Assurez-vous que le pistolet Ni applicateur est propre tout au long. Si ce n’est pas le cas, nettoyez avec MEK.
3. Le contact arrière est un mélange de peinture ni conductrice et plus mince à un rapport de 2:1. Avant d’appliquer la peinture, secouez la solution de contact arrière pour assurer un mélange complet.
4. Verser la solution de contact Ni back dans le pistolet applicateur et allumer le tuyau de compresseur d’air attaché. Vaporiser un morceau d’essai (c.-à-d., carton) pour s’assurer que la peinture s’applique uniformément. S’il est uniforme, appliquez le contact arrière aux échantillons en pulvérisant la solution à travers l’ensemble de l’échantillon avec un mouvement latéral lent. Laissez le contact arrière sécher légèrement et appliquer autant de fois que nécessaire pour une couverture complète (généralement, cinq passes fonctionne bien).
   REMARQUE : La solution Ni peut sécher et obstruer le pistolet applicateur ; par conséquent, pour éviter un processus de débrilage lors de l’application de contact arrière, il est important d’attendre pas plus de 60 s entre les ensembles de pulvérisation.
5. Éteignez le compresseur d’air et laissez le contact arrière sécher sur les échantillons pendant au moins 1 h.

7. Délimité en 25 appareils à petite surface

REMARQUE : Pour terminer la structure mince du film en dispositifs électriques, la pile de film doit être délimitée en petits dispositifs de surface de sorte que le contact avant TCO et le contact arrière de Ni sont accessibles électriquement. Ceci est fait à l’aide d’un masque métallique avec l’enlèvement mécanique du semi-conducteur.

1. Placer un échantillon dans le masque métallique.
2. Placez l’échantillon masqué dans la boîte à gants et à l’aide d’un tuyau de siphon, appliquez le verre, les supports perlés aux parties démasquées de l’échantillon. L’enlèvement approprié du matériau est réalisé lorsque les fenêtres de masque deviennent presque transparentes.
3. Répétez ce processus avec le deuxième masque de telle sorte qu’après avoir terminé la délimitation, 25 petits dispositifs carrés de surface apparaissent dans un modèle de 5 x 5 sur l’échantillon. Les zones achevées sont de 0,6 cm².
4. Nettoyez le côté film des échantillons avec un applicateur à pointe de coton trempé dans l’eau DI.
5. Pour minimiser la résistance latérale dans les mesures électriques des appareils finis, soudure un modèle de grille entre les appareils avec une soudure à l’indium.
   REMARQUE : Les structures d’appareils terminées sont données dans la figure 1A et la figure 1B pour les appareils CdTe et CdSeTe/CdTe absorbeurs, respectivement.

Résultats

L’ajout de CdSeTe à un mince absorbeur CdTe améliore l’efficacité de l’appareil grâce à une qualité supérieure de matériel absorbeur et une densité de courant de court-circuit plus élevée (J_SC). La figure 3A et la figure 3B( adaptées de Bothwell et coll.⁸) montrent respectivement PL et TRPL pour les dispositifs d’absorbeur cdTe unique et d’absorbeur de bilayer CdSeTe/CdTe. Les mesures PL et TRPL montrent clairement une meilleur...

Discussion

Les appareils photovoltaïques bilayer minces CdSeTe/CdTe démontrent une amélioration de l’efficacité par rapport à leurs homologues CdTe en raison d’une meilleure qualité des matériaux et d’une meilleure collecte actuelle. Ces gains d’efficacité ont été démontrés chez les absorbeurs de bilayer de plus de 3 m^5,7, et maintenant avec des conditions de fabrication optimisées, il a été démontré que l’efficacité accrue est également réalisable pour les absorbeurs de bi...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Profilomètre de surface Alpha Step	Tencor Instruments	10-00020	Instrument de mesure de l’épaisseur du film
CdCl2 Matériau	5N Plus	N/A	Matériau pour traitement de passivation de l’absorbeur
CdSeTe Matériau semi-conducteur	5N Plus	N/A	Matériau semi-conducteur de type P pour couche absorbante
CdTe Matériau semi-conducteur	5N Plus	N/A	Matériau semi-conducteur de type P pour couche absorbante
CESAR RF Générateur	d’énergie avancée	61300050	Générateur d’énergie pour MgZnO dépôt par pulvérisation cathodique
Matériau CuCl	Sigma Aldrich	N/A	Matériau pour le dopage absorbeur
Matériau de délimitation	Kramer Industries Inc.	Mélamine Type 3 60-80 maille	Matériau de perles en plastique pour la délimitation du film
Boîtier de boîte à gants	Vaniman Manufacturing Co.	Problast 3	pour la délimitation du film
Gold Crystal	Kurt J. Lesker Company	KJLCRYSTAL6-G10	Crystal pour le moniteur d’épaisseur d’évaporation
Te HVLP et kit de pistolet de pulvérisation standard à alimentation par gravité	Husky	HDK00600SG	Pistolet de pulvérisation applicateur pour l’application de retour de peinture
Ni MgZnO Sputter Target	Plasmaterials, Inc.	PLA285287489	Matériau de la couche émettrice de type N
90 Solution de nettoyage du verre	Cole-Parmer	EW-18100-05	Solution pour le nettoyage initial
du verre NSG Tec10 Substrats	Pilkington	N/A	Verre d’oxyde transparent conducteur pour le contact électrique frontal
Super Shield Ni Revêtement conducteur	MG Chemicals	841AR-3.78L	Peinture conductrice pour la couche de contact arrière
Te Material	Sigma Aldrich	MKBZ5843V	Matériau pour la couche de contact arrière
Moniteur d’épaisseur	R.D. Mathis Company	TM-100	Instrument pour la programmation et la surveillance des conditions d’évaporation
Diluant	MG Chemicals	4351-1L	Diluant pour peinture à mélanger avec du Ni pour la couche de contact arrière
Nettoyeur à ultrasons 1	L & R Electronics	Q28OH	Nettoyeur à ultrasons 1 pour le nettoyage des vitres
Nettoyeur à ultrasons 2 Nettoyeur	à ultrasons	100S	Nettoyeur à ultrasons 2 pour le nettoyage
des vitres Spectromètre UV/VIS Lambda 2	PerkinElmer	166351	Spectromètre utilisé pour les mesures de transmission sur les films CdSeTe