עבודה זו מתארת את תהליך הייצור המלא של מכשירים פוטו-וולטאי קדמיום לשיפור יעילות מוגברת. התהליך מנצל מערכת ואקום אוטומטית בתוך שורה לקבלת מרחב הסובלימציה המראה מדרגי, מתוך הייצור של מכשירים מחקר שטח קטן, כמו גם מודולים בקנה מידה גדול.
מאמר שיטה
עבודה זו מתארת את תהליך הייצור המלא של מכשירים פוטו-וולטאי קדמיום לשיפור יעילות מוגברת. התהליך מנצל מערכת ואקום אוטומטית בתוך שורה לקבלת מרחב הסובלימציה המראה מדרגי, מתוך הייצור של מכשירים מחקר שטח קטן, כמו גם מודולים בקנה מידה גדול.
פיתוחים בארכיטקטורות המכשיר הפוטו נחוצים כדי להפוך אנרגיה סולארית מקור חסכוני ואמין של אנרגיה מתחדשת בתוך הגוברת האנרגיה הגלובלית דרישות ושינוי האקלים. הטכנולוגיה cdte סרט דק הוכיחה עלות התחרותיות והגדלת יעילות בשל זמני הייצור המהיר, השימוש בחומרים מינימליים, והקדמה של סגסוגת CdSeTe לתוך שכבה ~ 3 יקרומטר הנספג. עבודה זו מציגה את הנפח הקרוב סובלימציה של דק, 1.5 יקרומטר CdSeTe/cdte בילייר התקנים באמצעות אוטומטי מערכת התצהיר ואקום מקוון. המבנה וטכניקת הייצור הדקים מצמצמים את זמן התצהיר, מגבירים את יעילות ההתקן ומקלים על פיתוח ארכיטקטורת התקן מבוססת בעתיד דק. שלושה פרמטרים בייצור מופיעים להיות המאריכות ביותר עבור מיטוב התקנים CdSeTe/CdTe דקים: מצע מחממים טמפרטורה, CdSeTe: יחס עובי CdTe, ו Cdte2 פסיבציה. עבור סובלימציה הנכון של CdSeTe, טמפרטורת המצע לפני התצהיר חייב להיות ~ 540 ° צ' (גבוה יותר עבור CdTe) כנשלט על ידי לשכון זמן במקור מחממים. הגיוון ביחס העובי CdSeTe: CdTe חושף תלות חזקה בביצועי ההתקן ביחס זה. עוביים הנספגים האופטימליים הם 0.5 יקרומטר CdSeTe/1.0 יקרומטר cdte, ויחסי עובי שאינם ממוטבים מצמצמים את היעילות דרך אפקטי המכשול האחורי. בולמי דקים רגישים ל-CdCl2 וריאציה פסיבציה; טיפול הרבה פחות CdCl2 (לעומת בולמים עבים) לגבי הטמפרטורה הן הזמן תשואות ביצועי המכשיר האופטימלי. עם תנאי ייצור ממוטבים, CdSeTe/cdte מגבירה את צפיפות המכשיר במעגל קצר ובאינטנסיביות פוטולומיניסנציה לעומת cdte יחיד. בנוסף, מערכת הסובלימציה בחלל סגור בתוך שורה ואקום מציעה הפחתת חומרים וזמן, מדרגיות, וattainability של ארכיטקטורות בולם דקים במיוחד.
הביקוש האנרגיה הגלובלית הוא מאיץ במהירות, והשנה 2018 הפגינו המהיר ביותר (2.3%) קצב גידול בעשור האחרון1. לזווג עם המודעות הגוברת של ההשפעות של שינוי האקלים ושריפת דלקים מאובנים, הצורך בעלות תחרותי, נקי, ואנרגיה מתחדשת הפכה ברורה לגמרי. של מקורות אנרגיה מתחדשת רבים, אנרגיה סולארית הוא ייחודי הפוטנציאל הכולל שלה, כמו כמות האנרגיה הסולארית המגיע כדור הארץ הרחק עולה על צריכת אנרגיה גלובלית2.
פוטוולטאית (PV) התקנים ישירות להמיר אנרגיה סולארית לכוח חשמלי הם צדדי מדרגיות (למשל, מיני מודולים אישיים, מערכי השמש משולבים הרשת) וטכנולוגיות חומרים. טכנולוגיות כגון רב והצומת יחיד, חד גביש גליום ארסניד (GaAs) תאים סולריים יש יעילות להגיע 39.2% ו 35.5%, בהתאמה3. עם זאת, הייצור של אלה יעילות גבוהה סולרי תאים יקרים וגוזלת זמן. קדמיום (CdTe) כחומר לסרט דק PVs הוא יתרון עבור עלות נמוכה, ייצור תפוקה גבוהה, מגוון של טכניקות תצהיר, ומקדם ספיגה חיובית. תכונות אלה להפוך CdTe תאים עבור ייצור בקנה מידה גדול, ושיפורים ביעילות הפכו CdTe עלות-תחרותי עם הסיליקון PV-market-דומיננטי ודלקים מאובנים4.
התקדמות אחת לאחרונה, כי הניע את העלייה ביעילות המכשיר CdTe הוא שילוב של החומר סגסוגת קדמיום טלייט (CdSeTe) לתוך שכבת הספיגה. שילוב הנמוך ביותר ~ 1.4 eV הלהקה פער CdSeTe החומר לתוך 1.5 eV CdTe בולם מפחית את הפער של הלהקה הקדמית של הביייר. זה מגביר את שבר הפוטון מעל פער הלהקה וכך משפר את האוסף הנוכחי. התאגדות מוצלחת של CdSeTe לתוך בולמי כי הם 3 יקרומטר או עבה עבור צפיפות הנוכחית מוגברת כבר הפגינו עם טכניקות ייצור שונות (כלומר, הסובלימציה קרוב החלל, הובלה של אדים ההובלה, ו אלקטרויוציפוי)5,6,7. מגביר את טמפרטורת החדר הפוטוסקופית פליטה (PL), (trpl), ואותות אלקטרולואוטיים של התקנים בינבר5,8 מצביעים על כך שבנוסף לאוסף הנוכחי המוגבר, הCdSeTe מופיע ביעילות רדיוטיבית טובה יותר ובאורך חיים של מיעוט, ובהתקן CdSeTe/cdte יש מתח גדול יחסית לאידיאל מאשר עם cdte בלבד. הדבר יוחס בעיקר לפסיבציה של פגמים בצובר9.
מחקר קטן דווח על התאגדות של CdSeTe לתוך רזה (≤ 1.5 μm) בולמי CdTe. יש לנו ולכן חקרו את המאפיינים של דק 0.5 יקרומטר CdSeTe/1.0 יקרומטר cdte בילייר-התקנים בולם מפוברק על-ידי סובלימציה בחלל הקרוב (CSS) כדי לקבוע אם היתרונות הנראים בולמי בלאייר עבה הם גם השגה עם בולמי bilayer דק. בולמי CdSeTe/CdTe כגון, יותר מכפול דק יותר מאשר עמיתיהם עבים יותר, מציעים ירידה בולטת בזמן התצהיר ובעלויות ייצור נמוכות יותר. לבסוף, הם מחזיקים בפוטנציאל להתפתחויות בארכיטקטורת התקן עתידיות הדורשות עוביים של פחות מ-2 μm.
CSS התצהיר של בולמי במערכת ואקום אוטומטית בתוך קו מציע יתרונות רבים על שיטות ייצור אחרות10,11. שיעורי תצהיר מהירים יותר עם ייצור CSS מגביר את תפוקת ההתקן ומקדם ערכות נתונים ניסיוניים גדולות יותר. בנוסף, סביבת הוואקום היחידה של מערכת CSS בעבודה זו מגבילה אתגרים פוטנציאליים עם ממשקי ספיגה. סרט דק התקנים PV יש ממשקים רבים, אשר כל אחד מהם יכול לשמש מרכז שילוב מחדש עבור אלקטרונים וחורים, ובכך לצמצם את יעילות המכשיר הכולל. השימוש במערכת ואקום אחת עבור הצהרות CdSeTe, cdte ו-קדמיום כלוריד (cdte2) (הדרושות לאיכות הספיגה טובה12,13,14,15,16) יכול לייצר ממשק טוב יותר ולהפחית פגמים אינטרפנים.
מערכת ואקום אוטומטית מקוונת שפותחה באוניברסיטת קולורדו סטייט10 הוא גם יתרון המדרגיות שלה ואת היכולת לשוב. לדוגמה, פרמטרי התצהיר מוגדרים על-ידי המשתמש ותהליך התצהיר אוטומטי כך שהמשתמש אינו צריך לבצע התאמות במהלך הייצור הנספג. למרות שהתקני מחקר באזור קטן מיוצרים במערכת זו, ניתן לשנות את עיצוב המערכת לתצהירים בשטח גדול יותר, ולאפשר קישור בין ניסויים בקנה מידה לבין הטמעה בקנה מידה של מודול.
פרוטוקול זה מציג את שיטות הייצור המשמשות לייצור 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe סרט דק התקנים PV. להשוואה, קבוצה של מכשירי cdte 1.5 יקרומטר מיוצרים. המבנים היחידים והבילויים הינם בעלי תנאי התצהיר זהים לגמרי בכל שלבי התהליך, למעט התצהיר CdSeTe. כדי לאפיין אם בולמי CdSeTe/CdTe דקים שומרים על היתרונות אותם הפגינו על ידי עמיתיהם עבים יותר, צפיפות הזרם הנוכחי (J-V), יעילות קוונטית (QE), ו-PL מדידות מבוצעות על התקנים דקה בודדת ובילובר. גידול בצפיפות הזרם הקצר (JSC) כפי שנמדד על ידי J-V ו-qe, בנוסף לעלייה באות PL עבור CdSeTe/cdte vs. CdTe התקן, לציין כי מכשירי CdSeTe/CdTe דק מפוברק על ידי CSS להראות שיפור הבולט באוסף הנוכחי, איכות החומר, ויעילות המכשיר.
למרות שעבודה זו מתמקדת ביתרונות הקשורים לשילוב של סגסוגת CdSeTe למבנה התקן CdTe PV, תהליך הייצור המלא עבור CdTe ו-CdSeTe/CdTe התקנים מתואר לאחר מכן במלואו. איור 1, B מציג מבנים התקן שהושלמו עבור cdte ו-CdSeTe/cdte התקנים בהתאמה, מורכב של תחמוצת מוליך שקוף (TCO)-מצופה המצע זכוכית, n-סוג מגנזיום אבץ תחמוצת (mgzno) פולט שכבה, p-סוג cdte או CdSeTe/cdte בשלים עם cdte2 טיפול וסמים לטיפול ב מלבד התצהיר של CSS, תנאי הייצור זהים בין המבנה היחיד לבין מבנה הביייר. כך, אלא אם צוין אחרת, כל שלב מבוצע הן במבנים CdTe ו-CdSeTe/CdTe.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
התראה: יש לענוד את הכפפות בעת טיפול בחומרים מצעים כדי למנוע זיהום בסרטים ובמגע של חומרים לעור. תהליך ייצור זה דורש טיפול של מבנים המכילים תרכובות קדמיום; לכן יש לענוד חלוק מעבדה וכפפות במעבדה כל הזמן.
1. ניקוי מצע
2. תחמוצת אבץ מגנזיום שכבת החלון התצהיר
הערה: התהליך הזה MgZnO sputter-תצהיר מנצל מגנטרון לא מאוזנת ו 4 "קוטר, 0.25" מטרה עבה עם מרחק היעד למצע של 15 ס"מ. המטרה היא 99.99% טוהר (MgO)11(zno)89 על ידי משקל אחוזים.
3. מרחב הסובלימציה התצהיר והטיפול של שכבות ספיגה
4. סגור-חלל הסובלימציה טיפול נחושת
5. התאיידות התצהיר של טלריום דק
6. בחזרה ניקל יישום מגע
התראה: בשל האדים מצבע Ni ו-מתיל אתיל קטון (מק מ), תמיד להפעיל אוהד התקורה לחזור אוויר במהלך תהליך זה.
7. תיחום לתוך 25 התקנים מהאזור הקטן
הערה: כדי לסיים את מבנה הסרט הדק לתוך התקנים הניתנים למגע חשמלית, מחסנית הסרט חייבת להיות מחולקת להתקני שטח קטנים, כך שאיש הקשר הקדמי TCO ו-Ni-contact מנגישים באופן חשמלית. זה נעשה באמצעות מסיכת מתכת עם הסרה מכנית של מוליך למחצה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
התוספת של CdSeTe לספיגת CdTe דק משפרת את יעילות המכשיר באמצעות איכות חומר מעולה וצפיפות גבוהה במעגל קצר (JSC). איור 3A ואיור 3 ב, (מותאם מתוך שבולן ואח')להראות PL ו trpl, בהתאמה, עבור מכשירי CdTe יחיד ו CdSeTe/cdte התקנים בולם. הן מדידות PL ו-TRPL מציגות באופן ברור פוטולומימיננציה משופרת עם CdSeTe/CdTe bilayer. האינטנסיביות PL משפר על ידי פקטור של שש, ו trpl זנב החיים, להתאים עם מעריכי אחד לחלק האיטי של הריקבון, הוא 12.6 ± 0.1 ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
Bilayer CdSeTe/CdTe מכשירים פוטו וולטאית להפגין שיפורים ביעילות לעומת עמיתיהם CdTe שלהם בגלל איכות חומר טוב יותר מוגבר האוסף הנוכחי. יעילות משופרת כגון הפגינו בולמי bilayer גדול יותר 3 יקרומטר5,7, ועכשיו עם תנאי ייצור אופטימיזציה, זה כבר הוכיחה כי יעילות מוגברת הם גם השגה עבור רזה, 1.5-יקרומטר בולמים.
אופטימיזציה של תהליך הייצור עבור בולמי ביאייר דק מושרש בשלושה שינויים עיקריים: מצע מחממים טמפרטורה, CdSeTe: יחס עובי CdTe, ו Cdte2<...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
. למחברים אין מה לגלות
המחברים רוצים להודות לפרופסור W.S. סמנת לשימוש במערכות התצהיר שלו, Kevan קאמרון עבור תמיכה במערכת, ד ר עמית Munshi עבור עבודתו עם תאים bilayer עבה וקטעי וידאו משלים של מערכת מקוונת ואקום CSS מקוון, וד ר. דריוס קוצ'יסקאס לסיוע עם מדידות TRPL. חומר זה מבוסס על העבודה הנתמכת על ידי ארה ב. משרד האנרגיה של צריכת אנרגיה יעילה ואנרגיה מתחדשת (EERE) תחת אנרגיה סולארית טכנולוגיות משרד (ההסכם) מספר DE-EE0007543.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
משטח חומר חומר
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| צעד אלפא פרופילומטר | מכשירי טנקור | 10-00020 | מכשיר למדידת עובי הסרט |
| חומר CdCl2 חומר | 5N פלוס | N / A | חומר לטיפול בפסיבציה של בולם |
| חומר מוליכים למחצה CdSeTe 5N | פלוס | N / A | חומר מוליכים למחצה מסוג P לשכבת בולם |
| מוליכים למחצה | CdTe 5N פלוס | N / A | חומר מוליכים למחצה מסוג P לשכבת בולם |
| מחולל כוח CESAR RF מחולל אנרגיה | מתקדם | 61300050 | חשמל עבור תצהיר מקרטע MgZnO |
| חומר CuCl חומר | Sigma Aldrich N | / A | חומר לסמים בולם |
| תיחום | Kramer Industries Inc. | מלמין סוג 3 60-80 רשת | חומר חרוזים מפלסטיק לתיחום סרט |
| מארז תא כפפות | Vaniman Manufacturing Co. | Problast 3 | מארז תא כפפות לתיחום סרט |
| קריסטל זהב | קורט ג'יי לסקר חברת | KJLCRYSTAL6-G10 | קריסטל עבור צג עובי אידוי |
| Te HVLP וערכת אקדח ריסוס להזנת הכבידה סטנדרטית | האסקי | HDK00600SG | אקדח ריסוס מוליך ליישום מגע אחורי צבע Ni |
| MgZnO Sputter Target | Plasmaterials, Inc. | PLA285287489 חומר שכבת פולט מסוג N | |
| Micro 90 פתרון ניקוי זכוכית | Cole-Parmer | EW-18100-05 | פתרון לניקוי זכוכית ראשוני |
| מצעי NSG Tec10 | Pilkington | N / A | זכוכית תחמוצת מוליכה שקופה למגע חשמלי קדמי |
| Super Shield Ni ציפוי מוליך | MG כימיקלים 841AR-3.78L | צבע מוליך לשכבת מגע אחורית | |
| חומר Te | Sigma Aldrich | MKBZ5843V | חומר לשכבת מגע אחורית |
| צג עובי | R.D. חברת Mathis | TM-100 | מכשיר לתכנות וניטור תנאי אידוי Te |
| מדלל 1 | MG כימיקלים | 4351-1L | מדלל צבע לערבוב עם Ni לשכבת מגע אחורית |
| מנקה אולטרסאונד 1 | L & R Electronics | Q28OH | מנקה אולטרסאונד 1 לניקוי זכוכית |
| מנקה אולטרסאונד 2 | אולטרסאונד נקי | 100S | מנקה אולטרסאונד 2 לניקוי זכוכית |
| UV/VIS Lambda 2 ספקטרומטר | PerkinElmer | 166351 | המשמש למדידות שידור בסרטי CdSeTe |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה