Articolo metodologico

Celle solari CdSeTe/CdTe ultrasottili a sublimazione a distanza ravvicinata per una maggiore densità e fotoluminescenza di corrente a corto circuito

DOI:

10.3791/60937

⸱

6 marzo 2020

 ,  ,  , 
1Department of Physics, Colorado State University

In questo articolo

Sommario

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

Questo lavoro descrive il processo completo di fabbricazione dei dispositivi fotovoltaici di cassiedi di cadmio seleziono/cadmium sottili assorbenti per una maggiore efficienza. Il processo utilizza un sistema automatico di vuoto in linea per una deposizione di sublimazione dello spazio ravvicinato scalabile, dalla fabbricazione di dispositivi di ricerca su piccola area e moduli su larga scala.

Abstract

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

Gli sviluppi nelle architetture dei dispositivi fotovoltaici sono necessari per rendere l'energia solare una fonte di energia rinnovabile economica e affidabile tra le crescenti richieste energetiche globali e il cambiamento climatico. La tecnologia "Thin Film CdTe" ha dimostrato la competitività dei costi e l'aumento dell'efficienza dovuta in parte atempi di fabbricazione rapidi, all'utilizzo minimo dei materiali e all'introduzione di una lega CdSeTe in uno strato di assorbimento di 3 m. Questo lavoro presenta la fabbricazione di sublimazione dello spazio ravvicinato di dispositivi bilori sottili, 1,5 m CdSeTe/CdTe, utilizzando un sistema automatico di deposizione a vuoto in linea. La struttura e la tecnica di fabbricazione thin bilayer riducono al minimo i tempi di deposizione, aumentano l'efficienza del dispositivo e facilitano lo sviluppo futuro dell'architettura di dispositivi basata sull'assorbitore sottile. Tre parametri di fabbricazione sembrano essere i più impattanti per l'ottimizzazione dei sottili dispositivi assorbitori CdSeTe/CdTe: temperatura di preriscaldamento del substrato, rapporto di spessore CdSeTe:CdTe e passività CdCl2. Per una corretta sublimazione del CdSeTe, la temperatura del substrato prima della deposizione deve essere di 540 gradi centigradi (superiore a quella per CdTe) come controllato dal tempo di dimora in una fonte di preriscaldamento. Variazione nel rapporto di spessore CdSeTe:CdTe rivela una forte dipendenza delle prestazioni del dispositivo da questo rapporto. Gli spessori ottimali dell'assorbitore sono 0,5 m CdSeTe/1,0 m CdTe, e i rapporti di spessore non ottimizzati riducono l'efficienza attraverso effetti di barriera posteriore. Gli assorbitori sottili sono sensibili alla variazione di passività di CdCl2; un trattamento CdCl2 molto meno aggressivo (rispetto agli assorbitori più spessi) per quanto riguarda sia la temperatura che il tempo produce prestazioni ottimali del dispositivo. Con condizioni di fabbricazione ottimizzate, CdSeTe/CdTe aumenta la densità di corrente del corto circuito del dispositivo e l'intensità della fotoluminescenza rispetto al CdTe a singolo assorbitore. Inoltre, un sistema di deposizione del vuoto a sublimazione in linea consente di ridurre materiali e tempi, scalabilità e raggiungibilità delle future architetture assorbenti ultrasottili.

Introduzione

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La domanda globale di energia sta rapidamente accelerando e il 2018 ha dimostrato il più veloce (2,3%) tasso di crescita nell'ultimo decennio1. Abbinato alla crescente consapevolezza degli effetti del cambiamento climatico e della combustione di combustibili fossili, la necessità di energia economica, pulita e rinnovabile è diventata abbondantemente chiara. Delle molte fonti di energia rinnovabile, l'energia solare si distingue per il suo potenziale totale, poiché la quantità di energia solare che raggiunge la Terra supera di gran lunga il consumo energetico globale2.

I dispositivi fotovoltaici (PV) convertono direttamente l'energia solare in energia elettrica e sono versatili in termini di scalabilità (ad esempio, mini-moduli ad uso personale e pannelli solari integrati nella rete) e tecnologie dei materiali. Tecnologie come le celle solari a più e a singola giunzione, a cristalli singolo (GaAs) hanno efficienze che raggiungono rispettivamente il 39,2% e il 35,5%, rispettivamente3. Tuttavia, la fabbricazione di queste celle solari ad alta efficienza è costosa e richiede molto tempo. La telluride del cadmio policristallino (CdTe) come materiale per fotofilmatoria sottili è vantaggiosa per la sua fabbricazione a basso costo e ad alto consumo, la varietà di tecniche di deposizione e il coefficiente di assorbimento favorevole. Questi attributi rendono CdTe propizio per la produzione su larga scala, e miglioramenti nell'efficienza hanno reso CdTe competitivo in termini di costi con il silicio dominante nel mercato fotovoltaico e i combustibili fossili4.

Un recente progresso che ha guidato l'aumento dell'efficienza dei dispositivi CdTe è l'incorporazione di materiale in lega di telluride di selenio di cadmio (CdSeTe) nello strato assorbitore. L'integrazione del materiale CdSeTe con lo spazio della banda eV inferiore a 1,4 eV in un assorbitore CdTe da 1,5 eV riduce lo spazio della banda anteriore dell'assorbitore di bistrato. Questo aumenta la frazione di fotone al di sopra del divario della banda e quindi migliora la raccolta corrente. È stata dimostrata una riuscita incorporazione di CdSeTe in assorbitori di 3 m o più spessa per una maggiore densità di corrente con varie tecniche di fabbricazione (ad esempio, sublimazione dello spazio vicino, deposizione del trasporto di vapore ed elettroplastica)5,6,7. Aumento della spettroscopia a emissione di temperatura ambiente (PL), della fotoluminescenza risolta nel tempo (TRPL) e dei segnali di elettroluminescenza dai dispositivi assorbitori bistrato5,8 indicano che oltre all'aumento della raccolta di corrente, il CdSeTe sembra avere una migliore efficienza radiativa e durata del vettore di minoranza, e un dispositivo CdSeTe/CdTe ha una tensione più grande rispetto all'ideale rispetto a Quanto con solo CdTe. Questo è stato in gran parte attribuito alla passività del selenio dei difetti alla rinfusa9.

Sono state riportate poche ricerche sull'incorporazione di CdSeTe in assorbitori CdTe più sottili (1,5 m). Abbiamo quindi studiato le caratteristiche dei sottili dispositivi per assorbitori CdTe da 0,5 m, con la quale sono stati utilizzati per determinare se i benefici osservati negli assorbitori di bistrato spessi sono raggiungibili anche con gli assorbitori sottili di bistrato. Tali assorbitori CdSeTe/CdTe, più del doppio di quelli più spessi delle loro controparti più spesse, offrono una notevole diminuzione del tempo e del materiale di deposizione e costi di produzione inferiori. Infine, hanno un potenziale per i futuri sviluppi dell'architettura dei dispositivi che richiedono spessori di assorbimento inferiori a 2 m.

La deposizione CSS degli assorbitori in un unico sistema automatico di vuoto in linea offre molti vantaggi rispetto ad altri metodi di fabbricazione10,11. Tassi di deposizione più rapidi con la fabbricazione CSS aumenta la velocità effettiva dei dispositivi e promuove set di dati sperimentali più grandi. Inoltre, l'ambiente a vuoto singolo del sistema CSS in questo lavoro limita le potenziali sfide con le interfacce assorbitore. I dispositivi fotovoltaici a film sottile hanno molte interfacce, ognuna delle quali può fungere da centro di ricombinazione per elettroni e fori, riducendo così l'efficienza complessiva del dispositivo. L'uso di un unico sistema a vuoto per le deposizioni CdSeTe, CdTe e cadmium chloruro (CdCl2) (necessario per una buona qualità assorbitore12,13,14,15,16) può produrre un'interfaccia migliore e ridurre i difetti interfacciali.

Anche il sistema di vuoto automatizzato in linea sviluppato presso la Colorado State University10 è vantaggioso per la sua scalabilità e ripetibilità. Ad esempio, i parametri di deposizione sono impostati dall'utente e il processo di deposizione è automatizzato in modo che l'utente non debba apportare modifiche durante la fabbricazione dell'assorbitore. Anche se in questo sistema sono fabbricati dispositivi di ricerca su piccola area, la progettazione del sistema può essere adattata a deposizioni di aree più grandi, consentendo un collegamento tra la sperimentazione su scala di ricerca e l'implementazione su scala di moduli.

Questo protocollo presenta i metodi di fabbricazione utilizzati per la produzione di dispositivi fotovoltaici a film sottile CdSeTe da 0,5 m Per fare un confronto, viene fabbricato un set di dispositivi CdT da 1,5 m. Le strutture di assorbitore singolo e bistrato hanno condizioni di deposizione nominalmente identiche in tutte le fasi del processo, esclusa la deposizione CdSeTe. Per caratterizzare se gli assorbitori sottili CdSeTe/CdTe mantengono gli stessi benefici dimostrati dalle loro controparti più spesse, le misurazioni di densità-densità di corrente (J-V), efficienza quantistica (QE) e PL vengono eseguite sui dispositivi di assorbimento singolo e bistrato sottili. Un aumento della densità di corrente in cortocircuito (JSC)misurato da J-V e QE, oltre ad un aumento del segnale PL per il CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indicare che i sottili dispositivi CdSeTe/CdTe fabbricati da CSS mostrano un notevole miglioramento nella raccolta corrente, nella qualità del materiale e nell'efficienza del dispositivo.

Sebbene questo lavoro si concentri sui vantaggi associati all'incorporazione di una lega CdSeTe in una struttura di dispositivi fotovoltaici CdTe, il processo di fabbricazione completo per i dispositivi CdTe e CdSeTe/CdTe è descritto successivamente per intero. Figura 1A,B mostra le strutture dei dispositivi completati per i dispositivi CdTe e CdSeTe/CdTe rispettivamente, costituiti da un substrato di vetro trasparente rivestito di ossido di conduzione (TCO), strato di ossido di zinco di tipo n (Mg-nO), p-tipo CdTe o assorbitore CdSeTe/CdTe con trattamento CdCl2 e trattamento con rame, strato sottile di Te e contatto con il ricambio del nichel. Escludendo la deposizione dell'assorbitore CSS, le condizioni di fabbricazione sono identiche tra la struttura single e la struttura del bistrato. Pertanto, se non diversamente specificato, ogni passaggio viene eseguito su entrambe le strutture CdTe e CdSeTe/CdTe.

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Protocollo

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IMPOSTA: I guanti devono essere indossati quando si maneggiano i substrati per evitare la contaminazione della pellicola e il contatto materiale-pelle. Questo processo di fabbricazione richiede la gestione di strutture contenenti composti di cadmio; pertanto, un cappotto da laboratorio e guanti devono essere indossati in laboratorio in ogni momento.

1. Pulizia substrati

  1. Collocare i substrati in vetro rivestito in TCO (9,1 cm x 7,8 cm) in un rack in acciaio inox con ampia spaziatura in modo che la soluzione di pulizia e l'aria compressa possano essere applicate ad ogni faccia di vetro.
  2. Soffiare qualsiasi polvere fuori i substrati utilizzando un tubo dell'aria compressa di azoto.
  3. Posizionare il rack in un detergente ad ultrasuoni (UC1) e riempire con alcool isopropile (IPA). Lasciare stare in sedile per 30 min per rimuovere l'olio residuo e i contaminanti dal processo di taglio industriale del vetro.
  4. Scolare l'IPA da UC1. L'IPA può essere riutilizzato fino a 5 volte per la pulizia iniziale dei substrati.
  5. Sciacquare i substrati con acqua deionizzata (DI), quindi riempire UC1 con acqua DI circa 1 cm sopra il bordo superiore dei substrati. Aggiungere 200 mL di soluzione di pulizia concentrata in modo uniforme sui substrati per rimuovere ulteriormente l'olio residuo, il grasso, il particolato o le macchie d'acqua dura.
  6. Utilizzando la potenza principale, attivare la frequenza ultrasonica UC1 a 43 kHz e la potenza di 425 W e lasciare che i substrati si siedano per 1 h.
  7. Sciacquare un secondo, più grande pulitore ad ultrasuoni (UC2) con acqua DI e riempire tre quarti del suo volume con acqua DI.
  8. Spegnere UC1 e rimuovere il rack in acciaio inox. Iniziare immediatamente a risciacquare i substrati con acqua DI su un lavandino.
    NOTA: Non lasciare asciugare i substrati in questa fase.
  9. Trasferire il rack in acciaio inossidabile all'UC2 e riempire completamente con acqua DI in modo che i substrati siano completamente coperti. Accendere la frequenza ultrasonica UC2 a 40 kHz e la potenza di 600 W e lasciare che i substrati si siedano per 30 min.
  10. Preparare l'asciugatrice a vapore IPA fatta in casa.
    1. Assicurando che la valvola sia chiusa, collegare un tubo del gas all'azoto ad altissima purezza (UHP). Aprire il serbatoio di azoto e impostare il regolatore a 10 psi. Aprire la valvola al flusso di azoto e regolare a 100 PSIG sul misuratore di flusso collegato, quindi chiudere nuovamente la valvola.
    2. Riempire un pallone con 150 mL di IPA fresco e sughero saldamente il pallone. Il sughero sigilla saldamente l'apertura del pallone consentendo al passo di azoto e IPA attraverso due piccoli sistemi a tubo metallico incorporati nel sughero. Questi si collegano a un piccolo sistema di tubazioni metalliche con fori fini, che si trova sopra UC2 in modo che il vapore di azoto/IPA è incidente sui substrati.
  11. Quando il ciclo di risciacquo UC2 è fatto, spegnere il calore e UC2.
  12. Aprire la valvola dell'essiccatore di vapore all'azoto e all'IPA e aprire la valvola di scarico sull'UC2 in modo che l'acqua DI esca molto lentamente.
    NOTA: L'acqua DI deve essere drenata molto lentamente. Questo processo sostituisce l'acqua DI con vapore azoto/IPA per evitare la formazione di macchie d'acqua sui substrati. Questo dovrebbe prendere 1-2 h per 30.000 cm3 di acqua.
  13. Una volta drenato completamente, rimuovere il rack da UC2 e chiudere la valvola asciugatrice a vapore.
  14. Conservare in un ambiente pulito e indipendente per un utilizzo futuro.
    NOTA: i substrati puliti possono essere lasciati in questo ambiente a tempo indeterminato, purché rimangano puliti. Ispezionare i substrati puliti prima di un ulteriore utilizzo per assicurarsi che non debbano essere nuovamente sottoposti al processo di pulizia.

2. Disposizione dello strato di giunzione della finestra di ossido di zinco magnesio

NOTA: Questo processo di deposizione sputter di Mg-nO utilizza un magnetron sbilanciato e un bersaglio di 4" di spessore, spesso 0,25" con una distanza da bersaglio a substrato di 15 cm. L'obiettivo è 99.99% purezza (MgO)11(NO)89 per cento di peso.

  1. Avvio del sistema Sputter
    1. Accendere la pompa meccanica e la valvola della linea di prua, seguita dalla pompa di diffusione per la camera sputter. Assicurarsi che l'acqua di raffreddamento di destinazione sia accesa e che le valvole meccaniche all'acqua di raffreddamento di destinazione siano aperte.
    2. Accendere la pompa di blocco di carico utilizzando l'interruttore sulla pompa.
    3. Lasciare riscaldare la pompa di diffusione per 15 min.
    4. Controllare la pressione della camera sul misuratore di pressione: se è inferiore a 2,0 x 10-1 Torr, aprire la valvola del cancello della pompa di diffusione. Se la pressione è maggiore di 2,0 x 10-1 Torr, accendere la valvola della linea di taglio in modo che si chiuda e aprire la valvola di sgrossatura fino a quando la pressione non scende. Quindi, passare chiuso la valvola di sgrossatura, aprire la linea di prua e aprire manualmente la valvola di cancello della pompa di diffusione.
    5. Nel software del computer, impostare la pressione di esecuzione su 5 mTorr e fare clic su "gas enable", che consente il flusso di gas. Il flusso dovrebbe essere di 19-20 sccm e ossigeno impostato al 3% del flusso totale con la bilancia come argon nel software.
    6. Lasciare pompare la camera per 10 min.
    7. Verificare che la pressione di base sia inferiore a 1,0 x 10-5 Torr nella lettura del misuratore io.
    8. Assicurarsi che il braccio di trasferimento sia completamente ritirato dalla camera (guardare attraverso la finestra della camera per assicurarsi che il supporto del campione non sia nella camera) e passare la valvola del cancello di blocco di carico chiusa.
    9. Assicurarsi che l'otturatore sia chiuso: questo può essere controllato guardando attraverso la finestra della finestra per vedere che si trova direttamente sopra il catodo sputter.
    10. Sull'alimentatore, impostare l'alimentazione del generatore RF su 60 W. Nel software del computer aumentare la pressione a 15 mTorr per l'accensione del plasma, accendere la rfm, e una volta che il plasma si è acceso, ridurre la pressione di nuovo a 5 mTorr nel software. La potenza riflessa dovrebbe essere 1–2 W. Se è molto più alto, la rete di corrispondenza RF deve essere sintonizzata.
    11. L'obiettivo deve essere riscaldato per evitare crepe: aumentare la potenza del generatore di energia RF ad una velocità di 20 W/min fino a raggiungere una potenza finale di 140 W. La potenza riflessa dovrebbe idealmente essere <5% della potenza reale. Lasciare il bersaglio a pre-sputter con l'otturatore chiuso per 15 min.
  2. Deposizione di sferigli mg-nO
    1. Per calibrare il tasso di deposizione, è necessario fabbricare un campione di testimone. Utilizzare un marcatore permanente per disegnare una linea di 0,2 cm (lunghezza) sul lato rivestito tCO di un substrato pulito.
    2. Assicurarsi che la valvola di blocco del carico sia chiusa, quindi allentare e aprire la manopola della porta di blocco del carico. Sfiatare il blocco di carico con un quarto di giro della valvola di sfiato ad azoto UHP fino a quando la porta di blocco del carico si allenta. Tenere la valvola di sfiato parzialmente aperta per eliminare la serratura del carico mentre la porta è aperta.
    3. Utilizzare un detergente d'aria palmare per rimuovere delicatamente eventuali particelle di polvere dal substrato pulito rivestito tab. Rimuovere qualsiasi substrato sul supporto del campione e caricare il substrato pulito TCO side-down utilizzando un paio di pinzette con punta di gomma. Tenere il campione sul bordo per evitare l'area di deposizione.
    4. Chiudere e stringere la porta di blocco del carico. Accendere la pompa di blocco del carico e chiudere la valvola di sfiato ad azoto.
    5. Pompare il blocco del carico fino a quando il misuratore di pressione del blocco di carico legge al di sotto di 5,0 x 10-2 Torr. Quindi spegnere la pompa di blocco di carico e passare il cancello di blocco di carico (la pressione non deve picco superiore a 7 mTorr). Attendere che la pressione si livelli e inserire manualmente il braccio di trasferimento in modo che il campione si trova sopra il catodo otturato.
    6. Impostare il tempo di deposizione desiderato su un timer e iniziare la temporizzazione mentre l'otturatore viene aperto manualmente. Chiudere immediatamente l'otturatore quando il timer si spegne.
    7. Ritirare manualmente il braccio di trasferimento e chiudere il cancello di blocco del carico.
    8. Rimuovere o scambiare il campione seguendo i passaggi 2.2.2–2.2.5.
    9. Per ottenere il tasso di deposizione di Mg-nO, rimuovere il marcatore permanente dal campione di testimonianza con un applicatore con punta di cotone immerso nel metanolo. Misurare lo spessore utilizzando un profilometro17 e impostare i tempi di deposizione successivi per lo spessore di Mg-nO desiderato (100 nm per i campioni presentati in questo lavoro).
    10. Ripetere la deposizione per tutti i campioni desiderati.
      NOTA: Dopo la deposizione di Mg-nO, i campioni possono essere conservati per un certo tempo. A rischio di ossidazione, si consiglia di essere conservati in un desiccatore sotto vuoto per non più di 1 settimana per i migliori risultati.

3. Deposizione di sublimazione dello spazio vicino e trattamento degli strati assorbitori

  1. Avvio del sistema CSS
    1. Assicurarsi che 1) il sistema è sotto vuoto, 2) le pompe meccaniche e di diffusione sono accese, 3) la valvola del cancello di blocco del carico è aperta alla camera e 4) la pressione è impostata su 40 mTorr.
    2. Aprire manualmente la valvola di flusso del gas (98% N2 e 2% O2) e selezionare "Gas enable" sul software del computer. La pressione dovrebbe stabilizzarsi intorno a 40 mTorr.
    3. Accendere l'analizzatore di gas residuo (RGA) aprendo la valvola RGA e collegandosi al programma software. Ciò è necessario per monitorare i livelli di acqua, ossigeno, azoto e idrogeno nel sistema. Questi livelli sono in genere circa 4,5 x 10-9, 2,5 x 10-8, 2,3 x 10-6e 8,0 x 10-10 Torr per ciascuno, rispettivamente.
    4. Portare il sistema CSS fonti superiore e inferiore fino a temperature operative nel programma del computer. Le temperature di massima la sorgente sono impostate su 620 gradi centigradi per il preriscaldamento, 360 gradi per CdTe, 420 gradi centigradi per CdSe20Te80, 387 gradi centigradi per CdCl2, 400 gradi centigradi per l'anamento e 620 gradi per la cottura. Le temperature di origine inferiore sono impostate a 620 gradi centigradi per il preriscaldamento, 555 gradi centigradi per CdTe, 545 gradi centigradi per CdSe20Te80, 439 gradi centigradi per CdCl2, 400 gradi centigradi per l'anamento e 620 gradi per la cottura. Questi differenziali di temperatura promuovono la sublimazione dal basso verso l'alto, in modo che il materiale sublimi sul campione, situato tra le fonti.
    5. Quando le sorgenti hanno raggiunto le temperature operative, eseguire il supporto del campione attraverso la ricetta bakeoff: nel software, selezionare "Bakeoff" nell'elenco delle ricette e fare clic su "Run". Questo sposterà automaticamente il braccio di trasferimento in modo che il supporto del campione rimanga nella fonte di cottura per 480 s. Questo riscalda il supporto del campione e cuoce fuori il materiale in eccesso.
    6. Dopo che il braccio di trasferimento ritrae automaticamente il supporto del campione nella posizione di casa e chiude la valvola di cancello, sfiatare il blocco del carico aprendo la valvola di sfiato dell'azoto UHP. Una volta ventilata, aprire la porta di blocco del carico e chiudere la valvola di sfiato.
  2. Deposizione CSS e trattamento passivo degli assorbitori
    1. Utilizzare un volato d'aria portatile per rimuovere delicatamente eventuali particelle di polvere dal substrato pulito rivestito da Mg-nO/TCO e caricare il substrato sul supporto del campione (lato Mg-nO verso il basso).
    2. Chiudere la porta di blocco del carico e pompare lungo la serratura di carico attivando l'interruttore di sgrossatura del blocco di carico.
    3. Durante il pompaggio verso il basso, inserire la ricetta desiderata per la deposizione CSS nel programma per computer. Le ricette utilizzate per preparare le strutture CdTe e CdSeTe/CdTe sono diverse in questa fase e sono le seguenti.
    4. Per l'esempio di controllo CdTe (per la determinazione del tasso di deposizione CdTe; richiesto sia per la fabbricazione di dispositivi CdTe che CdSeTe/CdTe), utilizzare:
      110 s in fonte di preriscaldamento (questo solleva il vetro a 480 gradi centigradi in modo tale che Il CdTe sublimi correttamente sul substrato);
      110 s in fonte CdTe (questo sublima CdTe sul substrato);
      180 s in fonte CdCl2 [la deposizione CdCl2 è necessaria per una buona performance del dispositivo CdTe (è stato dimostrato che passiva i confini dei grani e i legami penzolanti e promuove la crescita e l'allineamento del grano nell'assorbitore di CdTe policristallino12,13,14,15,16)];
      240 s in fonte anale (questo spinge il CdCl2 nel materiale assorbitore); E
      300 s in fonte di raffreddamento (questo permette al campione di raffreddarsi per lo scarico).
    5. Utilizzando una lama di rasoio, scriva una piccola area di materiale CdTe dal substrato e misura lo spessore della pellicola CdTe utilizzando un profilometro superficiale per determinare il tasso di deposizione17.
    6. Per l'esempio di controllo CdSeTe (per la determinazione del tasso di deposizione CdSeTe; richiesto solo per la fabbricazione di dispositivi CdSeTe/CdTe), utilizzare:
      140 s in fonte di preriscaldamento (questo solleva il vetro a 540 gradi centigradi in modo tale che CdSeTe sublimi correttamente sul substrato);
      300 s in fonte CdSeTe (questo sublima CdSeTe sul substrato); E
      300 s nella fonte di raffreddamento.
    7. Utilizzando una lama di rasoio, scriva una piccola area di materiale CdSeTe dal substrato e misura lo spessore della pellicola CdSeTe utilizzando un profilometro di superficie per determinare il tasso di deposizione17.
    8. Per il singolo assorbitore sottile (campione CdTe), utilizzare:
      110 s in fonte di preriscaldamento;
      xx s nella sorgente CdTe [il tempo di dimora dipende dal tasso di deposizione CdTe e dallo spessore desiderato (per l'assorbitore CdTe singolo da 1,5 m utilizzato qui, il tempo di dimora è 60 s)];
      150 s nella fonte CdCl2 [il trattamento CdCl2 dipende dallo spessore dell'assorbitore; pertanto, devono essere condotti esperimenti per ottimizzare le condizioni di trattamento (i tempi di dimora elencati sono ottimizzati per assinosti soli di 1,5 amassorbitori 18)];
      240 s di fonte anali; E
      300 s nella fonte di raffreddamento.
    9. Per l'assorbitore di bistrato sottile (campione CdSeTe/CdTe), utilizzare:
      140 s in fonte di preriscaldamento;
      xx s nella fonte CdSeTe [ancora una volta, il tempo di dimora dipende dal tasso di deposizione CdSeTe e dallo spessore desiderato (per lo strato CdSeTe da 0,5 m utilizzato qui, il tempo di dimora è 231 s)];
      xx s nella sorgente CdTe [il tempo di dwell dipende dallo spessore CdTe desiderato e dal tasso di deposizione calcolato dallo spessore misurato del campione di testimonianza CdTe (per l'assorbitore CdSeTe/CdTe da 1,5 m utilizzato qui, il tempo di dimora è di 50 s per uno strato CdTe da 1,0 m]]
      150 s nella fonte CdCl2;
      240 s di fonte anali; E
      300 s nella fonte di raffreddamento.
    10. Quando la pressione di blocco del carico legge sotto 40 mTorr nel software del computer, utilizzando il software, aprire la valvola di blocco del carico e selezionare "Start". Il programma esegue automaticamente la ricetta selezionata e tornerà alla posizione di casa dopo aver completato il passaggio di raffreddamento10.
    11. Una volta completata la deposizione completa, aprire la valvola di sfiato del blocco del carico, sfiatare nell'atmosfera e aprire la porta di blocco del carico per il raffreddamento finale del substrato. Dopo 60 dollari, il substrato deve essere abbastanza fresco da rimuovere dal supporto del campione con un panno senza laminetta.
    12. Una volta rimosso il campione, chiudere la porta di blocco del carico, pompare lungo la serratura di carico accendendo l'interruttore di sgrossatura e seguire il passaggio 3.1.5 per eseguire la ricetta del forno. Un forno deve essere eseguito tra ogni deposizione del campione per pulire il supporto del campione.
    13. Il campione elaborato deve avere uno strato bianco nebuloso sulla pellicola tratta dal trattamento CdCl2. Scattare una foto del film per notare il modello foschia. Se c'è poco o nessun materiale visibile dal trattamento CdCl2, questo trattamento probabilmente ha bisogno di ottimizzazione.
    14. Sciacquare il materiale CdCl2 in eccesso dal film in un becher graduato utilizzando L'acqua DI e asciugare la pellicola con argon compresso.
      AVVISO: Questo risciacquo CdCl2 deve essere eseguito in un contenitore contenuto. Al termine, smaltire la miscela di acqua CdCl2/DI nel contenitore di rifiuti pericolosi appropriati.
      NOTA: Dopo la deposizione CSS, i campioni possono essere conservati per qualche tempo, ma si consiglia di essere memorizzati in un desiccatore sotto vuoto per non più di 1 settimana per ottenere i migliori risultati. Uno schema del sistema di deposizione CSS in linea automatizzato è illustrato nella Figura 2.

4. Trattamento del rame a sublimazione dello spazio vicino

  1. Avvio del sistema CSS
    1. Assicurarsi che le pompe meccaniche e di diffusione siano accese.
    2. Aprire la valvola del gas di processo e regolare manualmente la manopola di controllo del flusso di gas fino a quando la pressione di funzionamento di 40 mTorr non viene visualizzata sul misuratore di pressione.
    3. Impostare e attivare manualmente le origini CSS utilizzando controller PID (Proportional-integral-derivative). Le temperature di origine superiore utilizzate in questo esperimento sono di 330 gradi centigradi per la sorgente di preriscaldamento, di 170 gradi centigradi per la sorgente CuCl e di 200 gradi centigradi per la sorgente anneal. Le temperature di origine inferiore sono di 330 gradi centigradi per la sorgente di preriscaldamento, di 190 gradi centigradi per la sorgente CuCl e di 200 gradi centigradi per la sorgente anneale.
    4. Interruttore aprire la valvola della pompa di diffusione e chiudere manualmente la valvola di blocco del blocco di carico.
  2. Trattamento CuCl su strutture assorbitori
    1. Quando le fonti hanno raggiunto la temperatura di esercizio, il campione può essere caricato sul supporto del campione:
      1. Allentare la manopola per la porta di blocco del carico.
      2. Sfiatare il blocco del carico con un quarto di giro della valvola di sfiato ad azoto UHP.
      3. Aprire la porta di blocco del carico e utilizzare un ricevitore d'aria portatile per rimuovere delicatamente eventuali particelle di polvere dal campione. Posizionare il lato della pellicola campione sul supporto del campione utilizzando un paio di pinzette con punta di gomma, tenendo il campione sul bordo per evitare l'area di deposizione.
      4. Chiudere la valvola di sfiato e chiudere e stringere la porta di blocco del carico.
      5. Aprire manualmente la pompa di blocco del carico e lasciare che la pompa di blocco del carico sotto la pressione di crossover (40 mTorr).
    2. Quando si ottiene la pressione di crossover, chiudere manualmente la pompa di blocco del carico e aprire manualmente la valvola di blocco del carico.
    3. Spostare manualmente il braccio di trasferimento nelle posizioni preriscaldare, CuCl e anneal in sequenza. Un timer viene utilizzato per il tempo di perlato in ogni posizione. Per i campioni descritti, i tempi di permanazione sono 75 s, 5 s e 250 s per le fonti di preriscaldamento, CuCl e anneal, rispettivamente.
    4. Dopo la fase di fissaggio, riportare manualmente il braccio di trasferimento in posizione iniziale e chiudere la valvola di blocco del carico.
    5. Seguire il passaggio 4.2.1 per lo scambio di campioni.
      NOTA: quando si scarica un campione precedente, è ancora probabile che sia ancora caldo. Rimuovere il campione con un paio di pinzette con punta di gomma e lasciarlo raffreddare (film side up) su un blocco metallico. Dopo il trattamento Cu, i campioni possono essere conservati per qualche tempo, ma si consiglia di conservarli in un desiccatore sotto vuoto per non più di 1 settimana per ottenere i migliori risultati.

5. Deposizione di evaporazione del tellurio sottile

  1. Accendere la pompa meccanica, la valvola a linea di linea e la pompa di diffusione utilizzando gli interruttori del sistema evaporatore. Lasciare riscaldare la pompa di diffusione per 20 min.
  2. Sfiatare e aprire la camera aprendo la valvola di sfiato ad azoto e sollevando la camera evaporatrice. Caricare la Te nella barca molybdenum rivestita di allumina. Spostare la camera dell'evaporatore di nuovo in posizione dopo che il materiale è stato caricato.
  3. Immettere le impostazioni appropriate per la deposizione Di Te da una barca molybdenum rivestita di allumina nel pannello del monitor al quarzo (QCM) (densità : 6,25 g/cm3 e impedimento acustico - 9,81 g/cm2s).
  4. Aprire la parte superiore della camera per accedere al supporto del campione. Utilizzare un ricevitore d'aria palmare per rimuovere delicatamente le particelle di polvere dal campione. Caricare il lato pellicola campione verso il basso sul supporto del campione e chiudere la parte superiore della camera.
  5. Spostare manualmente la leva nella posizione di sgrossatura; sia le letture di sgrossatura che le letture di pressione della camera dovrebbero iniziare a diminuire. Lasciare che la pressione scappi al di sotto di 10 mTorr.
  6. Ruotare la valvola all'angolo della linea di retroazione nella posizione della linea di retro. Attendere 30 s per qualsiasi picco momentaneo di pressione da risolvere, quindi aprire la valvola ad alto vuoto. Quando il lettore di pressione della camera ha basato fuori, la pressione di deposizione corretta di 1,0 x 10-5 Torr è stata raggiunta.
  7. Accendere l'interruttore di alimentazione, aprire l'otturatore e attivare il controllo corrente per iniziare la deposizione. La gamma operativa ottimale è di 90-100 accessori in modo tale che il tasso di deposizione sarà da 5 a 10 dollari. Il tasso di deposizione, visualizzato nella lettura QCM, può cambiare rapidamente; pertanto, la corrente deve essere regolata continuamente durante la deposizione per mantenere la velocità compresa tra 5 e 10 .
  8. Quando QCM visualizza lo spessore di Te desiderato (40 nm per i campioni utilizzati qui), spegni rapidamente e contemporaneamente la corrente a zero, spegnere l'interruttore di alimentazione e chiudere l'otturatore.
  9. Chiudere la valvola ad alto vuoto, aprire la valvola di sfiato dell'azoto e rimuovere il campione dal supporto del campione. Ripetere i passaggi da 5,4 a 5,8 per la deposizione su campioni aggiuntivi.
    NOTA: Dopo la deposizione Te, i campioni possono essere conservati per qualche tempo, ma si consiglia di conservarli in un desiccatore sotto vuoto per non più di 1 settimana per ottenere i migliori risultati.

6. Applicazione di contatto Nickel back

AVVISO: A causa dei fumi della vernice Ni e del chetone etilico metil (MEK), eseguire sempre una ventola aerea per ciclo aria durante questo processo.

  1. Montare i campioni (lato pellicola rivolto in avanti) su un ripiano di montaggio verticale.
  2. Assicurarsi che la pistola applicatore Ni sia pulita in tutto. In caso contrario, pulire con MEK.
  3. Il contatto posteriore è una miscela di vernice Ni conduttiva e diluente ad un rapporto 2:1. Prima di applicare la vernice, scuotere la soluzione a contatto posteriore per garantire una miscelazione completa.
  4. Versare la soluzione a contatto posteriore Ni nella pistola dell'applicatore e accendere il tubo del compressore d'aria collegato. Spruzzare un pezzo di prova (cioè cartone) per garantire che la vernice si applichi in modo uniforme. Se è uniforme, applicare il contatto posteriore ai campioni spruzzando la soluzione attraverso il set di campioni con un movimento laterale lento. Lasciare asciugare leggermente il contatto alla schiena e applicare tutte le volte che è necessario per una copertura completa (in genere, cinque passaggi funziona bene).
    NOTA: la soluzione Ni può asciugare e intasare la pistola dell'applicatore; pertanto, per evitare un processo di disconnessione durante l'applicazione di back-contact, è importante attendere non più di 60 s tra i set di spruzzi.
  5. Spegnere il compressore d'aria e lasciare asciugare il contatto posteriore sui campioni per almeno 1 ora.

7. Delineation in 25 dispositivi di piccola area

NOTA: Per completare la struttura della pellicola sottile in dispositivi a contatto elettrica, la pila di pellicole deve essere delineata in piccoli dispositivi di area in modo che il contatto frontAT e il contatto posteriore Ni siano accessibili elettricamente. Questo viene fatto utilizzando una maschera metallica con rimozione meccanica del semiconduttore.

  1. Inserire un campione nella maschera metallica.
  2. Mettere il campione mascherato nel vano portaoggetti e utilizzando un tubo di sifone, applicare il vetro, il supporto con perline alle porzioni non mascherate del campione. Una corretta rimozione del materiale si ottiene quando le finestre della maschera diventano quasi trasparenti.
  3. Ripetere questo processo con la seconda maschera in modo che, al termine della delineazione, 25 piccoli dispositivi quadrati di area appaiono in un modello 5 x 5 sul campione. Le aree completate sono di 0,6 cm2.
  4. Pulire il lato pellicola dei campioni con un applicatore con punta di cotone immerso in acqua DI.
  5. Per ridurre al minimo la resistenza laterale nelle misurazioni elettriche dei dispositivi finiti, saldare un modello di griglia tra i dispositivi con una saldatura indio.
    NOTA: le strutture dei dispositivi completate sono fornite in Figura 1A e Figura 1B per i dispositivi assorbitori CdTe e CdSeTe/CdTe, rispettivamente.

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Risultati

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L'aggiunta di CdSeTe a un sottile assorbitore CdTe migliora l'efficienza del dispositivo attraverso una qualità superiore del materiale assorbitore e una maggiore densità di corrente a corto circuito (JSC). La figura 3A e la figura 3B, (adattata da Bothwell et al.8) mostrano rispettivamente PL e TRPL per i singoli dispositivi assorbitori CdTe e assorbitori bistrato CdSeTe/CdTe. Entrambe le misurazioni PL e TRPL mostrano chiaram...

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Discussione

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I dispositivi fotovoltaici CdSeTe/CdTe a biostrato dimostrano miglioramenti nell'efficienza rispetto alle loro controparti CdTe grazie alla migliore qualità del materiale e all'aumento della raccolta delle correnti. Tali efficienze migliorate sono state dimostrate negli assorbitori di biostrato superiori a 3 m5,7e ora con condizioni di fabbricazione ottimizzate, è stato dimostrato che un aumento dell'efficienza è realizzabile anche per gli assorbitori di bistrato...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Gli autori desiderano ringraziare il professor W.S. Sampath per l'uso dei suoi sistemi di deposizione, Kevan Cameron per il supporto del sistema, il dottor Amit Munshi per il suo lavoro con celle bistrato più spesse e filmati supplementari del sistema di deposizione del vuoto CSS automatizzato in linea, e il dottor Darius Kuciauskas per assistenza con le misurazioni TRPL. Questo materiale si basa sul lavoro supportato dall'Office of Energy of Energy EERE (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Energy" del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti nell'ambito del numero di accordo SETO (Solar Energy Technologies Office) DE-EE0007543.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Profilometro di superficie Alpha StepTencor Instruments10-00020Strumento per la misura dello spessore del film
Materiale CdCl25N PlusN/AMateriale per il trattamento di passivazione dell'assorbitore
CdSeTe Materiale semiconduttore5N PlusN/Asemiconduttore di tipo P per lo strato assorbente
CdTe Materiale semiconduttore5N PlusN/AMateriale semiconduttore di tipo P per lo strato assorbente
Generatore di energia RF CESAR AdvancedEnergy61300050Generatore di energia per deposizione di MgZnO Sputter
Materiale CuClSigma AldrichN/AMateriale per il drogaggio dell'assorbitore
Materiale di delineazioneKramer Industries Inc.Melamina Tipo 3 60-80 meshMateriale di perline in plastica per la delineazione del film
Glovebox EnclosureVaniman Manufacturing Co.Problast 3Custodia per scatola a guanti per la delineazione del film
Cristallo d'oroKurt J. Lesker CompanyKJLCRYSTAL6-G10Cristallo per il monitor dello spessore di evaporazione
HVLP e standard Gravity Feed Spray Gun Gun KitHuskyHDK00600SGPistola a spruzzo applicatore per l'applicazione del contatto posteriore della vernice
Ni MgZnO Sputter TargetPlasmaterials, Inc.PLA285287489Materiale dello strato dell'emettitore di tipo N
Soluzione per la pulizia del vetro Micro 90Cole-ParmerEW-18100-05Soluzione per la pulizia iniziale del vetro
Substrati NSG Tec10PilkingtonN/AVetro all'ossido conduttore trasparente per contatto elettrico frontale
Super Shield Ni Rivestimento conduttivoMG Chemicals841AR-3.78LVernice conduttiva per lo strato di contatto posteriore
MaterialeTe Sigma AldrichMKBZ5843VMateriale per lo strato di contatto posteriore
Monitor di spessoreR.D. Mathis CompanyTM-100Strumento per la programmazione e il monitoraggio delle condizioni di evaporazione Te
Diluente 1MG Chemicals4351-1LDiluente per vernici da miscelare con Ni per lo strato di contatto posteriore
Pulitore ad ultrasuoni 1L & R ElectronicsQ28OHPulitore ad ultrasuoni 1 per la pulizia del vetro
Pulitore ad ultrasuoni 2Ultrasonic Clean100SPulitore ad ultrasuoni 2 per la pulizia
del vetro Spettrometro UV/VIS Lambda 2 SpettrometroPerkinElmer166351utilizzato per misure di trasmissione su film CdSeTe
Materiale

Riferimenti

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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).
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  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).
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