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

L'aggiunta del telluride di selenio al cadmio agli assorbitori di telluridi al cadmio è significativa per i miglioramenti dell'efficienza fotovoltaica. Maggiori efficienze e risparmio di materiali con strati ultra sottili anticipano lo sviluppo fotovoltaico e delle energie rinnovabili. I principali vantaggi della deposizione automatica in linea della sublimazione dello spazio chiuso o CSS è che la sublimazione dello spazio vicino è veloce e la deposizione automatizzata garantisce la riproducibilità tra i dispositivi.

La sublimazione a spazio ravvicinato affronta una delle sfide nella deposizione di assorbitori di pellicole per celle solari. La sfida è che può essere piuttosto lento depositare pellicole sottili in modo che la sublimazione a spazio ravvicinato ci permetta di farlo a un ritmo più veloce e quindi produrre più celle solari in un giorno. Questo metodo di deposizione è anche molto utile per altre deposizioni di film sottili in quanto molte volte l'esposizione atmosferica non è desiderabile.

Come per qualsiasi sistema di fabbricazione, la supervisione iniziale da parte di un utente esperto è altamente consigliabile. Poiché la fabbricazione di questi dispositivi fotovoltaici assorbenti bistrato richiede molti passaggi, la visualizzazione del campione dopo ogni fase è fondamentale per capire quali qualità della pellicola visiva sono richieste. Iniziare utilizzando un soffiatore d'aria portatile per rimuovere delicatamente eventuali particelle di polvere da un substrato rivestito di ossido conduttore trasparente pulito contrassegnato con marcatore permanente e utilizzare un paio di pinzette con punta in gomma per caricare il substrato pulito sul supporto del campione lato ossido conduttore trasparente verso il basso.

Con la porta di blocco del carico chiusa, pompare il blocco del carico fino a quando il manometro del blocco di carico non legge sotto cinque volte 10 al due torr negativo e spegnere la pompa di blocco del carico. Aprire il cancello di blocco del carico e attendere che la pressione si livella prima di inserire manualmente il braccio di trasferimento in modo che il campione si sieda sopra il catodo chiuso. Impostare il tempo di deposizione desiderato su un timer e iniziare la tempistica quando l'otturatore viene aperto manualmente.

Chiudere immediatamente l'otturatore mentre il timer si spegne e ritrarre completamente il braccio di trasferimento prima di chiudere il cancello di blocco del carico e scaricare il campione. Per ottenere il tasso di deposizione dell'ossido di zinco magnesio, utilizzare un applicatore con punta di cotone immerso nel metanolo per rimuovere il marcatore dal campione di testimone e misurare lo spessore con un profilometro. Per la sublimazione a spazio ravvicinato degli strati assorbenti, impostare le sorgenti superiore e inferiore nel sistema di deposizione con un differenziale di temperatura per una corretta sublimazione del materiale.

Utilizzare un soffiatore d'aria portatile per rimuovere delicatamente eventuali particelle di polvere dall'ossido di zinco di magnesio pulito e dal substrato trasparente rivestito di ossido conduttore e caricare il substrato pulito sul supporto del campione di ossido di zinco magnesio lato verso il basso. Dopo aver chiuso la porta di blocco del carico, accendere l'interruttore di sgrossatura del blocco di carico per pompare giù la serratura di carico. Durante il pompaggio verso il basso, impostare la ricetta di deposizione per il campione di testimone telluride di cadmio a 110 secondi di tempo di dimora nella fonte di preriscaldamento per sollevare il vetro a circa 480 gradi Celsius, 110 secondi nella sorgente telluride di cadmio per la deposizione di telluride di cadmio, 180 secondi nella sorgente di cloruro di cadmio per la passivizzazione del telluride di cadmio policcristallino, 240 secondi nella sorgente ricotta per guidare il cloruro di cadmio nell'assorbitore e 300 secondi nella sorgente di raffreddamento.

Quando il blocco di carico viene pompato sotto i 40 millitorr, aprire la valvola a saracinetto e avviare la ricetta di deposizione nel software. Il braccio di trasferimento si sposterà automaticamente nelle posizioni preimpostate tornando alla posizione di casa al completamento. Al termine della deposizione, sfiatare la serratura di carico nell'atmosfera e aprire la porta di blocco del carico.

Quando il campione è abbastanza fresco da maneggiare, rimuoverlo con un panno privo di pelucchi. Utilizzare acqua deionizzata per risciacquare il residuo visibile di cloruro di cadmio dalla superficie del film in un becher graduato e asciugare il film con azoto compresso. Quindi utilizzare una lama di rasoio per raschiare una piccola area di materiale tellurico di cadmio dal substrato e utilizzare un profilometro superficiale per misurare lo spessore del film telluride di cadmio per determinare la velocità di deposizione.

Quando la pressione di blocco del carico è inferiore a 40 millitorr, eseguire una ricetta bakeoff nel software. Una volta completato il bakeoff, impostare la ricetta di deposizione per il campione di testimonianza del telluride di selenio di cadmio per stabilire lo spessore. Impostare 140 secondi di tempo di soffermamento nella sorgente di preriscaldamento per alzare il vetro a circa 540 gradi Celsius, 300 secondi nella sorgente di telluride di selenio cadmio per la deposizione di telluride di selenio di cadmio e 300 secondi nella fonte di raffreddamento.

Quando la pressione di blocco del carico raggiunge meno di 40 millitorr, eseguire la ricetta di deposizione. Una volta completata la deposizione della pellicola telluride di selenio di cadmio, scaricare il campione raffreddato con un panno privo di pelucchi e graffiare una piccola sezione di materiale per determinare la velocità di deposizione del telluride di selenio cadmio con un profilometro come precedentemente dimostrato. Per fabbricare un assorbitore di telluride di cadmio singolo da 1,5 micron, impostare la ricetta di deposizione in base al tasso di deposizione del telluride di cadmio e a un trattamento di cloruro di cadmio precedentemente ottimizzato per assorbitori ultra sottili.

Utilizzare un tempo di rigonfiamento preriscaldato di 110 secondi, un telluride di cadmio di 60 secondi, un tempo di rigonfiamento del cloruro di cadmio di 150 secondi e un tempo di ricottura di 240 secondi e un tempo di raffreddamento di 300 secondi. Quando la pressione di blocco del carico raggiunge meno di 40 millitorr, aprire la valvola del cancello di blocco del carico e selezionare avvia. Il programma eseguirà automaticamente la ricetta di deposizione selezionata tornando alla posizione iniziale al termine della fase di raffreddamento.

Per fabbricare un telluride di selenio di cadmio da 0,5 micron e un assorbitore bistrato di telluride di cadmio da 1,0 micron, impostare la ricetta di deposizione in base alla velocità di deposizione dell'assorbitore con un tempo di rigonfiamento preriscaldato di 140 secondi, un telluride di selenio di cadmio di 231 secondi, un tempo di recupero del telluride di cadmio di 50 secondi, un tempo di rigonfiamento del cloruro di cadmio di 150 secondi, un tempo di ricottura di 240 secondi e un tempo di raffreddamento di 300 secondi. Quando la pressione di blocco del carico raggiunge meno di 40 millitorr, eseguire la ricetta di deposizione. Quindi scaricare il campione al completamento della ricetta e il raffreddamento del campione come dimostrato.

Quando le sorgenti superiore e inferiore hanno raggiunto la temperatura di esercizio, caricare il campione sul supporto del campione e spostare in sequenza il braccio di trasferimento nel cloruro di rame preriscaldato e nelle posizioni ricotte in base a un timer impostato per il tempo di deposizione di ciascuna posizione. La ricetta in rame in questo protocollo è stata ottimizzata per dispositivi da 1,5 micron. Quando il timer finale si spegne, riportare manualmente il braccio di trasferimento nella posizione di casa e chiudere la valvola del cancello di blocco del carico.

Per la deposizione di evaporazione del tellurio sottile, caricare il lato del film campione sul supporto del campione e chiudere la parte superiore della camera. Spostare manualmente la leva nella posizione di sgrossatura. Quando la pressione scende sotto i 10 millitorr, ruotare la leva di nuovo nella posizione della linea 24 ore su 24 e attendere circa 30 secondi per risolvere qualsiasi picco momentaneo di pressione prima di aprire la valvola a vuoto alta.

Quando il lettore di pressione della camera si è basato, è stata raggiunta la pressione di deposizione corretta di uno per 10 al quinto torr negativo. Accendere l'interruttore di alimentazione, aprire l'otturatore e alzare il controllo di corrente per iniziare la deposizione. Quando il display del monitor a cristalli di quarzo mostra lo spessore del tellurio desiderato, ruotare rapidamente e simultaneamente la corrente a zero, spegnere l'interruttore di alimentazione e chiudere l'otturatore.

Prima di applicare il contatto posteriore della vernice, agitare la soluzione a contatto con la schiena per garantire una miscelazione completa. Spruzzare la soluzione sul campione con un movimento laterale lento per applicare un contatto uniforme con il nichel sul campione. Dopo aver permesso al contatto posteriore di asciugarsi leggermente, ripetere l'applicazione tutte le volte necessarie per una copertura completa.

Per completare la struttura della pellicola sottile in dispositivi elettricamente contattabili, posizionare il campione caricato in una maschera metallica in una scatola portaoggetti e utilizzare un tubo del sifone per applicare il mezzo di perline di vetro alle porzioni smascherate del campione. Ripetere l'applicazione con una seconda maschera in modo che, al termine della delineazione, 25 dispositivi quadrati di area piccola appaiano in un motivo cinque per cinque sul campione. Quindi pulire il lato del film dei campioni con un applicatore con punta di cotone immerso in acqua deionizzata.

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. L'aggiunta del telluride di selenio di cadmio a un sottile assorbitore di telluridi di cadmio migliora l'efficienza del dispositivo attraverso una qualità superiore del materiale assorbente dimostrata da una maggiore fotoluminescenza e da una durata di decadimento della fotoluminescenza risolta più a lungo. Una maggiore efficienza si ottiene anche con una maggiore densità di corrente di cortocircuito.

Lo spostamento verso il basso nella curva di tensione di densità della corrente luminosa lungo l'asse di densità di corrente corrisponde a un aumento della densità di corrente del cortocircuito per il dispositivo assorbitore bistrato più performante rispetto al dispositivo assorbitore di telluridi di cadmio più performante. Le misurazioni dell'efficienza quantistica dei dispositivi telluride di cadmio e telluride di selenio di cadmio/cadmio mostrano l'ulteriore conversione di fotoni nella gamma di lunghezze d'onda lunghe del dispositivo bistrato e confermano l'aumento della densità di corrente del cortocircuito per quel dispositivo. L'importanza di ottimizzare il telluride di selenio cadmio con il rapporto di spessore del telluride di cadmio è dimostrata da un confronto dei risultati della tensione di densità di corrente.

I dati per un rapporto da 0,5 a 1,0 micron e un rapporto da 1,25 a 0,25 micron mostrano un nodo significativo in quest'ultimo dispositivo non ottimale e una conseguenza diminuzione dell'efficienza fotovoltaica. La cosa più importante da ricordare è che il rapporto di spessore tra il telluride di selenio di cadmio e il telluride di cadmio è imperativo per prestazioni rispettabili del dispositivo e dovrebbe essere ottimizzato per ogni spessore dell'assorbitore bistrato. Seguendo questa procedura, uno strato di materiale aggiuntivo può essere depositato dopo il bistrato per agire come riflettore elettronico.

L'introduzione di questo strato può ridurre al minimo l'ostacolo al deficit di tensione nei dispositivi basati sul telluride di cadmio. L'incorporazione di una lega telluride di selenio di cadmio nelle celle solari bistrato è stata utile non solo per le celle solari, ma per sviluppare le proprietà di quella lega in altre applicazioni fotovoltaiche. I composti del cadmio possono essere pericolosi.

Quando usiamo tali composti e quando risciacquiamo il residuo dalle pellicole, è importante indossare guanti, un camice da laboratorio e quindi utilizzare procedure appropriate per smaltire i rifiuti pericolosi.