短絡電流密度と光発光を高めるクローズスペース昇華堆積超薄型CdSeTe/CdTe太陽電池

サマリー

この研究は、効率を高める薄吸収体カドミウムセレンテルル化物/カドミウムテルル化物の完全な製造プロセスを説明する。このプロセスでは、小規模領域研究デバイスの製造や大規模モジュールの製造など、スケーラブルな近接スペース昇華堆積のための自動インライン真空システムを利用しています。

要約

太陽光発電装置アーキテクチャの開発は、世界的なエネルギー需要と気候変動の高まりの中で、太陽エネルギーを費用対効果の高い信頼性の高い再生可能エネルギー源にするために必要です。薄膜CdTe技術は、製造時間の短縮、材料使用量の最小化、およびCdSeTe合金の吸収層の導入により、コスト競争力と効率の向上を実証しています。この作品は、自動インライン真空堆積システムを使用して、薄い1.5 μmのCdSeTe/CdTe二重層デバイスの近接昇華加工を示します。薄い二重層構造と製造技術により、堆積時間を最小限に抑え、デバイスの効率を向上させ、将来の薄吸収装置ベースのデバイスアーキテクチャ開発を促進します。3 つの製造パラメーターは、薄い CdSeTe/CdTe 吸収デバイスを最適化するための最も影響を与えるようです: 基板予熱温度、 CdSeTe:CdTe 厚さ比、および CdCl₂パッシベーション。CdSeTeの適切な昇華のために、堆積前の基板温度は、予熱源でのドウェル時間によって制御されるように〜540°C(CdTeの場合はそれよりも高い)でなければなりません。CdSeTe:CdTe の厚み比の変動は、この比率に対するデバイスの性能の強い依存性を明らかにします。最適な吸収材の厚さは0.5 μmのCdSeTe/1.0 μm CdTeであり、最適化されていない厚さ比はバックバリア効果により効率を低下させます。シンアブソーバはCdCl₂パッシベーションの変動に敏感です。温度と時間の両方に関して(厚い吸収剤と比較して)はるかに少ない積極的なCdCl₂処理は最適な装置の性能を生み出す。CdSeTe/CdTeは、最適化された製造条件により、単一吸収剤CdTeと比較して、デバイスの短絡電流密度と光発光強度を向上させます。さらに、インライン近接スペース昇華真空蒸着システムは、材料と時間の削減、スケーラビリティ、将来の超薄型吸収アーキテクチャの達成可能性を提供します。

概要

世界のエネルギー需要は急速に加速しており、2018年は最速(2.3%)を示した。過去10年間の成長率¹.気候変動や化石燃料の燃焼の影響に対する意識の高まりと組み合わせることで、コスト競争力、クリーン、再生可能エネルギーの必要性が豊富に明らかになりました。再生可能エネルギーの多いエネルギー源の中で、地球に到達する太陽エネルギーの量は世界のエネルギー消費量²をはるかに上回るため、太陽エネルギーは、その潜在力の大きい点が特徴である。

太陽光発電(PV)デバイスは、太陽エネルギーを直接電力に変換し、拡張性(個人的な使用ミニモジュールやグリッド統合ソーラーアレイなど)や材料技術に汎用性があります。多結合および単結晶ガリウム砒素(GaAs)太陽電池などの技術は^{、それぞれ}39.2%と35.5%に達する効率を有する。しかし、これらの高効率太陽電池の製造は、コストと時間がかかる。薄膜用材料として多結晶カドミウムテルル化物(CdTe)は、低コスト、高スループットの製造、様々な堆積技術、および良好な吸収係数に有利である。これらの属性は、大規模な製造のためにCdTeを有望にし、効率の改善は、Pv市場優勢シリコンと化石燃料⁴とのコスト競争力を作ったCdTeを作りました。

CdTeデバイスの効率向上を牽引した最近の進歩の1つは、吸収体層へのセレンテルル化カドミウム(CdSeTe)合金材料の取り込みである。低い~1.4 eVバンドギャップのCdSeTe材料を1.5 eV CdTeアブソーバに統合すると、二重層吸収剤のフロントバンドギャップが減少します。これにより、バンド ギャップの上のフォトン分数が増加し、現在のコレクションが向上します。CdSeTeを3μm以上の吸収剤に組み込むことで電流密度を高め、様々な加工技術(すなわち、近接空間昇華、蒸気輸送堆積、および電気めっき)5、6、7で実証されている。室温光発光分光法(PL)、時間分解光発光(TRPL)、および二層吸収装置からの電気発光信号^5,8は、電流収集の増加に加えて、CdSeTeは放射効率および少数キャリア寿命が優れているように見え、CdSeTe/CdTeデバイスはCdTeとのみの場合よりも理想的に比べて電圧が大きいことを示している。これは主にバルク欠陥⁹のセレンパッシベーションに起因している。

CdSeTeをシンナー(≤1.5 μm)CdTeアブソーバに組み込むことに関する研究はほとんど報告されていません。そこで、薄い0.5 μmのCdSeTe/1.0 μm CdTe二層吸収装置の特性を近空間昇華(CSS)で作製し、厚い二層吸収剤に見られる利点が薄い二層吸収剤でも得られるかどうかを調べた。このようなCdSeTe /CdTeアブソーバーは、厚い相手の2倍以上の薄さで、堆積時間と材料の著しい減少と製造コストの削減を提供します。最後に、それらは2μm未満の吸収材の厚さを必要とする将来のデバイスアーキテクチャの開発のための可能性を保持する。

単一の自動化されたインライン真空システムにおける吸収体のCSS堆積は、他の製造方法^10、11よりも多くの利点を提供する。CSS 製造により、より高速な堆積速度は、デバイスのスループットを向上させ、より大きな実験データセットを促進します。さらに、この作業におけるCSSシステムの単一の真空環境は、吸収インターフェイスで潜在的な課題を制限します。薄膜PVデバイスには多くのインターフェースがあり、それぞれが電子と正孔の組み換えセンターとして機能するため、デバイス全体の効率が低下します。CdSeTe、CdTe、および塩化カドミウム_(CdCl2)の単一の真空システムの使用(良い吸収体品質12、13、14、15、16)に対して、より良い界面を生成し^、界面欠陥を低減することができます。

コロラド州立大学¹⁰で開発されたインライン自動真空システムは、スケーラビリティと再現性にも有利です。例えば、堆積パラメータはユーザセットであり、ユーザが吸収物製造中に調整を行う必要がないように堆積プロセスが自動化される。このシステムでは小さな領域の研究機器が製造されていますが、より大きな面積堆積のためにシステム設計をスケールアップすることができ、研究規模の実験とモジュール規模の実装との間のリンクを可能にします。

このプロトコルは、0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe薄膜PVデバイスの製造に使用される製造方法を示します。比較のために、1.5 μmのCdTeデバイスのセットが製造されています。単一および二層吸収体構造は、CdSeTe堆積を除くすべてのプロセスステップにおいて名目上同一の堆積条件を有する。薄いCdSeTe/CdTeアブソーバが、より厚い相手方、電流密度電圧(J-V)、量子効率(QE)、およびPL測定が薄い単層および二層吸収装置で実証されたのと同じ利点を保持しているかどうかを特徴付けます。J-VおよびQEで測定される短絡電流密度(J_SC)の増加、およびCdSeTe/CdTeのPL信号の増加に加えて。CdTeデバイスは、CSSによって製造された薄いCdSeTe/CdTeデバイスが、現在の収集、材料品質、およびデバイス効率において顕著な改善を示していることを示す。

この研究はCdSeTe合金をCdTe PVデバイス構造に組み込むことに伴う利点に焦点を当てていますが、CdTeおよびCdSeTe/CdTeデバイスの完全な製造プロセスについては、その後完全に説明されています。図1,Bは、CdTeおよびCdSeTe/CdTeデバイス用の完成したデバイス構造を示しており、透明導電性酸化物(TCO)コーティングガラス基板、n型酸化マグネシウム(MgZnO)エミッタ層、P型CdTeまたはCdETe/CdTe吸収剤(CdCl2処理および銅ドーピング処理、薄い、ニッケル、ニッケル)で構成されています。CSS吸収体堆積を除くと、製造条件は単層構造と二層構造の間で同一である。したがって、特に記載がない限り、各ステップはCdTeとCdSeTe/CdTeの両方の構造で実行されます。

プロトコル

注意: フィルム汚染や材料と皮膚の接触を防ぐために、基材を取り扱う際に手袋を着用する必要があります。この製造プロセスでは、カドミウム化合物を含む構造の取り扱いが必要です。したがって、ラボコートと手袋は、常にラボで着用する必要があります。

1. 基板洗浄

1. TCOコーティングガラス基板(9.1 cm x 7.8 cm)をステンレス製のラックに入れ、洗浄液と圧縮空気を各ガラス面に塗布できるような十分な間隔を設けます。
2. 窒素圧縮空気ホースを使用して、基板からほこりを吹き飛ばします。
3. ラックを超音波洗浄機(UC1)に入れ、イソプロピルアルコール(IPA)で満たします。工業用ガラス切断工程から残った油と汚染物質を除去するために30分間座らせます。
4. UC1 から IPA をドレインします。IPAは基質の最初のクリーニングのために5xまで再利用することができる。
5. 基板を脱イオン(DI)水でリンスし、基板の上端から約1cm上のDI水でUC1を満たします。200 mLの濃縮洗浄液を基板全体に均一に加え、残留油、グリース、微粒子、または硬水汚れを除去します。
6. 主電源を使用して、43 kHzの超音波周波数と425 WパワーにUC1をオンにし、基板を1時間座らせます。
7. DI水で第二、より大きな超音波クリーナー(UC2)を洗浄し、DI水でその体積の4分の3を埋めます。
8. UC1 の電源を切り、ステンレスラックを取り外します。すぐにシンク上のDI水で基板を洗い流し始めます。
   注:この段階では、基板を乾燥させないでください。
9. ステンレスラックをUC2に移し、基板が完全に覆われるようなDI水で完全に充填します。40 kHzの超音波周波数と600 Wの電力にUC2をオンにし、基板は30分間座らせます。
10. 自家製IPA蒸気乾燥機を準備します。
    1. バルブが閉じられていることを確認し、ガスホースを超高純度(UHP)窒素に接続します。窒素タンクを開き、レギュレータを10 psiに設定します。窒素流量にバルブを開き、付属の流量計で100 PSIGに調整してから、再度バルブを閉じます。
    2. 新鮮なIPAの150 mLでフラスコを満たし、しっかりとフラスコをコルク。コルクは、窒素とIPAがコルクに埋め込まれた2つの小さな金属パイプシステムを通過できるように、フラスコの開口部をしっかりと密封します。これらは、窒素/IPA蒸気が基板に入射するようにUC2の上に位置する微細な穴を持つ小さな金属配管システムに接続します。
11. UC2リンスサイクルが完了したら、熱とUC2をオフにします。
12. 蒸気乾燥機バルブを窒素とIPAに開き、DI水が非常にゆっくりと出てくるような、UC2のドレンバルブを開きます。
    注: DI 水は非常にゆっくりと排水する必要があります。このプロセスは、基板上に水スポットが形成されるのを防ぐために、DI水を窒素/IPA蒸気に置き換えます。これは30,000 cm³の水のために1-2時間かかるはずです。
13. 完全に排水したら、ラックをUC2から取り外し、蒸気乾燥機バルブを閉じます。
14. 将来の使用のために、清潔で封じ込められた環境に保管してください。
    注:洗浄された基板は、清潔なままであれば、この環境に無期限に残すことができます。さらに使用する前に洗浄された基板を検査し、クリーニングプロセスを再び受ける必要がないことを確認します。

2. 酸化亜鉛マグネシウム窓層スパッタ蒸着

注:このMgZnOスパッタ蒸着プロセスは、不均衡なマグネトロンと4"直径、0.25"厚いターゲットを利用し、ターゲットから基板までの距離は15cmです。目標は、99.99%の純度(MgO)11(ZnO)89%重量である。

1. スパッタシステムの起動
   1. 機械ポンプと前置バルブのスイッチを入れ、スパッタチャンバー用の拡散ポンプをオンにします。ターゲット冷却水がオンで、ターゲット冷却水への機械バルブが開いていることを確認します。
   2. ポンプのスイッチを使用して、ロードロックポンプをオンにします。
   3. 拡散ポンプを15分間温めて下さい。
   4. 圧力計のチャンバ圧力を確認してください:2.0 x 10^-1 Torr未満の場合は、拡散ポンプゲートバルブを開きます。圧力が2.0 x^10-1 Torrより大きい場合は、前線バルブを閉じに切り替え、圧力が下がるまで粗弁を開きます。次に、スイッチは荒れ弁を閉じ、前線を開き、拡散ポンプゲートバルブを手動で開いた。
   5. コンピュータソフトウェアで、実行圧力を5 mTorrに設定し、ガスの流れを可能にする「ガスを有効にする」をクリックします。流れは、ソフトウェア内のアルゴンとしてバランスを持つ全体の流れの3%に設定された〜19〜20 sccmと酸素でなければなりません。
   6. チャンバーを10分間ポンプで送ります。
   7. イオンゲージの読み出しで、ベース圧力が1.0 x 10^-5 Torr以下であることを確認します。
   8. 転送アームがチャンバーから完全に引き込まれ(チャンバーのビューポートを見て、サンプルホルダーがチャンバーにないことを確認)、ロードロックゲートバルブを閉じて切り替えます。
   9. シャッターが閉じられていることを確認する:これは、スパッタカソードの真上にあることを確認するために、ビューポート ウィンドウを見てチェックすることができます。
   10. 電源装置で、RF発電機の電力を60 Wに設定します。コンピュータソフトウェアでは、プラズマイグニッションの圧力を15 mTorrに上げ、RF電源を入れ、プラズマが点火したら、ソフトウェア内の圧力を5 mTorrに戻します。反射電力は1~2Wである必要があります。この値が非常に高い場合は、RF 一致ネットワークを調整する必要があります。
   11. 目標は、クラックを避けるためにウォーミングアップする必要があります:140 Wの最終電力に達するまで、20 W/分の速度でRF発電機の電力を増やします。反映される電力は、実際の電力の 5% であることが理想的です。シャッターを15分間閉じた状態でターゲットが事前スパッタを付けられるようにします。
2. MgZnO スパッタ蒸着
   1. 堆積速度を較正するには、ミラーリング監視サンプルを製造する必要があります。固定マーカーを使用して、クリーンな基板の TCO コーティング側に約 0.2 cm (長さ) の線を引きます。
   2. ロードロックゲートバルブが閉じられていることを確認してから、ロードロックドアノブを緩めて開きます。負荷ロックドアが緩むまでUHP窒素ベントバルブの4分の1ターンでロードロックを通して。ドアが開いている間、通気弁を部分的に開いたままにして、ロードロックをパージします。
   3. ハンドヘルドエアブロワーを使用して、クリーンなTCOコーティングされた基板からほこりを取り除きます。サンプルホルダーの基板を取り外し、ゴムチップピンセットを使用してクリーンな基板TCOサイドダウンをロードします。デポジション領域を避けるために、エッジにサンプルを保持します。
   4. ロードロックドアを閉めて締めます。ロードロックポンプのスイッチを入れ、窒素ベントバルブを閉じます。
   5. 負荷ロック圧力計が5.0 x 10^-2 Torr以下に読み込まれるまで、負荷ロックを下にポンプで送ります。次に、ロードロックポンプをオフにして、ロードロックゲートを開きます(圧力は7 mTorr以上にスパイクしないでください)。圧力が平準化するのを待ち、サンプルがシャッター付きの陰極の上に位置するように手動で転写アームを挿入します。
   6. タイマーに必要なデポジション時間を設定し、シャッターを手動で開くタイミングを開始します。タイマーが切れた時にすぐにシャッターを閉めます。
   7. 手動で転送アームを完全に引っ込め、ロードロックゲートを閉じます。
   8. 手順 2.2.2 ~ 2.2.5 に従ってサンプルを取り外すか、または交換します。
   9. MgZnOの蒸着率を得るために、綿先端のアプリケータをメタノールに浸した状態で、永久マーカーを証人サンプルから取り出します。プロフィロメータ¹⁷を用いて厚さを測定し、所望のMgZnO厚さ(この作業で提示されるサンプルの100nm)に対して後続の堆積時間を設定する。
   10. 必要な数のサンプルに対してデポジションを繰り返します。
       注意:MgZnOの後、サンプルはしばらくの間保存することができます。酸化の危険にさらされて、最良の結果を得るには、真空下でデシケータに1週間以下で保存することをお勧めします。

3. 閉空間昇華堆積と吸収剤層の処理

1. CSSシステム起動
   1. 1)システムが真空下にあることを確認し、2)機械ポンプと拡散ポンプがオン、3)ロードロックゲートバルブがチャンバーに開いている、および4)圧力が40 mTorrに設定されていることを確認します。
   2. 手動でガスフローバルブ(98%N₂と2%O2)を開き、コンピュータソフトウェアで「ガスを有効にする」を選択します。圧力は40 mTorrの周りに安定するはずです。
   3. RGAバルブを開き、ソフトウェアプログラムに接続して、残留ガス分析装置(RGA)をオンにします。これは、システム内の水、酸素、窒素、および水素のレベルを追跡するために必要です。これらのレベルは、通常、それぞれ 4.5 x 10^-9、2.5 x 10^-8、2.3 x 10^-6、および 8.0 x 10^-10 Torr の周りにあります。
   4. CSS システムの上下のソースをコンピュータ プログラムの動作温度まで上げてください。最高ソース温度は、予熱時に620°C、CdTeの場合は360°C、CdSe₂₀Te₈₀の場合は420°C、CdCl₂の場合は387°C、アニールは400°C、ベークオフには620°Cに設定されています。底部のソース温度は、予熱時に620°C、CdTeの場合は555°C、CdSe₂₀Te₈₀の場合は545°C、CdCl₂の場合は439°C、アニールは400°C、ベークオフの場合は620°Cに設定されています。これらの温度差は、材料がサンプルに昇華するように、下から上のソースへの昇華を促進し、ソース間に位置します。
   5. ソースが動作温度に達したら、bakeoffレシピを通してサンプルホルダーを実行します:ソフトウェアで、レシピリストで「Bakeoff」を選択し、「実行」をクリックします。これにより、サンプルホルダーが480 sのbakeoffソースにとどまるような転送アームが自動的に移動します。これはサンプルのホールダーを熱し、余分な材料を焼き払う。
   6. 転写アームが自動的にサンプルホルダーをホーム位置に引き込み、ゲートバルブを閉じた後、UHP窒素ベントバルブを開けてロードロックを通します。通気したら、ロードロックドアを開けて、ベントバルブを閉めます。
2. 吸収剤のCSS堆積とパッシベーション処理
   1. ハンドヘルドエアブロワーを使用して、クリーンなMgZnO/TCOコーティングされた基板からほこり粒子を静かに取り除き、基板をサンプルホルダー(MgZnOサイドダウン)にロードします。
   2. ロードロックドアを閉め、ロードロック荒れスイッチをオンにしてロードロックを下にポンプダウンします。
   3. ポンピングダウンしながら、コンピュータプログラムにCSSデポジションのための希望のレシピを入力します。CdTe と CdSeTe/CdTe の構造を準備するために使用されるレシピは、この段階で異なっており、次のとおりです。
   4. CdTe ミラーリング監視サンプル (CdTe の堆積速度の決定のため、CdTe と CdSeTe/CdTe デバイスの製造に必要) には、次のコマンドを使用します。
      110 sを予熱源に入れます(これは、CdTeが基板上に適切に昇温するように、ガラスを〜480°Cに上げます)。
      CdTe ソースの 110 s (これはサブリメイト CdTe 基板に);
      CdCl₂ソースの 180 s [CdCl₂の堆積は、良好な CdTe デバイスのパフォーマンスに必要です (それは、穀物境界とダングル結合を不活性化し、多結晶 CdTe 吸収剤^12、13^{、14、15、16}) の粒成長と整列を促進することが示されています。
      アニール源の240 s(これは吸収材にCdCl₂を駆動します)。そして
      冷却源の300 s(これにより、サンプルを冷却してアンロードすることができます)。
   5. カミソリの刃を用いて、基板からCdTe材料の小さな領域をスクライブし、表面プロフィロメータを使用してCdTeフィルムの厚さを測定し、堆積速度¹⁷を決定する。
   6. CdSeTe ミラーリング監視サンプル (CdSeTe の堆積速度の決定のため、CdSeTe/CdTe デバイスの製造にのみ必要) には、次のコマンドを使用します。
      140 sを予熱源に入れます(これは、CdSeTeが基板上に適切に昇温するように、ガラスを〜540°Cに上げます)。
      CdSeTe ソースの 300 s (これは、基板上の CdSeTe を昇ピーします。そして
      冷却源の300 s。
   7. カミソリの刃を用いて、基板からCdSeTe材料の小さな領域をスクライブし、表面プロフィロメータを用いてCdSeTe膜厚を測定し、堆積速度¹⁷を決定^する。
   8. 薄い単一吸収剤(CdTe サンプル)の場合は、次を使用します。
      予熱源の110 s;
      xx s CdTe ソースで[位取り時間は CdTe 堆積速度と所望の厚さ(ここで使用される 1.5 μm シングル CdTe アブソーバの場合、ドウェル時間は 60 秒)に依存します。
      CdCl₂ソースの150 s [CdCl₂処理は吸収体の厚さに依存する;したがって、実験は、処理条件を最適化するために行われるべきです(記載された住まい時間は薄い、1.5 μm吸収体^18)。
      アニール源の240 s;そして
      冷却源の300 s。
   9. 薄二重層吸収剤(CdSeTe/CdTeサンプル)の場合は、次を使用します。
      予熱源の140 s;
      xx s CdSeTe ソースの xx s [再び、ドウェル時間は CdSeTe の堆積速度と所望の厚さによって異なります (ここで使用される 0.5 μm CdSeTe 層の場合、ドウェル時間は 231 秒)。
      cdTe ソースの xx s [位取り時間は、CdTe 補助サンプルの測定された厚さから計算される所望の CdTe 厚さと堆積速度に依存します (ここで使用される 1.5 μm 二層 CdSeTe/CdTe アブソーバの場合、ドウェル時間は 1.0 μm CdTe 層の場合は 50 秒です)。
      CdCl₂ソースで 150 s;
      アニール源の240 s;そして
      冷却源の300 s。
   10. 負荷ロック圧がコンピュータソフトウェアで40 mTorr以下を読み取る場合は、ソフトウェアを使用してロードロックゲートバルブを開き、「開始」を選択します。プログラムは自動的に選択したレシピを実行し、冷却ステップ¹⁰を完了するとホームポジションに戻ります。
   11. 完全な堆積が完了した後、ロードロックベントバルブを開き、大気に通気し、最終的な基板冷却のためにロードロックドアを開けます。~60s後、基板は、糸くずのない布でサンプルホルダーから取り除くのに十分に冷却する必要があります。
   12. サンプルが取り外されたら、ロードロックドアを閉じ、粗いスイッチをオンにしてロードロックを下に送り出し、手順3.1.5に従ってbakeoffレシピを実行します。サンプルホルダーを洗浄するには、各サンプル堆積の間でベイクオフを実行する必要があります。
   13. 処理されたサンプルは、CdCl2処理からフィルム上に白いかすんだ層を有するべきである。ヘイズパターンをメモするフィルムの写真を撮ります。CdCl₂処理から目に見える材料がほとんどまたはまったくない場合、この治療は最適化が必要である可能性が高い。
   14. フィルムの余分な_CdCl2材料をDI水を使用して段階的なビーカーにリンスし、圧縮アルゴンでフィルムを乾燥させます。
       注意: この CdCl₂リンスは、内蔵のエンクロージャで実行する必要があります。完了したら、適切な有害廃棄物容器にCdCl₂/DI水の混合物を処分します。
       注:CSSのデポジション後、サンプルはしばらくの間保存することができますが、最良の結果を得るには、真空下のデシケータに保存することをお勧めします。自動インライン CSS デポジション システムの概略を図2に示します。

4. 密閉空間昇華銅処理

1. CSSシステム起動
   1. 機械ポンプと拡散ポンプがオンになっていることを確認します。
   2. プロセスガスバルブを開き、40 mTorrの動作圧力が圧力計に表示されるまで、ガスフロー制御ノブを手動で調整します。
   3. 比例積分(PID)コントローラを使用して CSS ソースを手動で設定およびオンにします。この実験で使用した最高のソース温度は、予熱源の場合は330°C、CuClソースの場合は170°C、アニール源の場合は200°Cです。底部のソース温度は、予熱源の場合は330°C、CuClソースでは190°C、アニール源は200°Cです。
   4. 拡散ポンプバルブを開き、ロードロックゲートバルブを手動で閉じます。
2. 吸収体構造に対するCuCl処理
   1. ソースが動作温度に達すると、サンプルをサンプルホルダーにロードすることができます。
      1. ロードロックドアのノブを緩めます。
      2. UHP窒素ベントバルブの4分の1ターンでロードロックをベントします。
      3. ロードロックドアを開け、ハンドヘルドエアブロワーを使用して、サンプルからほこりをそっと取り除きます。サンプルフィルムの側面を、ゴムチップのピンセットを使用してサンプルホルダーの上に下に置き、サンプルを端に保持して堆積領域を避けます。
      4. ベントバルブを閉じて、ロードロックドアを閉めて締めます。
      5. 手動でロードロックポンプを開き、クロスオーバー圧力(40 mTorr)の下に負荷ロックポンプをさせます。
   2. クロスオーバー圧力が得られたら、手動でロードロックポンプを閉じ、手動でロードロックゲートバルブを開きます。
   3. 手動で予熱、CuCl、およびアニーリング位置に転送アームを順次に移動します。タイマーは、各位置のドウェル時間に使用されます。記載されたサンプルの場合、位取り時間はそれぞれ、予熱、CuCl、およびアニール源に対して75s、5s、および250sである。
   4. アニーリングのステップの後、手動で転写アームをホームポジションに戻し、ロードロックゲートバルブを閉じます。
   5. サンプルを交換するには、ステップ 4.2.1 に従います。
      注: 以前のサンプルをアンロードする場合、まだホットな可能性があります。ゴムチップのピンセットでサンプルを取り出し、金属ブロックで冷却(フィルムサイドアップ)します。Cu処理後、サンプルはしばらくの間保存することができますが、最良の結果を得るには、真空下のデシケータに1週間以下で保存することをお勧めします。

5. 薄いテルルの蒸着

1. 蒸発器システムのスイッチを使用して、機械ポンプ、前置バルブ、拡散ポンプをオンにします。拡散ポンプを20分間温める。
2. 窒素ベントバルブを開き、蒸発器室を持ち上げることによってチャンバーを通して開きます。テをアルミナコーティングされたモリブデンボートに積み込みます。材料がロードされた後、蒸発器室を所定の位置に戻します。
3. 水晶板モニター(QCM)パネル(密度= 6.25 g/cm³および音響インピーダンス= 9.81 g/cm²s)のアルミナコーティングモリブデンボートからのTe堆積のための適切な設定を入力してください。
4. チャンバートップを開いてサンプルホルダーにアクセスします。ハンドヘルドエアブロワーを使用して、サンプルからほこりを取り除きます。サンプルフィルム側をサンプルホルダーに下ろし、チャンバートップを閉じます。
5. 手動で粗い位置にレバーを移動します。粗いとチャンバーの圧力の両方の読み出しが低下し始めるはずです。圧力が10 mTorr以下に落ちるようにします。
6. 前置バルブを前行位置に戻します。圧力の瞬間的なスパイクが解決されるまで30s〜30s待ってから、高真空バルブを開きます。チャンバー圧力リーダーが基づいているとき、1.0 x 10^-5 Torrの適切な蒸着圧力に達した。
7. 電源スイッチをオンにし、シャッターを開き、現在のコントロールを上げてデポジションを開始します。最適な電流動作範囲は、堆積速度が〜5~10Å/sになるように、90~100 ACアンク場です。QCM 読み出しに表示される堆積速度は、急速に変化する可能性があります。したがって、電流は、5-10 Å/sの間のレートを維持するために、堆積中に継続的に調整する必要があります。
8. QCM が目的の Te 厚さ(ここで使用するサンプルの 40 nm)を表示する場合、電流を素早く同時にゼロにし、電源スイッチをオフにして、シャッターを閉じます。
9. 高真空バルブを閉じ、窒素ベントバルブを開き、サンプルホルダーからサンプルを取り出します。追加サンプルに堆積する場合は、ステップ 5.4 ~ 5.8 を繰り返します。
   注:Te堆積後、サンプルはしばらくの間保存することができますが、最良の結果を得るには、真空下のデシケータに1週間以下で保存することをお勧めします。

6. ニッケルバックコンタクトアプリケーション

注意:Ni塗料とメチルエチルケトン(MEK)からの煙のために、このプロセス中に空気を循環させるために常に頭上のファンを実行します。

1. サンプル(フィルム側を前方に向けて)を垂直取り付け棚に取り付けます。
2. Niアプリケーターガンが全体をきれいにしていることを確認してください。ない場合は、MEKできれいにしてください。
3. 背部接触は2:1の比率で導電性Niのペンキと薄いの混合物である。塗料を塗布する前に、バックコンタクト溶液を振って完全な混合を確実にします。
4. Niバックコンタクト溶液をアプリケータガンに注ぎ、付属の空気圧縮機ホースをオンにします。塗料が均一に適用されることを確認するために、テストピース(すなわち、段ボール)をスプレーします。均一な場合は、サンプルセット全体に溶液をスプレーして、ゆっくりと横向きの動きをして、サンプルに背面接触を適用します。バックコンタクトを少し乾燥させ、完全なカバレッジに必要な回数だけ適用します(通常、5つのパスがうまく機能します)。
   注:Ni溶液は、アプリケータの銃を乾かして詰まらせることができます。したがって、バックコンタクトアプリケーション中の逆詰まりプロセスを避けるために、スプレーセットの間に60s以下待つことが重要です。
5. 空気圧縮機をオフにし、バックコンタクトがサンプル上で少なくとも1時間乾燥するようにします。

7. 25台の小さな領域デバイスへの線引き

メモ:薄膜構造を電気的に接触可能なデバイスに仕上げるためには、TCOフロントコンタクトとNiバックコンタクトが電気的にアクセス可能になるように、フィルムスタックを小さな領域デバイスに分けて表示する必要があります。これは、半導体の機械的除去を伴う金属マスクを使用して行われます。

1. 金属マスクにサンプルを入れます。
2. マスクされたサンプルをグローブボックスに入れ、サイフォンホースを使用して、ガラス、ビーズのメディアをサンプルのマスクされていない部分に塗布します。マスク窓がほぼ透明になると、適切な材料除去が実現されます。
3. 2 番目のマスクでこの手順を繰り返し、線引きが完了すると、サンプル上に 5 x 5 パターンで 25 個の小さな領域の正方形のデバイスが表示されるようにします。完成したエリアは約0.6cm^2です。
4. DI水に浸した綿の先端のアプリケータでサンプルのフィルム側をきれいにしなさい。
5. 完成したデバイスの電気的測定における横抵抗を最小限に抑えるために、インジウムはんだ付きのデバイス間のグリッドパターンをはんだ付けします。
   メモ:完成したデバイス構造は、それぞれCdTeおよびCdSeTe/CdTeアブソーバデバイス用の図1Aと図1Bに示されています。

結果

薄いCdTe吸収剤にCdSeTeを添加することにより、優れた吸収材の品質と短絡電流密度(J_SC)を通じてデバイスの効率が向上します。図3Aおよび図3Bは、(Bothwellらら⁸から適応)は、それぞれ、単一のCdTe吸収剤およびCdSeTe/CdSeTe/CdTe二重層吸収装置に対するPLおよびTRPLを示す。PLおよびTRPLの両方の測定は明確にCdSeTe/CdTe二重層吸収剤と改善された光発光を示す。PL強度は6倍に改善し、TRPLテール寿命は、減衰の遅い部分に単一指数でフィットし、二重層構造(単層構造の1.6 ±0.02nsと比較して)の12.6±0.1nsであり、CdSeTe材料品質が優れている。PL測定はCdSeTe層の正常な組み込みも確認します。ピークPL強度のシフトは、吸収バンドギャップに対応し、1.50から1.42eVに、低バンドギャップCdSeTe材料が吸収体層において作動していることを確認する。

ディスカッション

薄二層CdSeTe/CdTe太陽光発電デバイスは、材料品質が向上し、現在のコレクションが増加しているため、CdTeの対応機器と比較して効率が向上しています。このような高効率化は、3μm^5,7を超える二層吸収剤で実証されており、現在では製造条件が最適化されており、より薄い1.5μmの二層吸収剤についても高い効率が達成できることが実証されています。

薄二重層吸収剤の製造プロセスの最適化は、基質予熱温度、CdSeTe:CdTe厚さ比、およびCdCl₂パッシベーションの3つの主要な変更に根ざしています。適切なCdSeTe昇華のために、基板の予熱温度は、プレヒート源で基板の内添い時間を変化させることによって達成されるCdTe昇華のための〜480°Cと比較して〜540°Cでなければなりません。良好なオープン回路電圧(V_OC)を維持しながらデバイスの接触障壁を防ぐために、図6に...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
アルファステップ表面形状測定装置	テンコーインスツルメンツ	10-00020	膜厚測定装置
CdCl2 材料	5N Plus	N/A	吸収剤パッシベーション処理用材料
CdSeTe半導体材料	5N	Plus N/A	吸収層用P型半導体材料
CdTe半導体材料	5Nプラス	N/A	吸収層用P型半導体材料
CESAR RF発電機	先進エネルギー	61300050	MgZnOスパッタ堆積用発電機
CuCl材料 Sigma	Aldrich	N/A	吸収体ドーピング用材料
描写材料	Kramer Industries, Inc.	メラミンタイプ3 60-80メッシュ	フィルム描写用プラスチックビーズ材料
グローブボックスエンクロージャ	ーVaniman Manufacturing Co.	Problast 3	フィルム描写用グローブボックス筐体
ゴールドクリスタル	Kurt J. Lesker Company	KJLCRYSTAL6-G10	Te 蒸発膜厚モニター用クリスタル
HVLP および標準重力供給スプレーガンキット	ハスキー	HDK00600SG	アプリケーター Ni 塗料バックコンタクト用スプレーガン
MgZnO スパッタターゲット	Plasmaterials, Inc.	PLA285287489	N型エミッタ層材料
マイクロ90ガラス洗浄液	コールパーマー	EW-18100-05	初期ガラス洗浄液
NSG Tec10 基板	ピルキントン	N/A	前面電気接点用透明導電酸化物ガラス
スーパーシールド Ni導電性コーティング	MGケミカル	841AR-3.78L	背面接点層用導電性塗料
Te Material	Sigma Aldrich	MKBZ5843V	バックコンタクト層用材料
厚さモニター	R.D. Mathis Company	TM-100	プログラミングとモニタリング用機器 Te 蒸発条件
シンナー 1	MG ケミカル	4351-1L	バックコンタクト層用 Ni と混合するシンナー
超音波洗浄機 1	L &R Electronics	Q28OH	ガラス洗浄用超音波洗浄機
超音波洗浄機 2	超音波洗浄	100S	ガラス洗浄用超音波洗浄
UV/VIS ラムダ 2 分光計	PerkinElmer	166351	CdSeTeフィルムの透過測定に使用される分光計