Close-Space Sublimatie-Gedeponeerd Ultra-Thin CdSeTe/CdTe Zonnecellen voor verbeterde kortsluiting stroomdichtheid en fotoluminescentie

Samenvatting

Dit werk beschrijft het volledige fabricageproces van dunne absorberende cadmium selenium telluride / cadmium telluride fotovoltaïsche apparaten voor verbeterde efficiëntie. Het proces maakt gebruik van een geautomatiseerd in-line vacuümsysteem voor close-space sublimatie depositie die schaalbaar is, van de fabricage van kleine gebied onderzoeksapparaten en grootschalige modules.

Samenvatting

Ontwikkelingen in fotovoltaïsche apparaat architecturen zijn nodig om zonne-energie een kosteneffectieve en betrouwbare bron van hernieuwbare energie te midden van de groeiende wereldwijde energie-eisen en klimaatverandering. Dunne film CdTe-technologie heeft aangetoond kosten-concurrentievermogen en toenemende efficiëntie als gevolg van gedeeltelijk als gevolg van snelle fabricage tijden, minimaal materiaalgebruik, en de invoering van een CdSeTe legering in een ~ 3 μm absorber laag. Dit werk presenteert de close-space sublimatie fabricage van dunne, 1,5 μm CdSeTe / CdTe bilayer apparaten met behulp van een geautomatiseerde in-line vacuüm depositie systeem. De dunne tweelaagse structuur en fabricagetechniek minimaliseren de afzettingstijd, verhogen de efficiëntie van het apparaat en vergemakkelijken toekomstige ontwikkeling van de architectuur van dunne absorptieapparaten. Drie fabricageparameters lijken de meest impactvolle voor het optimaliseren van dunne CdSeTe/CdTe absorber-apparaten: substraatvoorverwarmtemperatuur, CdSeTe:CdTe-dikteverhouding en CdCl 2-passivation. Voor een goede sublimatie van de CdSeTe moet de substraattemperatuur vóór de afzetting ~540 °C (hoger dan die voor CdTe) zijn, zoals gecontroleerd door de wachttijd in een voorwarmtebron. Variatie in de CdSeTe:CdTe dikte verhouding onthult een sterke afhankelijkheid van de prestaties van het apparaat op deze verhouding. De optimale absorptiediktes zijn 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, en niet-geoptimaliseerde dikteverhoudingen verminderen de efficiëntie door back-barrier effecten. Dunne absorbers zijn gevoelig voor cdcl₂ passivation variatie; een veel minder agressieve CdCl_{2-behandeling} (in vergelijking met dikkere absorbers) met betrekking tot zowel temperatuur als tijd levert optimale apparaatprestaties op. Met geoptimaliseerde fabricageomstandigheden verhoogt CdSeTe/CdTe de kortsluiting van de stroomdichtheid en de intensiteit van de fotoluminescentie in vergelijking met single-absorber CdTe. Daarnaast biedt een in-line close-space sublimatie vacuümdepositiesysteem materiaal en tijdsreductie, schaalbaarheid en de haalbaarheid van toekomstige ultradunne absorberarchitecturen.

Inleiding

De wereldwijde vraag naar energie versnelt snel en het jaar 2018 toonde het snelst( 2,3%) groei in het laatste decennium¹. In combinatie met een toenemend bewustzijn van de gevolgen van klimaatverandering en de verbranding van fossiele brandstoffen, is de behoefte aan kostenconcurrerende, schone en hernieuwbare energie overduidelijk geworden. Van de vele hernieuwbare energiebronnen onderscheidt zonne-energie zich door zijn totale potentieel, omdat de hoeveelheid zonne-energie die de aarde bereikt veel groter is dan het wereldwijde energieverbruik².

Fotovoltaïsche (PV) apparaten zetten zonne-energie direct om in elektrische energie en zijn veelzijdig in schaalbaarheid (bijvoorbeeld minimodules voor persoonlijk gebruik en netwerkgeïntegreerde zonne-arrays) en materiaaltechnologieën. Technologieën zoals multi- en single-junction, single-crystal gallium arsenide (GaAs) zonnecellen hebben een efficiëntie van respectievelijk 39,2% en 35,5% 3^. Echter, fabricage van deze hoge efficiëntie zonnecellen is kostbaar en tijdrovend. Polykristallijne cadmiumtelluride (CdTe) als materiaal voor dunne film-tv's is voordelig voor zijn goedkope, hoogwaardige fabricage, verscheidenheid aan depositietechnieken en gunstige absorptiecoëfficiënt. Deze attributen maken CdTe gunstig voor grootschalige productie, en verbeteringen in de efficiëntie hebben CdTe kostenconcurrerend gemaakt met PV-marktdominant silicium en fossiele brandstoffen⁴.

Een recente vooruitgang die de toename van cdte apparaat efficiëntie heeft gedreven is de integratie van cadmium selenium telluride (CdSeTe) legering materiaal in de absorber laag. Integratie van de lagere ~ 1.4 eV band gap CdSeTe materiaal in een 1,5 eV CdTe absorber vermindert de voorste band kloof van de bilayer absorber. Dit verhoogt de fotonfractie boven de bandkloof en verbetert zo de huidige collectie. Succesvolle opname van CdSeTe in absorbers die 3 μm of dikker zijn voor een verhoogde stroomdichtheid is aangetoond met verschillende fabricagetechnieken (d.w.z. sublimatie in de nabijheid van de ruimte, damptransportdepositie en elektroplating)^5,6,7. Verhoogde kamertemperatuur fotoluminescentie emissiespectroscopie (PL), tijd-resolved fotoluminescentie (TRPL), en elektroluminescentie signalen van bilayer absorber apparaten^5,8 geven aan dat in aanvulling op de verhoogde huidige collectie, de CdSeTe lijkt te hebben een betere stralingsefficiëntie en minderheid carrier levensduur, en een CdSeTe / CdTe apparaat heeft een grotere spanning ten opzichte van het ideaal dan met CdTe alleen. Dit is grotendeels toegeschreven aan selenium passivation van bulk defecten⁹.

Er is weinig onderzoek gedaan naar de integratie van CdSeTe in dunnere (≤1,5 μm) CdTe absorbers. We hebben daarom de kenmerken onderzocht van dunne 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe bilayer-absorber apparaten vervaardigd door close-space sublimatie (CSS) om te bepalen of de voordelen van dikke tweelaagse absorbers ook haalbaar zijn met dunne tweelaagse absorbers. Dergelijke CdSeTe/CdTe absorbers, meer dan twee keer zo dun als hun dikkere tegenhangers, bieden een opmerkelijke daling van de depositie tijd en materiaal en lagere productiekosten. Ten slotte hebben ze potentieel voor toekomstige ontwikkelingen in de apparaatarchitectuur die absorberende diktes van minder dan 2 μm vereisen.

CSS-afzetting van absorbers in één geautomatiseerd in-line vacuümsysteem biedt vele voordelen ten opzichte van andere fabricagemethoden^10,11. Snellere depositiesnelheden met CSS-fabricage verhogen de doorvoer van apparaten en bevorderen grotere experimentele gegevenssets. Bovendien beperkt de enkele vacuümomgeving van het CSS-systeem in dit werk potentiële uitdagingen met absorberinterfaces. Dunne-film PV-apparaten hebben vele interfaces, die elk kunnen fungeren als een recombinatie centrum voor elektronen en gaten, waardoor de algehele efficiëntie van het apparaat. Het gebruik van één vacuümsysteem voor de cdsete-, cdte- en cadmiumchloride (CdCl₂₎afzettingen (noodzakelijk voor een goede absorberkwaliteit^{12,13,14,15,16}) kan een betere interface produceren en interfaciale defecten verminderen.

Het in-line geautomatiseerde vacuümsysteem ontwikkeld aan colorado State University¹⁰ is ook voordelig in zijn schaalbaarheid en herhaalbaarheid. Depositieparameters zijn bijvoorbeeld door de gebruiker ingesteld en het depositieproces is zodanig geautomatiseerd dat de gebruiker geen aanpassingen hoeft aan te brengen tijdens de fabricage van de absorptie. Hoewel kleine onderzoeksapparaten in dit systeem zijn vervaardigd, kan het systeemontwerp worden opgeschaald voor grotere gebiedsdeposities, waardoor een verband kan worden gelegd tussen experimenten op onderzoeksschaal en module-schaalimplementatie.

Dit protocol presenteert de fabricagemethoden die worden gebruikt voor de productie van 0,5-μm CdSeTe/1,0-μm CdTe dunne-film PV-apparaten. Ter vergelijking: een set cdte-apparaten van 1,5 μm wordt vervaardigd. Enkele en tweelaagse absorberstructuren hebben nominaal identieke depositievoorwaarden in alle processtappen, met uitzondering van de CdSeTe-depositie. Om te karakteriseren of dunne CdSeTe/CdTe absorbers dezelfde voordelen behouden die worden aangetoond door hun dikkere tegenhangers, worden de huidige dichtheidsspanning (J-V), quantumefficiëntie (QE) en PL-metingen uitgevoerd op de dunne single- en bilayer absorber-apparaten. Een toename van de kortsluiting stroomdichtheid (J_SC) zoals gemeten door J-V en QE, in aanvulling op een toename van PL signaal voor de CdSeTe / CdTe vs. CdTe-apparaat, geven aan dat dunne CdSeTe / CdTe-apparaten vervaardigd door CSS vertonen opmerkelijke verbetering in de huidige collectie, materiaalkwaliteit, en apparaat efficiëntie.

Hoewel dit werk zich richt op de voordelen die gepaard gaan met de integratie van een CdSeTe-legering in een CdTe PV-apparaatstructuur, wordt het volledige fabricageproces voor CdTe- en CdSeTe/CdTe-apparaten vervolgens volledig beschreven. Figuur 1A,B toont voltooide apparaatstructuren voor respectievelijk cdte- en cdsete-apparaten, bestaande uit een transparant geleidend oxide (TCO)-gecoate glassubstraat, n-type magnesiumzinkoxide (MgZnO) uitzenderlaag, p-type CdTe of CdSeTe/CdTe absorber met CdCl_{2-behandeling} en koperbehandeling, dunne Te-laag en nikkel rugcontact. Exclusief de CSS-absorptiedepositie zijn de fabricageomstandigheden identiek tussen de enkele en tweelaagse structuur. Dus, tenzij anders vermeld, elke stap wordt uitgevoerd op zowel CdTe en CdSeTe / CdTe structuren.

Protocol

LET OP: Handschoenen moeten worden gedragen bij het hanteren van substraten om filmverontreiniging en contact tussen materiaal en huid te voorkomen. Dit fabricageproces vereist de behandeling van structuren die cadmiumverbindingen bevatten; daarom moeten een labjas en handschoenen te allen tijde in het lab worden gedragen.

1. Substraatreiniging

1. Plaats tco-gecoate glassubstraten (9,1 cm x 7,8 cm) in een roestvrijstalen rek met voldoende afstand, zodat reinigingsoplossing en perslucht op elke glazen wand kunnen worden aangebracht.
2. Blaas stof van de substraten met behulp van een stikstof persluchtslang.
3. Plaats het rek in een ultrasone reiniger (UC1) en vul met isopropylalcohol (IPA). Laat 30 min zitten om restolie en verontreinigingen uit het industriële glassnijproces te verwijderen.
4. Giet de IPA af van UC1. De IPA kan tot 5x worden hergebruikt voor het initiële reinigen van substraten.
5. Spoel de substraten af met gedeïoniseerd (DI) water en vul UC1 met DI-water ongeveer 1 cm boven de bovenrand van de substraten. Voeg 200 mL geconcentreerde reinigingsoplossing gelijkmatig over de substraten toe om restolie, vet, deeltjes of hardwatervlekken verder te verwijderen.
6. Met behulp van het hoofdvermogen schakelt u UC1 in tot 43 kHz ultrasone frequentie en 425 W-vermogen en laat u de substraten 1 uur zitten.
7. Spoel een tweede, grotere ultrasone reiniger (UC2) met DI-water en vul driekwart van het volume met DI-water.
8. Schakel UC1 uit en verwijder het roestvrijstalen rek. Onmiddellijk beginnen spoelen substraten met DI water over een gootsteen.
   LET OP: Laat de substraten in dit stadium niet drogen.
9. Breng het roestvrijstalen rek over naar UC2 en vul volledig met DI-water zodat de substraten volledig bedekt zijn. Schakel UC2 in tot 40 kHz ultrasone frequentie en 600 W-vermogen en laat de substraten 30 min zitten.
10. Bereid de zelfgemaakte IPA dampdroger.
    1. Ervoor zorgen dat de klep gesloten is, sluit een gasslang aan op ultrahoge zuiverheid (UHP) stikstof. Open de stikstoftank en stel de regelaar in op 10 psi. Open de klep voor stikstofstroom en pas je aan op 100 PSIG op de aangesloten stroommeter en sluit de klep opnieuw.
    2. Vul een kolf met 150 mL verse IPA en kurk de kolf strak. De kurk sluit de kolfopening stevig af, terwijl stikstof en IPA door twee kleine metalen pijpsystemen kunnen passeren die in de kurk zijn ingebed. Deze verbinden zich met een klein metalen leidingsysteem met fijne gaten, dat boven UC2 zit, zodat stikstof/IPA-damp incident is op de substraten.
11. Wanneer de UC2 spoelcyclus klaar is, schakelt u de warmte uit en UC2.
12. Open de dampdrogerklep voor de stikstof en IPA en open de afvoerklep op UC2 zodat het DI-water heel langzaam naar buiten komt.
    LET OP: Het DI-water moet heel langzaam worden afgevoerd. Dit proces vervangt het DI-water door stikstof/IPA-damp om te voorkomen dat er watervlekken op de substraten ontstaan. Dit moet 1-2 uur duren voor 30.000 cm³ water.
13. Wanneer volledig afgevoerd, verwijder het rek van UC2 en sluit de dampdroger klep.
14. Bewaar in een schone en ingeperkte omgeving voor toekomstig gebruik.
    OPMERKING: Gereinigde substraten kunnen voor onbepaalde tijd in deze omgeving worden achtergelaten, zolang ze schoon blijven. Inspecteer gereinigde substraten voordat u verder gebruik maakt om ervoor te zorgen dat ze het reinigingsproces niet opnieuw hoeven te ondergaan.

2. Magnesium zinkoxide vensterlaag sputter afzetting

OPMERKING: Dit MgZnO sputter-deposition proces maakt gebruik van een onevenwichtige magnetron en een 4" diameter, 0,25" dik doel met een doel-op-substraat afstand van 15 cm. Het doel is 99,99% zuiverheid (MgO)₁₁(ZnO)₈₉ in procenten gewicht.

1. Sputter systeem start-up
   1. Schakel de mechanische pomp en de forelineklep in, gevolgd door de diffusiepomp voor de sputterkamer. Zorg ervoor dat het doelkoelwater aan staat en dat de mechanische kleppen op het doelkoelwater open zijn.
   2. Zet de laadslotpomp aan met de schakelaar op de pomp.
   3. Laat de diffusiepomp 15 min opwarmen.
   4. Controleer de kamerdruk op de drukmeter: als deze lager is dan 2,0 x 10^-1 Torr, opent u de diffusiepomppoortklep. Als de druk groter is dan 2,0 x 10^-1 Torr, schakelt u de voorlijnklep in om te sluiten en opent u de voorklep totdat de druk daalt. Schakel vervolgens de voorbakklep dicht, open de voorlijn en open handmatig de diffusiepomppoortklep.
   5. Stel in de computersoftware de loopdruk in op 5 mTorr en klik op "gas inschakelen", waardoor de gasstroom mogelijk is. De stroom moet ~ 19-20 sccm en zuurstof ingesteld op 3% van de totale stroom met de balans als argon in de software.
   6. Laat de kamer 10 min pompen.
   7. Controleer of de basisdruk lager is dan 1,0 x 10^-5 Torr op de ionenmeter uitlezing.
   8. Zorg ervoor dat de overdrachtsarm volledig uit de kamer wordt teruggetrokken (kijk door de kamerviewport om ervoor te zorgen dat de monsterhouder niet in de kamer is) en schakel de klep van de laadvergrendelingsklep dicht.
   9. Zorg ervoor dat de sluiter gesloten is: dit kan worden gecontroleerd door door het viewport-venster te kijken om te zien dat het direct boven de sputterkathode is.
   10. Stel op de voeding de RF-generatorstroom in op 60 W. In de computer software verhogen van de druk tot 15 mTorr voor plasma ontsteking, zet de RF-kracht op, en zodra het plasma is ontstoken, verminder de druk terug tot 5 mTorr in de software. Het gereflecteerde vermogen moet 1-2 W zijn. Als het veel hoger is, moet het RF-matchnetwerk worden afgestemd.
   11. Het doel moet worden opgewarmd om scheuren te voorkomen: verhoog het vermogen op de RF-generator met een snelheid van 20 W/min tot het bereiken van een eindvermogen van 140 W. De gereflecteerde kracht moet idealiter <5% van het echte vermogen. Laat het doel vooraf sputteren met de sluiter gesloten voor 15 min.
2. MgZnO sputter afzetting
   1. Om de depositiesnelheid te kalibreren, moet een getuigenmonster worden vervaardigd. Gebruik een permanente markering om een ~0,2 cm (lengte) lijn te tekenen aan de TCO-gecoate kant van een schoon substraat.
   2. Zorg ervoor dat de laadvergrendelingsklep gesloten is, los en open de deurknop van het laadslot. Venter het lastslot met een kwartslag van de UHP stikstofventklep tot de deur van het lastslot losmaakt. Houd de ventilatieklep gedeeltelijk open om het lastslot te zuiveren terwijl de deur open staat.
   3. Gebruik een handblazer om eventuele stofdeeltjes voorzichtig uit het schone TCO-gecoate substraat te verwijderen. Verwijder het substraat op de monsterhouder en laad het schone substraat TCO zijwaarts met een pincet met rubber. Houd het monster op de rand om het afzettingsgebied te vermijden.
   4. Sluit en draai de deur van het laadslot aan. Schakel de laadvergrendelingspomp in en sluit de stikstofafvoerklep.
   5. Pomp de lastslot naar beneden totdat de drukmeter van de belastingsvergrendeling lager is dan 5,0 x 10^-2 Torr. Schakel vervolgens de laadvergrendelingspomp uit en schakel de laadvergrendelingspoort open (de druk mag niet boven de 7 mTorr pieken). Wacht tot de druk wordt genivelleerd en plaats de overdrachtsarm handmatig zodanig dat het monster boven de geblindeerde kathode zit.
   6. Stel de gewenste depositietijd in op een timer en begin met de timing terwijl de sluiter handmatig wordt geopend. Sluit onmiddellijk de sluiter als de timer afgaat.
   7. Trek de overdrachtsarm handmatig volledig in en sluit de poort van het laadslot.
   8. Verwijder of wissel het monster uit na de stappen 2.2.2–2.2.5.
   9. Om de mgZnO-depositiesnelheid te verkrijgen, verwijdert u de permanente markering uit het getuigenmonster met een in methanol getipte applicator met katoenen punt. Meet de dikte met behulp van een profilometer¹⁷ en stel de volgende depositietijden in voor de gewenste MgZnO-dikte (100 nm voor de monsters die in dit werk worden gepresenteerd).
   10. Herhaal de afzetting voor zoveel monsters als gewenst is.
       OPMERKING: Na de afzetting van MgZnO kunnen de monsters enige tijd worden opgeslagen. Bij het risico van oxideren, wordt aanbevolen dat ze worden opgeslagen in een desiccator onder vacuüm voor niet meer dan 1 week voor de beste resultaten.

3. Sublimatieafzetting in de nabijheid en behandeling van absorberlagen

1. Opstarten van CSS-systemen
   1. Zorg ervoor dat 1) het systeem onder vacuüm is, 2) de mechanische en diffusiepompen zijn ingeschakeld, 3) de laadklep van de laadvergrendeling is open voor de kamer en 4) de druk is ingesteld op 40 mTorr.
   2. Open handmatig de gasstroomklep (98% N₂ en 2% O₂₎en selecteer "Gas inschakelen" op de computersoftware. De druk moet stabiliseren rond 40 mTorr.
   3. Schakel de restgasanalyzer (RGA) in door de RGA-klep te openen en verbinding te maken met het softwareprogramma. Dit is nodig om water-, zuurstof-, stikstof- en waterstofniveaus in het systeem te volgen. Deze niveaus zijn meestal rond 4,5 x 10^-9, 2,5 x 10^-8, 2,3 x 10^-6en 8,0 x 10^-10 Torr voor elk, respectievelijk.
   4. Breng het CSS-systeem boven- en onderkant bronnen tot de bedrijfstemperaturen in het computerprogramma. De temperatuur van de bovenste bron is ingesteld op 620 °C voor voorverwarm, 360 °C voor CdTe, 420 °C voor CdSe₂₀Te₈₀, 387 °C voor CdCl₂, 400 °C voor anneal en 620 °C voor bakeoff. Bodembrontemperaturen zijn ingesteld op 620 °C voor voorverwarming, 555 °C voor CdTe, 545 °C voor CdSe₂₀Te₈₀, 439 °C voor CdCl₂, 400 °C voor anneal en 620 °C voor bakeoff. Deze temperatuurverschillen bevorderen sublimatie van onder naar boven bronnen, zodat materiaal sublimeert op het monster, gelegen tussen de bronnen.
   5. Wanneer de bronnen de bedrijfstemperaturen hebben bereikt, voert u de monsterhouder door het bakeoff-recept: selecteer in de software "Bakeoff" in de receptenlijst en klik op "Run". Hierdoor wordt de overdrachtsarm automatisch zodanig verplaatst dat de monsterhouder 480 s in de bakeoff-bron blijft. Dit verwarmt de monsterhouder en bakt overtollig materiaal af.
   6. Nadat de overdrachtsarm de monsterhouder automatisch intrekt naar de thuispositie en de poortklep sluit, ventileert u het laadslot door de UHP stikstofventiel te openen. Wanneer ontlucht, open de deur van het lastslot en sluit de ventiel.
2. CSS-depositie en passivatiebehandeling van absorbers
   1. Gebruik een handblazer om eventuele stofdeeltjes voorzichtig te verwijderen uit het schone mgzno/TCO-gecoate substraat en het substraat op de monsterhouder te laden (MgZnO kant naar beneden).
   2. Sluit de deur van het lastslot en pomp het lastslot door de slagschakelaar van het ladingslot in te schakelen.
   3. Tijdens het wegpompen voert u het gewenste recept in voor CSS-depositie in het computerprogramma. De recepten die worden gebruikt om de CdTe en CdSeTe / CdTe structuren voor te bereiden zijn verschillend in dit stadium en zijn als volgt.
   4. Voor het cdte-getuigenmonster (voor de bepaling van de depositiesnelheid van CdTe; vereist voor zowel cdte als cdsete/cdte-apparaatfabricage), gebruik:
      110 s in preheat bron (dit verhoogt het glas tot ~ 480 °C zodanig dat CdTe goed zal sublimeren op het substraat);
      110 s in CdTe bron (dit sublimeert CdTe op het substraat);
      180 s in CdCl₂ bron [de CdCl₂ depositie is noodzakelijk voor een goede CdTe apparaat prestaties (het is aangetoond dat het passivates graan grenzen en bungelen de banden en bevordert graangroei en uitlijning in de polykristallijn EcdTe absorber^{12,13,14,15,16})];
      240 s in anneal bron (dit drijft de CdCl₂ in de absorber materiaal); En
      300 s in koelbron (hierdoor kan het monster afkoelen om te lossen).
   5. Met behulp van een scheermesje, schrijf een klein gebied van CdTe materiaal uit het substraat en meet de CdTe filmdikte met behulp van een oppervlakte profilometer om depositie snelheid te bepalen¹⁷.
   6. Voor het cdsete-getuigenmonster (voor de bepaling van de depositiesnelheid van CdSeTe; alleen vereist voor de fabricage van cdsete/cdte-apparaten), gebruik u:
      140 s in voorwarmtebron (dit verhoogt het glas tot ~ 540 °C zodanig dat CdSeTe goed zal sublimeren op het substraat);
      300 s in CdSeTe bron (dit sublimeert CdSeTe op het substraat); En
      300 s in koelbron.
   7. Met behulp van een scheermesje, schrijf een klein gebied van CdSeTe materiaal uit het substraat en meet de CdSeTe filmdikte met behulp van een oppervlakte profilometer om depositie snelheid te bepalen^17.
   8. Gebruik voor de dunne single absorber (CdTe-monster):
      110 s in preheat bron;
      xx s in CdTe bron [de dwell tijd is afhankelijk van de CdTe depositie snelheid en de gewenste dikte (voor de 1,5 μm enkele CdTe absorber hier gebruikt, de dwell tijd is 60 s)];
      150 s in CdCl₂ bron [de CCl_{2-behandeling} is afhankelijk van de absorptiedikte; daarom moeten experimenten worden uitgevoerd om de behandelingsomstandigheden te optimaliseren (de vermelde stilstaande tijden zijn geoptimaliseerd voor dunne, 1,5 μm absorbers¹⁸)];
      240 s in anneal bron; En
      300 s in koelbron.
   9. Gebruik voor de dunne bilayer absorber (CdSeTe/CdTe-monster):
      140 s in preheat bron;
      xx s in CdSeTe bron [nogmaals, de dwell tijd is afhankelijk van de CdSeTe depositie snelheid en de gewenste dikte (voor de 0,5 μm CdSeTe laag hier gebruikt, de dwell tijd is 231 s)];
      xx s in CdTe-bron [de dwelltijd is afhankelijk van de gewenste CdTe-dikte- en depositiesnelheid berekend op basis van de gemeten dikte van het CdTe-getuigenmonster (voor de 1,5 μm bilayer CdSeTe/CdTe absorber die hier wordt gebruikt, is de dwelltijd 50 s voor een 1,0 μm CdTe-laag)];
      150 s in CdCl₂ bron;
      240 s in anneal bron; En
      300 s in koelbron.
   10. Wanneer de druk van het belastingslot lager dan 40 mTorr in de computersoftware leest, opent u met behulp van de software de klep van de laadvergrendelingen en selecteert u "Start". Het programma voert automatisch het geselecteerde recept uit en keert terug naar de thuispositie bij het voltooien van de koelstap^10.
   11. Nadat de volledige afzetting is voltooid open de last lock vent klep, vent naar de atmosfeer, en open de load lock deur voor de uiteindelijke substraat koeling. Na ~ 60 s moet het substraat koel genoeg zijn om met een pluisvrije doek uit de monsterhouder te verwijderen.
   12. Zodra het monster is verwijderd, sluit u de deur van het lastslot, pomp tude u het lastslot weg door de voorbewerkende schakelaar in te schakelen en volg stap 3.1.5 om het bakeoff-recept uit te voeren. Tussen elke monsterdepositie moet een bakeoff worden uitgevoerd om de monsterhouder schoon te maken.
   13. Het verwerkte monster moet een witte wazige laag op de film van de CdCl_{2-behandeling} hebben. Maak een foto van de film om het nevelpatroon te noteren. Als er weinig of geen zichtbaar materiaal uit de CdCl_{2-behandeling} is, moet deze behandeling waarschijnlijk worden geoptimaliseerd.
   14. Spoel het overtollige CdCl_2-materiaal van de film af in een gegradueerde beker met BEHULP van DI-water en droog de film met gecomprimeerde argon.
       LET OP: Deze CdCl₂ spoeling moet worden uitgevoerd in een ingeperkte behuizing. Gooi na voltooiing hetCdCl 2/DI-watermengsel in de juiste container voor gevaarlijk afval.
       OPMERKING: Na CSS-depositie kunnen de monsters enige tijd worden opgeslagen, maar het wordt aanbevolen dat ze niet langer dan 1 week in een droogsterij onder vacuüm worden opgeslagen voor de beste resultaten. Een schema van het geautomatiseerde in-line CSS-depositiesysteem wordt weergegeven in figuur 2.

4. Compartimentering koperbehandeling

1. Opstarten van CSS-systemen
   1. Zorg ervoor dat de mechanische en diffusiepompen aan staan.
   2. Open de procesgasklep en pas de gasstroomknop handmatig aan totdat de 40 mTorr-bedrijfsdruk op de drukmeter wordt weergegeven.
   3. Stel de CSS-bronnen handmatig in en schakel deze in met behulp van PID-controllers (proportional-integral-derivative). De topbrontemperaturen die in dit experiment worden gebruikt, zijn 330 °C voor de voorwarmtebron, 170 °C voor de CuCl-bron en 200 °C voor de annealbron. De bodembrontemperaturen zijn 330 °C voor de voorwarmtebron, 190 °C voor de CuCl-bron en 200 °C voor de annealbron.
   4. Schakel de diffusiepompklep open en sluit handmatig de laadvergrendelingsklep.
2. CuCl behandeling op absorber structuren
   1. Wanneer de bronnen de bedrijfstemperatuur hebben bereikt, kan het monster op de monsterhouder worden geladen:
      1. Maak de knop voor de deur van het laadslot los.
      2. Venter het lastslot met een kwartslag van de UHP stikstofventiel.
      3. Open de deur van het laadslot en gebruik een handblazer om eventuele stofdeeltjes voorzichtig uit het monster te verwijderen. Plaats de monsterfilmzijde op de monsterhouder met een pincet met rubberen punt, met het monster op de rand om het afzettingsgebied te vermijden.
      4. Sluit de ventilatieklep en sluit en draai de deur van het laadslot dicht.
      5. Open handmatig de laadslotpomp en laat de laadslotpomp onder de crossoverdruk (40 mTorr) staan.
   2. Wanneer de crossover druk is verkregen, handmatig sluiten van de load lock pomp en handmatig open de load lock gate klep.
   3. Beweeg de overdrachtsarm handmatig achtereenvolgens in de voorheat-, CuCl- en annealposities. Een timer wordt gebruikt voor de stilstaande tijd in elke positie. Voor de beschreven monsters zijn de dwelltijden respectievelijk 75 s, 5 s en 250 s voor de voorverwarming, CuCl en annealbronnen.
   4. Breng na de annealingstap de overdrachtsarm handmatig terug naar de thuispositie en sluit de laadklep.
   5. Volg stap 4.2.1 om monsters uit te wisselen.
      OPMERKING: Bij het lossen van een eerder monster is het waarschijnlijk nog steeds warm. Verwijder het monster met een rubberen pincet en laat het afkoelen (film kant omhoog) op een metalen blok. Na de Cu-behandeling kunnen de monsters enige tijd worden opgeslagen, maar het wordt aanbevolen dat ze niet langer dan 1 week in een droogsterij onder vacuüm worden opgeslagen voor de beste resultaten.

5. Verdampingsdepositie van dun tellurium

1. Zet de mechanische pomp, voorlijnklep en diffusiepomp aan met behulp van schakelaars op het verdampersysteem. Laat de diffusiepomp 20 min opwarmen.
2. Ontlucht en open de kamer door de stikstofklep te openen en de verdampingskamer op te tillen. Laad de Te in de met aluminiumoxide bedekte molybdeenboot. Verplaats de verdamperkamer terug op zijn plaats nadat het materiaal is geladen.
3. Voer de juiste instellingen voor Te-depositie van een met aluminiumoxide gecoate molybdeenboot in het quartz kristalmonitorpaneel (QCM) paneel (dichtheid = 6,25 g/cm³ en akoestische impedantie = 9,81 g/cm²s).
4. Open de kamer bovenkant om toegang te krijgen tot de monsterhouder. Gebruik een handventilator om eventuele stofdeeltjes voorzichtig uit het monster te verwijderen. Laad de samplefilmzijde naar beneden op de monsterhouder en sluit de kamerbovenkant.
5. Beweeg de hendel handmatig in de voorbewerkende positie; zowel de voorbewerken en kamerdruk uitlezingen moeten beginnen te dalen. Laat de druk dalen tot onder de 10 mTorr.
6. Draai de voorlijnklep terug naar de voorlijnpositie. Wacht ~ 30 s voor een kortstondige piek in de druk worden opgelost, dan open de hoge vacuümklep. Wanneer de kamerdruklezer is gebaseerd, is de juiste depositiedruk van 1,0 x 10^-5 Torr bereikt.
7. Schakel de aan/uit-schakelaar in, open de sluiter en zet de huidige besturingselement aan om te beginnen met depositie. Het optimale huidige bereik is 90-100 AC ampère zodanig dat de depositie snelheid zal zijn ~ 5-10 Å / s. De depositiesnelheid, weergegeven op de QCM-uitlezing, kan snel veranderen; daarom moet de stroom tijdens de depositie voortdurend worden aangepast om het tarief tussen 5 en 10 Å/s te handhaven.
8. Wanneer de QCM de gewenste Te-dikte (40 nm voor de hier gebruikte monsters) weergeeft, schakelt u de stroom snel en gelijktijdig op nul uit, schakelt u de aan/uit-schakelaar uit en sluit u de sluiter.
9. Sluit de hoge vacuümklep, open de stikstofafvoerklep en verwijder het monster uit de monsterhouder. Herhaal stap 5.4–5.8 voor depositie op extra monsters.
   OPMERKING: Na de Te-depositie kunnen de monsters enige tijd worden opgeslagen, maar het wordt aanbevolen dat ze niet langer dan 1 week in een droogsterij onder vacuüm worden opgeslagen voor de beste resultaten.

6. Nikkel terug contact aanvraag

LET OP: Als gevolg van de dampen van de Ni verf en methyl ethylketon (MEK), altijd lopen een overhead ventilator om lucht te fietsen tijdens dit proces.

1. Monteer de monsters (filmzijde naar voren gericht) op een verticale montageplank.
2. Zorg ervoor dat de Ni applicator pistool is schoon in de hele. Zo niet, schoon met MEK.
3. Het achtercontact is een mengsel van geleidende Ni verf en dunner bij een 2:1 verhouding. Voordat u de verf aanbrengt, schudt u de back-contactoplossing om volledige vermenging te garanderen.
4. Giet de Ni back contact oplossing in het applicatorpistool en zet de aangesloten luchtcompressorslang aan. Spuit een proefstuk (d.w.z. karton) om ervoor te zorgen dat de verf gelijkmatig van toepassing is. Als het uniform is, breng het achtercontact op de monsters door het spuiten van de oplossing over het monster set met een langzame laterale beweging. Laat het rugcontact iets drogen en breng zo vaak toe als nodig is voor volledige dekking (meestal werken vijf passen goed).
   OPMERKING: De Ni-oplossing kan het applicatorpistool drogen en verstoppen; daarom, om een de-verstopping proces tijdens back-contact applicatie te voorkomen, is het belangrijk om niet meer dan 60 s te wachten tussen spuitsets.
5. Schakel de luchtcompressor uit en laat het rugcontact minstens 1 uur drogen op de monsters.

7. Afbakening in 25 apparaten in kleine gebieden

OPMERKING: Om de dunne filmstructuur af te maken tot elektrisch contactbare apparaten, moet de filmstapel worden afgebaken in kleine apparaten, zodat het TCO-voorcontact en Ni-backcontact elektrisch toegankelijk zijn. Dit wordt gedaan met behulp van een metalen masker met mechanische verwijdering van de halfgeleider.

1. Plaats een monster in het metalen masker.
2. Plaats het gemaskerde monster in het handschoenenkastje en breng het glas, beaded media aan op de ontmaskerde delen van het monster. De juiste materiaalverwijdering wordt bereikt wanneer de maskervensters bijna transparant worden.
3. Herhaal dit proces met het tweede masker zodanig dat bij het voltooien van afbakening 25 vierkante kleine apparaten in een 5 x 5-patroon op het monster worden weergegeven. De voltooide gebieden zijn ~0,6 cm².
4. Reinig de filmkant van de monsters met een katoen-getiptapplicator gedoopt in DI water.
5. Om de zijweerstand in elektrische metingen van de afgewerkte apparaten te minimaliseren, soldeer een rasterpatroon tussen de apparaten met een indiumsoldeer.
   OPMERKING: De voltooide apparaatstructuren zijn opgenomen in respectievelijk figuur 1A en figuur 1B voor de cdte- en cdsete-/cdte-absorberapparaten.

Resultaten

De toevoeging van CdSeTe aan een dunne CdTe-absorber verbetert de efficiëntie van het apparaat door superieure geluidskwaliteit en een hogere stroomdichtheid (J_SC). Figuur 3A en figuur 3B(aangepast van respectievelijk Bothwell et al.⁸) tonen PL en TRPL voor de single CdTe absorber en CdSeTe/CdTe bilayer absorber devices. Zowel PL- als TRPL-metingen tonen duidelijk verbeterde fotoluminescentie met de CdSeTe/CdTe bilayer absorber...

Discussie

Dunne bilayer CdSeTe/CdTe fotovoltaïsche apparaten tonen verbeteringen in efficiëntie ten opzichte van hun CdTe tegenhangers vanwege een betere materiaalkwaliteit en verhoogde huidige collectie. Dergelijke verbeterde efficiëntieverbeteringen zijn aangetoond in tweelaagse absorbers groter dan 3 μm^5,7, en nu met geoptimaliseerde fabricageomstandigheden, is aangetoond dat verhoogde efficiëntie ook haalbaar is voor dunnere, 1,5 μm bilayer absorbers.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Alpha Step Surface Profilometer	Tencor Instruments	10-00020	Instrument voor het meten van filmdikte
CdCl2 Materiaal	5N Plus	N/A	Materiaal voor absorber passivatiebehandeling
CdSeTe Halfgeleidermateriaal	5N Plus	N/A	P-type halfgeleidermateriaal voor absorberlaag
CdTe Halfgeleidermateriaal	5N Plus	N/A	P-type halfgeleidermateriaal voor absorberlaag
CESAR RF-stroomgenerator	Advanced Energy	61300050	Krachtbron voor MgZnO sputterdeposition
CuCl Materiaal	Sigma Aldrich	N/A	Materiaal voor absorber doping
Delineatiemateriaal	Kramer Industries Inc.	Melamine Type 3 60-80 mesh	Kunststofkralenmateriaal voor filmdelineatie
Kluis	Vaniman Manufacturing Co.	Problast 3	Kluis voor filmdelineatie
Goud Kristal	Kurt J. Lesker Company	KJLCRYSTAL6-G10	Kristal voor Te verdampingsdiktedemonitor
HVLP en Standaard Zwaartekrachtvoedingspistool Kit	Husky	HDK00600SG	Applicatiepistool voor Ni-verf achtercontactapplicatie
MgZnO Sputteringdoel	Plasmaterials, Inc.	PLA285287489	N-type emitterlaagmateriaal
Micro 90 Glasreinigingsoplossing	Cole-Parmer	EW-18100-05	Oplossing voor initiële glasreiniging
NSG Tec10 Substraten	Pilkington	N/A	Transparant geleidend oxideglas voor voorste elektrische contact
Super Shield Ni Geleidende Coating	MG Chemicals	841AR-3.78L	Geleidende verf voor achtercontactlaag
Te Materiaal	Sigma Aldrich	MKBZ5843V	Materiaal voor achtercontactlaag
Diktedemonitor	R.D. Mathis Company	TM-100	Instrument voor het programmeren en bewaken van Te verdampingscondities
Verdunner 1	MG Chemicals	4351-1L	Verfverdunner om te mengen met Ni voor achtercontactlaag
Ultrasoon Reiniger 1	L & R Electronics	Q28OH	Ultrasoon reiniger 1 voor glasreiniging
Ultrasoon Reiniger 2	Ultrasonic Clean	100S	Ultrasoon reiniger 2 voor glasreiniging
UV/VIS Lambda 2 Spectrometer	PerkinElmer	166351	Spectrometer gebruikt voor transmissiemetingen op CdSeTe films