Ultracienkie ogniwa słoneczne CdSeTe/CdTe osadzane sublimacyjnie w bliskiej przestrzeni dla zwiększenia gęstości prądu zwarciowego i fotoluminescencji

Podsumowanie

Ta praca opisuje kompletny proces produkcji cienkich absorberów tellurku kadmu/tellurku selenu/tellurku kadmu dla zwiększenia wydajności. Proces wykorzystuje zautomatyzowany system próżniowy in-line do osadzania sublimacyjnego w bliskiej przestrzeni, który jest skalowalny, od produkcji urządzeń badawczych o małej powierzchni, a także modułów na dużą skalę.

Streszczenie

Rozwój architektury urządzeń fotowoltaicznych jest niezbędny, aby energia słoneczna stała się opłacalnym i niezawodnym źródłem energii odnawialnej w obliczu rosnącego globalnego zapotrzebowania na energię i zmian klimatycznych. Technologia cienkowarstwowa CdTe wykazała się konkurencyjnością kosztową i rosnącą wydajnością, częściowo dzięki szybkiemu czasowi produkcji, minimalnemu zużyciu materiału i wprowadzeniu stopu CdSeTe do warstwy absorbera ~3 μm. Praca ta przedstawia wytwarzanie sublimacji w bliskiej przestrzeni cienkich dwuwarstwowych urządzeń CdSeTe/CdTe o grubości 1,5 μm przy użyciu zautomatyzowanego systemu osadzania próżniowego w linii. Cienka dwuwarstwowa struktura i technika wytwarzania minimalizują czas osadzania, zwiększają wydajność urządzenia i ułatwiają przyszły rozwój architektury urządzeń opartych na cienkich absorberach. Trzy parametry produkcyjne wydają się mieć największy wpływ na optymalizację cienkich urządzeń absorpcyjnych CdSeTe/CdTe: temperatura wstępnego podgrzewania podłoża, stosunek grubości CdSeTe:CdTe i pasywacja CdCl₂. Aby zapewnić prawidłową sublimację CdSeTe, temperatura podłoża przed osadzaniem musi wynosić ~540 °C (wyższa niż w przypadku CdTe), co jest kontrolowane przez czas przebywania w źródle podgrzewania. Zmienność stosunku grubości CdSeTe:CdTe ujawnia silną zależność wydajności urządzenia od tego stosunku. Optymalne grubości absorbera to 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe, a niezoptymalizowane proporcje grubości zmniejszają wydajność poprzez efekty bariery zwrotnej. Cienkie absorbery są wrażliwe na zmiany pasywacji CdCl₂; znacznie mniej agresywna obróbka CdCl₂ (w porównaniu z grubszymi absorberami) zarówno pod względem temperatury, jak i czasu zapewnia optymalną wydajność urządzenia. Dzięki zoptymalizowanym warunkom produkcji, CdSeTe/CdTe zwiększa gęstość prądu zwarciowego urządzenia i intensywność fotoluminescencji w porównaniu z pojedynczym absorberem CdTe. Dodatkowo, wbudowany w linię sublimacyjny system osadzania próżniowego w zamkniętej przestrzeni zapewnia redukcję materiału i czasu, skalowalność i możliwość uzyskania przyszłych ultracienkich architektur absorberów.

Wprowadzenie

Globalne zapotrzebowanie na energię szybko rośnie, a rok 2018 wykazał najszybszą( 2,3%) stopę wzrostu w ostatniej dekadzie¹. W połączeniu z rosnącą świadomością skutków zmian klimatycznych i spalania paliw kopalnych, zapotrzebowanie na konkurencyjną kosztowo, czystą i odnawialną energię stało się aż nadto oczywiste. Spośród wielu odnawialnych źródeł energii, energia słoneczna wyróżnia się swoim całkowitym potencjałem, ponieważ ilość energii słonecznej, która dociera do Ziemi, znacznie przekracza globalne zużycie energii².

Urządzenia fotowoltaiczne (PV) bezpośrednio przekształcają energię słoneczną w energię elektryczną i są wszechstronne pod względem skalowalności (np. mini-moduły do użytku osobistego i panele słoneczne zintegrowane z siecią) oraz technologii materiałowych. Technologie takie jak wielo- i jednozłączowe, monokrystaliczne ogniwa słoneczne z arsenku galu (GaAs) osiągają sprawność sięgającą odpowiednio 39,2% i 35,5%³. Jednak produkcja tych wysokowydajnych ogniw słonecznych jest kosztowna i czasochłonna. Polikrystaliczny tellurek kadmu (CdTe) jako materiał do cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych jest korzystny ze względu na niski koszt, wysoką przepustowość, różnorodność technik osadzania i korzystny współczynnik absorpcji. Te atrybuty sprawiają, że CdTe sprzyja produkcji na dużą skalę, a poprawa wydajności sprawiła, że CdTe jest konkurencyjne kosztowo w stosunku do dominującego na rynku fotowoltaiki krzemu i paliw kopalnych⁴.

Jednym z ostatnich osiągnięć, które przyczyniło się do wzrostu wydajności urządzeń CdTe, jest włączenie materiału ze stopu tellurku kadmu i selenu (CdSeTe) do warstwy absorbera. Zintegrowanie dolnego materiału CdSeTe o długości pasma wzbronionego ~1,4 eV z absorberem CdTe o napięciu 1,5 eV zmniejsza przednią przerwę energetyczną absorbera dwuwarstwowego. Zwiększa to frakcję fotonów powyżej przerwy energetycznej, a tym samym poprawia odbiór prądu. Pomyślne włączenie CdSeTe do absorberów o grubości 3 μm lub większej w celu zwiększenia gęstości prądu zostało zademonstrowane za pomocą różnych technik wytwarzania (tj. sublimacji w bliskiej przestrzeni, osadzania w transporcie pary i galwanizacji)^5,6,7. Zwiększona spektroskopia emisyjna fotoluminescencji w temperaturze pokojowej (PL), fotoluminescencja czasowo-rozdzielcza (TRPL) i sygnały elektroluminescencyjne z dwuwarstwowych urządzeń absorbujących^5,8 wskazują, że oprócz zwiększonego odbioru prądu, CdSeTe wydaje się mieć lepszą wydajność radiacyjną i żywotność nośnika mniejszościowego, a urządzenie CdSeTe/CdTe ma większe napięcie w stosunku do ideału niż tylko z CdTe. Zostało to w dużej mierze przypisane pasywacji selenem wad masowych⁹.

Niewiele badań zostało zgłoszonych na temat włączania CdSeTe do cieńszych (≤1,5 μm) absorberów CdTe. W związku z tym zbadaliśmy charakterystykę cienkich dwuwarstwowych absorberów CdSeTe/1,0 μm CdTe wytwarzanych metodą sublimacji w bliskiej przestrzeni (CSS), aby ustalić, czy korzyści obserwowane w grubych absorberach dwuwarstwowych można również osiągnąć w przypadku cienkich absorberów dwuwarstwowych. Takie absorbery CdSeTe/CdTe, ponad dwukrotnie cieńsze niż ich grubsze odpowiedniki, oferują znaczne skrócenie czasu osadzania i materiału oraz niższe koszty produkcji. Wreszcie, mają one potencjał dla przyszłego rozwoju architektury urządzeń, które wymagają absorberów o grubości mniejszej niż 2 μm.

CSS osadzanie absorberów w jednym zautomatyzowanym systemie próżniowym w linii oferuje wiele zalet w porównaniu z innymi metodami produkcji^10,11. Szybsze tempo osadzania dzięki produkcji CSS zwiększa przepustowość urządzeń i sprzyja tworzeniu większych zestawów danych eksperymentalnych. Dodatkowo, pojedyncze środowisko próżniowe systemu CSS w tej pracy ogranicza potencjalne wyzwania związane z interfejsami absorberów. Cienkowarstwowe urządzenia fotowoltaiczne mają wiele interfejsów, z których każdy może działać jako centrum rekombinacji elektronów i, zmniejszając w ten sposób ogólną wydajność urządzenia. Zastosowanie pojedynczego systemu próżniowego do osadzania CdSeTe, CdTe i chlorku kadmu (CdCl₂) (niezbędne dla dobrej jakości absorbera^{12,13,14,15,16}) może zapewnić lepsze interfejsy i zmniejszyć defekty międzyfazowe.

Automatyczny system próżniowy opracowany na Uniwersytecie Stanowym Kolorado¹⁰ jest również korzystny pod względem skalowalności i powtarzalności. Na przykład parametry osadzania są ustawiane przez użytkownika, a proces osadzania jest zautomatyzowany, dzięki czemu użytkownik nie musi dokonywać regulacji podczas produkcji absorbera. Chociaż w tym systemie wytwarzane są urządzenia do badań na małych obszarach, projekt systemu można skalować w celu osadzania na większych obszarach, umożliwiając powiązanie między eksperymentami na skalę badawczą a wdrożeniem na skalę modułową.

Ten protokół przedstawia metody produkcji używanych do produkcji cienkowarstwowych urządzeń fotowoltaicznych 0,5 μm CdSeTe/1,0 μm CdTe. Dla porównania, produkowany jest zestaw urządzeń CdTe o grubości 1,5 μm. Jedno- i dwuwarstwowe struktury absorberów mają nominalnie identyczne warunki osadzania na wszystkich etapach procesu, z wyłączeniem osadzania CdSeTe. Aby scharakteryzować, czy cienkie absorbery CdSeTe/CdTe zachowują te same korzyści, które wykazują ich grubsze odpowiedniki, przeprowadza się pomiary gęstości prądu i napięcia (J-V), wydajności kwantowej (QE) i PL na cienkich jedno- i dwuwarstwowych urządzeniach absorbujących. Wzrost gęstości prądu zwarciowego (J_SC) mierzonej za pomocą J-V i QE, a także wzrost sygnału PL dla CdSeTe/CdTe w porównaniu z sygnałem PL. CdTe, wskazują, że cienkie urządzenia CdSeTe/CdTe wyprodukowane przez CSS wykazują zauważalną poprawę w bieżącym zbieraniu, jakości materiałów i wydajności urządzenia.

Chociaż ta praca skupia się na korzyściach związanych z włączeniem stopu CdSeTe do struktury urządzenia PV CdTe, cały proces produkcji urządzeń CdTe i CdSeTe/CdTe jest opisany w pełni później. Rysunek 1A,B pokazuje kompletne struktury urządzeń odpowiednio dla urządzeń CdTe i CdSeTe/CdTe, składające się z przezroczystego podłoża szklanego pokrytego tlenkiem przewodzącym (TCO), warstwy emitera tlenku magnezu i typu n (MgZnO), absorbera CdTe typu p lub CdSeTe/CdTe z obróbką CdCl₂ i domieszkowaniem miedzi, cienką warstwą Te i niklowym kontaktem wstecznym. Z wyjątkiem osadzania absorbera CSS, warunki wytwarzania są identyczne dla struktury jednowarstwowej i dwuwarstwowej. W związku z tym, o ile nie zaznaczono inaczej, każdy krok jest wykonywany zarówno na strukturach CdTe, jak i CdSeTe/CdTe.

Protokół

UWAGA: Podczas pracy z podłożami należy nosić rękawice, aby zapobiec zanieczyszczeniu folii i kontaktowi materiału ze skórą. Ten proces wytwarzania wymaga obchodzenia się ze strukturami zawierającymi związki kadmu; Dlatego w laboratorium należy zawsze nosić fartuch laboratoryjny i rękawice.

1. Czyszczenie podłoża

1. Umieść szklane podłoża z powłoką TCO (9.1 cm x 7.8 cm) w stojaku ze stali nierdzewnej w wystarczających odstępach, tak aby na każdą szklaną powierzchnię można było nałożyć roztwór czyszczący i sprężone powietrze.
2. Zdmuchnij kurz z podłoży za pomocą węża sprężonego powietrza z azotem.
3. Umieść stojak w myjce ultradźwiękowej (UC1) i napełnij alkoholem izopropylowym (IPA). Pozostaw na 30 minut, aby usunąć resztki oleju i zanieczyszczeń z przemysłowego procesu cięcia szkła.
4. Odcedź IPA z UC1. IPA może być ponownie użyty do 5 razy do wstępnego czyszczenia podłoży.
5. Spłucz podłoża wodą dejonizowaną (DI), a następnie napełnij UC1 wodą DI około 1 cm powyżej górnej krawędzi podłoży. Dodaj 200 ml skoncentrowanego roztworu czyszczącego równomiernie na podłoża, aby dodatkowo usunąć resztki oleju, smaru, cząstek stałych lub plam z twardej wody.
6. Korzystając z głównej mocy, włącz częstotliwość ultradźwiękową UC1 do 43 kHz i moc 425 W i pozostaw podłoża na 1 godzinę.
7. Opłucz drugą, większą myjkę ultradźwiękową (UC2) wodą DI i napełnij trzy czwarte jej objętości wodą DI.
8. Wyłącz UC1 i wyjmij stojak ze stali nierdzewnej. Natychmiast rozpocznij płukanie podłoży wodą DI nad zlewem.
   UWAGA: Na tym etapie nie pozwól, aby podłoża wyschły.
9. Przenieś stojak ze stali nierdzewnej do UC2 i całkowicie napełnij wodą DI, tak aby podłoża były całkowicie pokryte. Włącz częstotliwość ultradźwiękową UC2 do 40 kHz i moc 600 W i pozostaw podłoża na 30 minut.
10. Przygotuj domową suszarkę parową IPA.
    1. Upewniając się, że zawór jest zamknięty, podłącz wąż gazowy do azotu o bardzo wysokiej czystości (UHP). Otwórz zbiornik azotu i ustaw regulator na 10 psi. Otwórz zawór na przepływ azotu i ustaw na 100 PSIG na dołączonym przepływomierzu, a następnie ponownie zamknij zawór.
    2. Napełnić kolbę 150 ml świeżego IPA i szczelnie zakorkować kolbę. Korek szczelnie zamyka otwór kolby, jednocześnie umożliwiając przepływ azotu i IPA przez dwa małe metalowe systemy rurek osadzone w korku. Łączą się one z małym metalowym systemem rurowym z drobnymi otworami, który znajduje się nad UC2, tak że para azotu/IPA pada na podłoża
    .
11. Po zakończeniu cyklu płukania UC2 wyłącz ogrzewanie i UC2.
12. Otwórz zawór osuszacza parowego do azotu i IPA i otwórz zawór spustowy na UC2 tak, aby woda DI wypływała bardzo powoli.
    UWAGA: Wodę DI należy spuszczać bardzo powoli. Proces ten polega na zastąpieniu wody DI parami azotu/IPA, aby zapobiec tworzeniu się plam wodnych na podłożach. Powinno to zająć 1-2 godziny na 30 000^cm3 wody.
13. Po całkowitym opróżnieniu wyjmij stojak z UC2 i zamknij zawór osuszacza pary.
14. Przechowywać w czystym i hermetycznym miejscu do wykorzystania w przyszłości.
    UWAGA: Oczyszczone podłoża można pozostawić w tym środowisku na czas nieokreślony, o ile pozostają czyste. Sprawdź oczyszczone podłoża przed dalszym użyciem, aby upewnić się, że nie muszą one ponownie poddawać się procesowi czyszczenia.

2. Napylanie warstwy okiennej z tlenku magnezu i

UWAGA: Ten proces napylania MgZnO wykorzystuje niezrównoważony magnetron i cel o średnicy 4 cali i grubości 0,25 cala z odległością od podłoża wynoszącą 15 cm. Celem jest czystość 99,99% (MgO)₁₁(ZnO)₈₉ w procentach wagowych.

1. Uruchomienie systemu rozpylania
   1. Włączyć pompę mechaniczną i zawór wstępny, a następnie pompę dyfuzyjną dla komory napylania. Upewnij się, że docelowa woda chłodząca jest włączona i że zawory mechaniczne docelowej wody chłodzącej są otwarte.
   2. Włącz pompę blokady obciążenia za pomocą przełącznika na pompie.
   3. Pozwól pompie dyfuzyjnej rozgrzać się przez 15 minut.
   4. Sprawdź ciśnienie w komorze na manometrze: jeśli jest poniżej 2,0 x ^10-1 Torr, otwórz zasuwę pompy dyfuzyjnej. Jeśli ciśnienie jest większe niż 2,0 x ^10-1 Torr, przełącz zawór linii wstępnej na zamknięcie i otwórz zawór do obróbki zgrubnej, aż ciśnienie spadnie. Następnie przełącznik zamknął zawór do obróbki zgrubnej, otworzył linię wstępną i ręcznie otworzył zasuwę pompy dyfuzyjnej.
   5. W oprogramowaniu komputerowym należy ustawić ciśnienie pracy na 5 mTorr i kliknąć "włącz gaz", co umożliwia przepływ gazu. Przepływ powinien wynosić ~19–20 sccm, a tlen powinien być ustawiony na 3% całkowitego przepływu, przy czym waga powinna być argonem w oprogramowaniu.
   6. Pozwól komorze pompować przez 10 minut.
   7. Sprawdź, czy ciśnienie podstawowe jest poniżej 1.0 x ^10-5 Torr na odczycie manometru.
   8. Upewnij się, że ramię transferowe jest całkowicie schowane z komory (spójrz przez viewport komory, aby upewnić się, że uchwyt próbki nie znajduje się w komorze) i zamknij zawór zasuwy blokady obciążenia.
   9. Upewnij się, że żaluzja jest zamknięta: można to sprawdzić, patrząc przez okno rzutni, aby zobaczyć, czy znajduje się ona bezpośrednio nad katodą napylania.
   10. Na zasilaczu ustaw moc generatora RF na 60 W. W oprogramowaniu komputerowym zwiększ ciśnienie do 15 mTorr dla zapłonu plazmowego, włącz zasilanie RF, a gdy plazma się zapali, zmniejsz ciśnienie z powrotem do 5 mTorr w oprogramowaniu. Moc odbita powinna wynosić 1–2 W. Jeśli jest znacznie wyższy, należy dostroić sieć meczów RF.
   11. Tarczę należy rozgrzać, aby uniknąć pęknięć: zwiększ moc generatora prądu RF z szybkością 20 W/min, aż do osiągnięcia końcowej mocy 140 W. Najlepiej byłoby, gdyby odbita moc wynosiła <5% mocy rzeczywistej. Pozwól celowi na wstępne rozpryskiwanie przy zamkniętej migawki przez 15 minut.
2. Osadzanie napylania MgZnO
   1. Aby skalibrować szybkość osadzania, należy wyprodukować próbkę świadka. Użyj markera permanentnego, aby narysować linię o długości ~0,2 cm na stronie pokrytej TCO czystego podłoża.
   2. Upewnij się, że zawór zasuwy blokady ładunku jest zamknięty, a następnie poluzuj i otwórz klamkę drzwi blokady ładunku. Odpowietrzyć blokadę ładunku za pomocą ćwierć obrotu zaworu odpowietrzającego azotu UHP, aż drzwiczki blokady ładunku poluzują się. Zawór odpowietrzający powinien być częściowo otwarty, aby oczyścić blokadę załadunku, gdy drzwi są otwarte.
   3. Użyj ręcznej dmuchawy powietrza, aby delikatnie usunąć wszelkie cząsteczki kurzu z czystego podłoża pokrytego TCO. Usuń wszelkie podłoże z uchwytu próbki i załaduj czyste podłoże TCO stroną do dołu za pomocą pęsety z gumową końcówką. Trzymaj próbkę na krawędzi, aby uniknąć obszaru osadzania.
   4. Zamknij i dokręć drzwiczki zamka załadunku. Włączyć pompę blokady obciążenia i zamknąć zawór odpowietrzający azot.
   5. Pompuj blokadę ładunku w dół, aż manometr blokady obciążenia wskaże poniżej 5.0 x ^10-2 Torr. Następnie wyłączyć pompę blokady obciążenia i otworzyć zasuwę blokady ładunku (ciśnienie nie powinno wzrosnąć powyżej 7 mTorr). Poczekaj, aż ciśnienie się wyrówna i ręcznie włóż ramię transferowe tak, aby próbka znajdowała się nad przesłoniętą katodą.
   6. Ustaw żądany czas osadzania na timerze i rozpocznij odmierzanie czasu podczas ręcznego otwierania migawki. Natychmiast zamknij migawkę, gdy wyłączy się samowyzwalacz.
   7. Ręcznie całkowicie wsunąć ramię przenoszące i zamknąć zasuwę blokady ładunku.
   8. Wyjąć lub wymienić próbkę, wykonując czynności 2.2.2–2.2.5.
   9. Aby uzyskać szybkość osadzania MgZnO, należy usunąć marker permanentny z próbki świadka za pomocą aplikatora z bawełnianą końcówką zamoczonego w metanolu. Zmierz grubość za pomocą profilometru¹⁷ i ustaw kolejne czasy osadzania dla żądanej grubości MgZnO (100 nm dla próbek przedstawionych w tej pracy).
   10. Powtórzyć osadzanie dla tylu próbek, ile jest pożądane.
       UWAGA: Po osadzeniu MgZnO próbki można przechowywać przez pewien czas. Ze względu na ryzyko utleniania zaleca się przechowywanie ich w eksykatorze pod próżnią nie dłużej niż 1 tydzień, aby uzyskać najlepsze wyniki.

3. Sublimacja w zamkniętej przestrzeni i obróbka warstw absorbera

1. Uruchomienie systemu CSS
   1. Upewnij się, że 1) system jest pod podciśnieniem, 2) pompy mechaniczne i dyfuzyjne są włączone, 3) zasuwa blokująca obciążenie jest otwarta do komory i 4) ciśnienie jest ustawione na 40 mTorr.
   2. Ręcznie otwórz zawór przepływu gazu (98% N₂ i 2% O₂) i wybierz "Włącz gaz" w oprogramowaniu komputerowym. Ciśnienie powinno ustabilizować się na poziomie około 40 mTorr.
   3. Włącz analizator gazów resztkowych (RGA), otwierając zawór RGA i łącząc się z oprogramowaniem. Jest to konieczne do śledzenia poziomu wody, tlenu, azotu i wodoru w systemie. Poziomy te wynoszą zwykle odpowiednio około 4,5 x ^10-9, 2,5 x ^10-8, 2,3 x ^10-6 i 8,0 x ^10-10 Torr dla każdego.
   4. Ustaw górne i dolne źródła systemu CSS do temperatury roboczej w programie komputerowym. Temperatury górnego źródła są ustawione na 620 °C dla podgrzewania wstępnego, 360 °C dla CdTe, 420 °C dla CdSe₂₀Te₈₀, 387 °C dla CdCl₂, 400 °C dla wyżarzania i 620 °C dla wypalania. Temperatury dolnego źródła są ustawione na 620 °C dla podgrzewania wstępnego, 555 °C dla CdTe, 545 °C dla CdSe₂₀Te₈₀, 439 °C dla CdCl₂, 400 °C dla wyżarzania i 620 °C dla wypalania. Te różnice temperatur sprzyjają sublimacji od dolnych do górnych źródeł, tak że materiał sublimuje na próbce, znajdującej się pomiędzy źródłami.
   5. Gdy źródła osiągną temperaturę roboczą, uruchom uchwyt próbki przez przepis bakeoff: w oprogramowaniu wybierz "Bakeoff" z listy przepisów i kliknij "Uruchom". Spowoduje to automatyczne przesunięcie ramienia transferowego w taki sposób, że uchwyt próbki pozostanie w źródle wypalania przez 480 s. Powoduje to podgrzanie uchwytu próbki i wypalenie nadmiaru materiału.
   6. Po tym, jak ramię transferowe automatycznie cofnie uchwyt próbki do pozycji wyjściowej i zamknie zasuwę, odpowietrz blokadę obciążenia, otwierając zawór odpowietrzający azot UHP. Po odpowietrzeniu otwórz drzwiczki zamka ładunku i zamknij zawór odpowietrzający.
2. Osadzanie i pasywacja CSS absorberów
   1. Użyj ręcznej dmuchawy powietrza, aby delikatnie usunąć wszelkie cząsteczki kurzu z czystego podłoża pokrytego MgZnO/TCO i załaduj podłoże na uchwyt próbki (stroną z MgZnO do dołu).
   2. Zamknij drzwiczki zamka ładunku i dopompuj blokadę ładunku, włączając przełącznik zgrubny blokady ładunku.
   3. Podczas pompowania w dół wprowadź żądaną recepturę osadzania CSS do programu komputerowego. Receptury używane do przygotowania struktur CdTe i CdSeTe/CdTe są różne na tym etapie i są następujące.
   4. W przypadku próbki z udziałem świadka CdTe (w celu określenia szybkości osadzania CdTe; wymaganej zarówno do produkcji urządzenia CdTe, jak i CdSeTe/CdTe), należy użyć:
      110 s w źródle podgrzewania (podnosi to szklankę do ~480 °C, tak aby CdTe prawidłowo sublimowało na podłożu);
      110 s w źródle CdTe (sublimacja CdTe na podłożu);
      180 s w źródle CdCl₂ [osadzanie CdCl₂ jest niezbędne dla dobrej wydajności urządzenia CdTe (wykazano, że pasywuje granice ziaren i zwisające wiązania oraz wspomaga wzrost i wyrównanie ziarna w polikrystalicznym absorberze CdTe^{12,13,14,15,16})];
      240 s w źródle wyżarzania (to napędza CdCl₂ do materiału absorbera); oraz
      300 s w źródle chłodzenia (pozwala to na schłodzenie próbki do rozładunku).
   5. Za pomocą żyletki narysuj niewielki obszar materiału CdTe z podłoża i zmierz grubość warstwy CdTe za pomocą profilometru powierzchniowego, aby określić szybkość osadzania¹⁷.
   6. Dla próbki świadka CdSeTe (do oznaczania szybkości osadzania CdSeTe; wymaganej tylko do produkcji urządzenia CdSeTe/CdTe) należy użyć:
      140 s w źródle podgrzewania wstępnego (podnosi to szklankę do ~540 °C, tak aby CdSeTe prawidłowo sublimowało na podłożu);
      300 s w źródle CdSeTe (to sublimuje CdSeTe na substrat); oraz
      300 s w źródle chłodzenia.
   7. Za pomocą żyletki narysuj niewielki obszar materiału CdSeTe z podłoża i zmierz grubość warstwy CdSeTe za pomocą profilometru powierzchniowego, aby określić szybkość stapiania^17.
   8. W przypadku cienkiego pojedynczego absorbera (próbka CdTe) użyj:
      110 s w źródle podgrzewania;
      xx s w źródle CdTe [czas przebywania zależy od szybkości osadzania CdTe i pożądanej grubości (dla zastosowanego tutaj pojedynczego absorbera CdTe 1,5 μm czas przebywania wynosi 60 s)];
      150 s w źródle CdCl₂ [obróbka CdCl₂ zależy od grubości absorbera; dlatego należy przeprowadzić eksperymenty w celu optymalizacji warunków uzdatniania (podane czasy przebywania są zoptymalizowane dla cienkich absorberów 1,5 μm18)];
      240 s w źródle wyżarzania; oraz
      300 s w źródle chłodzenia.
   9. W przypadku cienkiego absorbera dwuwarstwowego (próbka CdSeTe/CdTe) użyj:
      140 s w źródle podgrzewania wstępnego;
      xx s w źródle CdSeTe [ponownie, czas przebywania zależy od szybkości osadzania CdSeTe i pożądanej grubości (dla zastosowanej tutaj warstwy CdSeTe 0,5 μm czas przebywania wynosi 231 s)];
      xx s w źródle CdTe [czas przebywania zależy od pożądanej grubości CdTe i szybkości osadzania obliczonej na podstawie zmierzonej grubości próbki świadka CdTe (dla zastosowanego tutaj dwuwarstwowego absorbera CdSeTe/CdTe 1,5 μm czas przebywania wynosi 50 s dla warstwy CdTe 1,0 μm)];
      150 s w źródle CdCl₂;
      240 s w źródle wyżarzania; oraz
      300 s w źródle chłodzenia.
   10. Gdy ciśnienie blokady ładunku spadnie poniżej 40 mTorr w oprogramowaniu komputerowym, za pomocą oprogramowania otwórz zasuwę blokady obciążenia i wybierz "Start". Program automatycznie uruchomi wybraną recepturę i powróci do pozycji wyjściowej po zakończeniu kroku chłodzenia¹⁰.
   11. Po zakończeniu pełnego osadzania otwórz zawór odpowietrzający blokady ładunku, odpowietrz do atmosfery i otwórz drzwiczki blokady ładunku w celu ostatecznego schłodzenia podłoża. Po ~60 s podłoże powinno być na tyle chłodne, aby można je było usunąć z uchwytu na próbkę za pomocą niestrzępiącej się szmatki.
   12. Po usunięciu próbki zamknij drzwiczki blokady załadunku, dopompuj blokadę załadunku, włączając przełącznik obróbki zgrubnej i postępuj zgodnie z krokiem 3.1.5, aby uruchomić przepis na wypalanie. Pomiędzy każdym osadzaniem próbki należy przeprowadzić wypalanie w celu oczyszczenia uchwytu próbki.
   13. Przetworzona próbka powinna mieć białą, zamgloną warstwę na folii po obróbce CdCl₂. Zrób zdjęcie filmu, aby zwrócić uwagę na wzór zamglenia. Jeśli materiał z leczenia CdCl₂ jest niewielki lub nie ma go wcale, leczenie to prawdopodobnie wymaga optymalizacji.
   14. Spłucz nadmiar materiału CdCl₂ z folii do zlewki miarowej za pomocą wody DI i osusz folię sprasowanym argonem.
       UWAGA: To płukanie CdCl₂ powinno być wykonywane w zamkniętej obudowie. Po zakończeniu wyrzuć mieszaninę wody CdCl₂/DI do odpowiedniego pojemnika na odpady niebezpieczne.
       UWAGA: Po osadzeniu CSS próbki można przechowywać przez pewien czas, ale w celu uzyskania najlepszych wyników zaleca się przechowywanie ich w eksykatorze w próżni nie dłużej niż 1 tydzień. Schemat zautomatyzowanego systemu osadzania CSS w linii jest pokazany na Rysunek 2.

4. Obróbka miedzi sublimacyjnej w bliskiej przestrzeni

1. Uruchomienie systemu CSS
   1. Upewnij się, że pompy mechaniczne i dyfuzyjne są włączone.
   2. Otwórz zawór gazu procesowego i ręcznie wyreguluj pokrętło regulacji przepływu gazu, aż na manometrze pojawi się ciśnienie robocze 40 mTorr.
   3. Ręcznie ustaw i włącz źródła CSS za pomocą regulatorów proporcjonalno-całkowo-pochodnych (PID). Temperatury górnego źródła użyte w tym eksperymencie wynoszą 330 °C dla źródła ciepła wstępnego, 170 °C dla źródła CuCl i 200 °C dla źródła wyżarzanego. Temperatury dolnego źródła wynoszą 330 °C dla źródła ciepła wstępnego, 190 °C dla źródła CuCl i 200 °C dla źródła wyżarzanego.
   4. Przełącznik otwórz zawór pompy dyfuzyjnej i ręcznie zamknij zawór zasuwy blokady obciążenia.
2. Obróbka CuCl na strukturach absorbera
   1. Gdy źródła osiągną temperaturę roboczą, próbkę można załadować do uchwytu na próbkę:
      1. Poluzuj pokrętło drzwiczek zamka załadunku.
      2. Odpowietrzyć blokadę ładunku za pomocą ćwierć obrotu zaworu odpowietrzającego azotu UHP.
      3. Otwórz drzwiczki zamka ładunku i użyj ręcznej dmuchawy powietrza, aby delikatnie usunąć wszelkie cząsteczki kurzu z próbki. Umieść folię z próbką do dołu na uchwycie próbki za pomocą pęsety z gumową końcówką, przytrzymując próbkę na krawędzi, aby uniknąć obszaru osadzania.
      4. Zamknij zawór odpowietrzający oraz zamknij i dokręć drzwiczki zamka załadunku.
      5. Ręcznie otworzyć pompę blokady obciążenia i pozwolić, aby pompa blokady obciążenia spadła poniżej ciśnienia zwrotnicy (40 mTorr).
   2. Po uzyskaniu ciśnienia zwrotnicy ręcznie zamknij pompę blokady obciążenia i ręcznie otwórz zawór zasuwy blokady obciążenia.
   3. Ręcznie przesuń ramię transferowe kolejno do pozycji podgrzewania wstępnego, CuCl i wyżarzania. Licznik czasu przebywania w każdej pozycji jest używany. Dla opisanych próbek czasy przebywania wynoszą odpowiednio 75 s, 5 s i 250 s dla źródeł podgrzewania wstępnego, CuCl i wyżarzania.
   4. Po etapie wyżarzania ręcznie ustaw ramię transferowe z powrotem w pozycji wyjściowej i zamknij zawór zasuwy blokującej ładunek.
   5. Wykonaj krok 4.2.1, aby wymienić samples.
      UWAGA: Podczas rozładowywania poprzedniej próbki prawdopodobnie nadal jest gorąca. Usuń próbkę za pomocą pęsety z gumową końcówką i pozwól jej ostygnąć (folią do góry) na metalowym bloku. Po poddaniu działaniu Cu próbki można przechowywać przez pewien czas, ale w celu uzyskania najlepszych wyników zaleca się przechowywanie ich w eksykatorze w próżni nie dłużej niż 1 tydzień.

5. Osadzanie cienkiego telluru przez parowanie

1. Włącz pompę mechaniczną, zawór wstępny i pompę dyfuzyjną za pomocą przełączników w układzie parownika. Pozwól pompie dyfuzyjnej rozgrzać się przez 20 minut.
2. Odpowietrzyć i otworzyć komorę, otwierając zawór odpowietrzający azot i podnosząc komorę parownika. Załaduj Te do łodzi molibdenowej pokrytej tlenkiem glinu. Przesuń komorę parownika z powrotem na miejsce po załadowaniu materiału.
3. Wprowadź odpowiednie ustawienia osadzania Te z łodzi molibdenowej pokrytej tlenkiem glinu w panelu monitora kwarcowego (QCM) (gęstość = 6.25 g/cm³ i impedancja akustyczna = 9.81 g/cm²s).
4. Otwórz górną część komory, aby uzyskać dostęp do uchwytu na próbkę. Użyj ręcznej dmuchawy powietrza, aby delikatnie usunąć wszelkie cząsteczki kurzu z sample. Załaduj folię na próbkę skierowaną w dół na uchwyt próbki i zamknij górną część komory.
5. Ręcznie przesunąć dźwignię do pozycji obróbki zgrubnej; zarówno odczyty ciśnienia zgrubnego, jak i ciśnienia w komorze powinny zacząć spadać. Pozwól, aby ciśnienie spadło poniżej 10 mTorr.
6. Przekręć zawór linii przedniej z powrotem do pozycji linii przedniej. Odczekaj ~30 s, aż chwilowy skok ciśnienia ustąpi, a następnie otwórz zawór wysokiego podciśnienia. Gdy czytnik ciśnienia w komorze wysunął się, osiągnięto prawidłowe ciśnienie osadzania 1,0 x ^10-5 Torr.
7. Włącz wyłącznik zasilania, otwórz migawkę i zwiększ prąd sterowania, aby rozpocząć osadzanie. Optymalny zakres prądu roboczego wynosi 90–100 prądów przemiennych, dzięki czemu szybkość stapiania wyniesie ~5–10 A/s. Szybkość stapiania, wyświetlana na odczycie QCM, może się szybko zmieniać; dlatego prąd musi być stale regulowany podczas osadzania, aby utrzymać szybkość w zakresie 5–10 A/s.
8. Gdy QCM wyświetli żądaną grubość Te (40 nm dla użytych tutaj próbek), szybko i jednocześnie zmniejsz prąd do zera, wyłącz wyłącznik zasilania i zamknij migawkę.
9. Zamknij zawór wysokiego podciśnienia, otwórz zawór odpowietrzający azot i wyjmij próbkę z uchwytu na próbkę. Powtórz kroki 5.4–5.8 w celu osadzania na dodatkowych próbkach.
   UWAGA: Po osadzeniu Te próbki można przechowywać przez pewien czas, ale zaleca się, aby były przechowywane w eksykatorze w próżni nie dłużej niż 1 tydzień, aby uzyskać najlepsze wyniki.

6. Aplikacja z niklowym kontaktem tylnym

UWAGA: Ze względu na opary z farby Ni i ketonu metylowo-etylowego (MEK), zawsze uruchamiaj wentylator górny, aby obieg powietrza podczas tego procesu.

1. Zamontuj próbki (stroną z folią skierowaną do przodu) na pionowej półce montażowej.
2. Upewnij się, że pistolet z aplikatorem Ni jest czysty w całym tekście. Jeśli nie, wyczyść za pomocą MEK.
3. Styk tylny jest mieszaniną przewodzącej farby Ni i rozcieńczalnika w stosunku 2:1. Przed nałożeniem farby należy wstrząsnąć roztworem kontaktowym z tyłu, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
4. Wlej roztwór Ni do kontaktu zwrotnego do pistoletu aplikatora i włącz dołączony wąż sprężarki powietrza. Spryskaj próbkę (np. karton), aby upewnić się, że farba nakłada się równomiernie. Jeśli jest jednolity, przyłożyć kontakt wsteczny do próbek, rozpylając roztwór w poprzek zestawu próbek powolnymi ruchami bocznymi. Pozwól kontaktowi z plecami lekko wyschnąć i nałóż tyle razy, ile jest potrzebne do pełnego pokrycia (zazwyczaj dobrze sprawdza się pięć przejść (dobrze sprawdza się pięć przejść).
   UWAGA: Roztwór Ni może wysuszyć i zatkać pistolet aplikatora; Dlatego, aby uniknąć procesu odblokowywania podczas aplikacji przez kontakt zwrotny, ważne jest, aby nie czekać dłużej niż 60 sekund między seriami natryskiwania.
5. Wyłączyć sprężarkę powietrza i pozostawić tylny styk do wyschnięcia na próbkach przez co najmniej 1 godzinę.

7. Rozgraniczenie na 25 urządzeń o małym obszarze

UWAGA: Aby zakończyć strukturę cienkiej warstwy w urządzenia stykające się elektrycznie, stos folii musi być podzielony na urządzenia o małej powierzchni, tak aby styk przedni TCO i styk tylny Ni były dostępne elektrycznie. Odbywa się to za pomocą metalowej maski z mechanicznym usuwaniem półprzewodnika.

1. Umieść próbkę w metalowej masce.
2. Umieścić zamaskowaną próbkę w schowku podręcznym i za pomocą węża syfonowego nałożyć szklane, perełkowane podłoże na niezamaskowane części próbki. Prawidłowe usuwanie materiału uzyskuje się, gdy okienka maski stają się prawie przezroczyste.
3. Powtórz ten proces z drugą maską tak, aby po zakończeniu wyznaczania na próbce pojawiło się 25 kwadratowych urządzeń o małej powierzchni we wzorze 5 x 5. Ukończone obszary to ~0,6 cm².
4. Oczyść stronę folii próbek za pomocą aplikatora z bawełnianą końcówką zamoczonego w wodzie demineralizowanej.
5. Aby zminimalizować rezystancję boczną w pomiarach elektrycznych gotowych urządzeń, wzór siatki między urządzeniami za pomocą lutu indowego.
   UWAGA: Ukończone struktury urządzeń są podane w Rysunek 1A i Rysunek 1B odpowiednio dla urządzeń absorpcyjnych CdTe i CdSeTe/CdTe.

Wyniki

Dodanie CdSeTe do cienkiego absorbera CdTe poprawia wydajność urządzenia dzięki doskonałej jakości materiału absorbera i wyższej gęstości prądu zwarciowego (J_SC). Rysunek 3A i Rysunek 3B, (zaadaptowany z Bothwell et al.⁸) pokazują PL i TRPL, odpowiednio, dla pojedynczego absorbera CdTe i dwuwarstwowego absorbera CdSeTe/CdTe. Zarówno pomiary PL, jak i TRPL wyraźnie pokazują poprawę fotoluminescencji dzięki dwuwarstwowemu absorberowi CdSeT...

Dyskusja

Cienkie dwuwarstwowe urządzenia fotowoltaiczne CdSeTe/CdTe wykazują poprawę wydajności w porównaniu z ich odpowiednikami CdTe ze względu na lepszą jakość materiału i zwiększony odbiór prądu. Tak zwiększona wydajność została wykazana w absorberach dwuwarstwowych większych niż 3 μm ^5,7, a teraz, dzięki zoptymalizowanym warunkom produkcji, wykazano, że zwiększona wydajność jest również osiągalna w przypadku cieńszych absorberów dwuwarstwowych 1,5 μm.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Profilometr powierzchniowy Alpha Step	Tencor Instruments	10-00020	Przyrząd do pomiaru grubości warstwy
CdCl2 Materiał	5N Plus	N/A	Materiał do obróbki pasywacji absorbera
Materiał półprzewodnikowy CdSeTe 5N	Plus	N/A	Materiał półprzewodnikowy typu P do warstwy absorbera
Materiał półprzewodnikowy CdTe 5N	Plus	N/A	Materiał półprzewodnikowy typu P do warstwy absorbera
CESAR RF Power Generator	Zaawansowane	61300050	energii Generator mocy do osadzania napylania MgZnO
CuCl Materiał	Sigma Aldrich	N/A	Materiał do domieszkowania absorbera
Materiał delimitacyjny	Kramer Industries Inc.	Melamina Typ 3 60-80 mesh	Plastikowy materiał do tworzenia koralików do wyznaczania folii
Obudowa schowka	rękawicowego Vaniman Manufacturing Co.	Problast 3	Obudowa komory rękawicowej do wyznaczania folii
Złoty kryształ	Kurt J. Lesker Company	KJLCRYSTAL6-G10	Kryształ do monitora grubości parowania Te
HVLP i standardowy zestaw pistoletów natryskowych z zasilaniem grawitacyjnym Pistolet natryskowy	z aplikatorem Husky	HDK00600SG	do aplikacji z powrotem do malowania
Ni MgZnO Sputter Target	Plasmaterials, Inc.	PLA285287489	Materiał warstwy emitera typu N
Micro 90 Roztwór do czyszczenia szkła	Cole-Parmer	EW-18100-05	Roztwór do wstępnego czyszczenia szkła
Podłoża NSG Tec10	Pilkington	N/A	Przezroczyste przewodzące szkło tlenkowe do przedniego styku elektrycznego
Powłoka przewodząca Super Shield Ni	Chemicals	841AR-3.78L	Farba przewodząca do warstwy kontaktu z tyłu
Te Materiał	Sigma Aldrich	MKBZ5843V	Materiał na warstwę kontaktu wstecznego
Monitor grubości	R.D. Mathis Company	TM-100	Przyrząd do programowania i monitorowania warunków parowania Te
Rozcieńczalnik 1	MG Chemicals	4351-1L	Rozcieńczalnik do farb do mieszania z Ni do warstwy kontaktowej z powrotem
Myjka ultradźwiękowa 1	L & R Electronics	Q28OH	Myjka ultradźwiękowa 1 do mycia szkła
Myjka ultradźwiękowa 2	Ultrasonic Clean	100S	Myjka ultradźwiękowa 2 do mycia szkła
Spektrometr UV/VIS Lambda 2	PerkinElmer	166351	Spektrometr służący do pomiarów transmisyjnych na foliach CdSeTe