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

Dodanie tellurku kadmu i selenu do absorberów tellurku kadmu ma istotne znaczenie dla poprawy wydajności fotowoltaiki. Wyższa wydajność i oszczędność materiału dzięki ultracienkim warstwom przyspiesza rozwój fotowoltaiki i energii odnawialnej. Główną zaletą zautomatyzowanego osadzania sublimacyjnego w zamkniętej przestrzeni (CSS) jest to, że sublimacja w zamkniętej przestrzeni jest szybka, a automatyczne osadzanie zapewnia powtarzalność na różnych urządzeniach.

Sublimacja w bliskiej przestrzeni jest odpowiedzią na jedno z wyzwań związanych z osadzaniem absorberów foliowych do ogniw słonecznych. Wyzwanie polega na tym, że osadzanie cienkich warstw może być dość powolne, więc sublimacja w bliskiej przestrzeni pozwala nam robić to w szybszym tempie, a tym samym produkować więcej ogniw słonecznych w ciągu jednego dnia. Ta metoda osadzania jest również bardzo przydatna w przypadku innych osadzania cienkich warstw, ponieważ często ekspozycja atmosferyczna nie jest pożądana.

Podobnie jak w przypadku każdego systemu produkcyjnego, początkowy nadzór ze strony doświadczonego użytkownika jest wysoce wskazany. Ponieważ produkcja tych dwuwarstwowych absorberów fotowoltaicznych wymaga wielu etapów, wizualizacja próbki po każdym etapie ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia, jakie cechy filmu wizualnego są wymagane. Zacznij od użycia ręcznej dmuchawy powietrza, aby delikatnie usunąć wszelkie cząsteczki kurzu z czystego, przezroczystego, przewodzącego podłoża pokrytego tlenkiem, oznaczonego trwałym markerem, a następnie użyj pęsety z gumową końcówką, aby załadować czyste podłoże na uchwyt próbki przezroczystą przewodzącą stroną tlenkową w dół.

Przy zamkniętych drzwiach blokady ładunku pompuj blokadę ładunku w dół, aż manometr blokady ładunku wskaże poniżej pięć razy 10 do minus dwa tory i wyłącz pompę blokady obciążenia. Przełącznik otwiera zasuwę blokady obciążenia i poczekaj, aż ciśnienie się wyrówna przed ręcznym włożeniem ramienia przenoszącego, tak aby próbka znajdowała się nad zaślepioną katodą. Ustaw żądany czas osadzania na timerze i rozpocznij odmierzanie czasu, gdy migawka jest otwierana ręcznie.

Natychmiast zamknij migawkę, gdy timer się wyłączy i całkowicie schowaj ramię transferowe przed zamknięciem bramy blokady załadunku i rozładowaniem próbki. Aby uzyskać szybkość osadzania tlenku magnezu i, użyj aplikatora z bawełnianą końcówką zanurzonego w metanolu, aby usunąć marker z próbki świadka i zmierzyć grubość za pomocą profilometru. W przypadku sublimacji warstw absorbera w bliskiej przestrzeni, należy ustawić górne i dolne źródło w systemie osadzania z różnicą temperatur w celu prawidłowej sublimacji materiału.

Użyj ręcznej dmuchawy powietrza, aby delikatnie usunąć wszelkie cząsteczki kurzu z czystego podłoża pokrytego tlenkiem magnezu i oraz przezroczystego przewodzącego tlenku i załaduj czyste podłoże na uchwyt próbki z tlenku magnezu i stroną do dołu. Po zamknięciu drzwiczek blokady ładunku włącz przełącznik zgrubny blokady ładunku, aby przepompować blokadę ładunku. Podczas pompowania w dół ustawić przepis osadzania próbki tellurku kadmu na 110 sekund czasu przebywania w źródle podgrzewania, aby podnieść szklankę do około 480 stopni Celsjusza, 110 sekund w źródle tellurku kadmu do osadzania tellurku kadmu, 180 sekund w źródle chlorku kadmu w celu pasywizacji polikrystalicznego tellurku kadmu, 240 sekund w źródle wyżarzania w celu wprowadzenia chlorku kadmu do absorbera i 300 sekund w źródle chłodzenia.

Gdy blokada ładunku zostanie przepompowana poniżej 40 militorów, otwórz zasuwę i uruchom recepturę osadzania w oprogramowaniu. Ramię transferowe automatycznie przesunie się do wstępnie ustawionych pozycji, powracając do pozycji wyjściowej po zakończeniu. Po zakończeniu osadzania odpowietrz blokadę ładunku do atmosfery i otwórz drzwiczki zamka ładunku.

Gdy próbka jest wystarczająco chłodna, aby można ją było obsługiwać, usuń ją niestrzępiącą się szmatką. Za pomocą wody dejonizowanej spłucz widoczną pozostałość chlorku kadmu z powierzchni folii do zlewki miarowej i wysusz folię sprężonym azotem. Następnie za pomocą żyletki zeskrobać niewielki obszar tellurku kadmu z podłoża i użyć profilometru powierzchniowego do pomiaru grubości warstwy tellurku kadmu w celu określenia szybkości osadzania.

Gdy ciśnienie blokady ładunku spadnie poniżej 40 militorów, uruchom przepis na wypalanie w oprogramowaniu. Po zakończeniu wypalania ustaw przepis osadzania próbki tellurku kadmu i selenu, aby ustalić grubość. Ustaw 140 sekund czasu przebywania w źródle wstępnego podgrzewania, aby podnieść szklankę do około 540 stopni Celsjusza, 300 sekund w źródle tellurku kadmu i selenu w celu osadzania tellurku selenu kadmu i 300 sekund w źródle chłodzenia.

Gdy ciśnienie blokady ładunku spadnie poniżej 40 militorów, wykonaj przepis na osadzanie. Po zakończeniu osadzania warstwy tellurku kadmu i selenu, należy rozładować schłodzoną próbkę niestrzępiącą się szmatką i zdrapać niewielki fragment materiału, aby określić szybkość osadzania tellurku kadmu i selenu za pomocą profilometru, jak pokazano powyżej. Aby wytworzyć absorber z pojedynczym tellurkiem kadmu o grubości 1,5 mikrona, należy ustawić recepturę osadzania w oparciu o szybkość osadzania tellurku kadmu i obróbkę chlorkiem kadmu, wcześniej zoptymalizowaną dla ultracienkich absorberów.

Użyj czasu podgrzewania wstępnego wynoszącego 110 sekund, czasu przebywania tellurku kadmu wynoszącego 60 sekund, czasu przebywania chlorku kadmu wynoszącego 150 sekund, czasu wyżarzania wynoszącego 240 sekund i czasu chłodzenia wynoszącego 300 sekund. Gdy ciśnienie blokady ładunku spadnie poniżej 40 militorów, otwórz zawór zasuwy blokady obciążenia i wybierz start. Program automatycznie uruchomi wybraną recepturę osadzania, powracając do pozycji wyjściowej po zakończeniu etapu chłodzenia.

Aby wytworzyć dwuwarstwowy tellurek kadmu i selenu o grubości 0,5 mikrona i dwuwarstwowy absorber tellurku kadmu o grubości 1,0 mikrona, należy ustalić recepturę osadzania w oparciu o szybkość osadzania absorbera z czasem nagrzewania wstępnego wynoszącym 140 sekund, czasem przebywania tellurku kadmu wynoszącym 231 sekund, czasem przebywania tellurku kadmu wynoszącym 50 sekund, czasem przebywania chlorku kadmu wynoszącym 150 sekund, czas wyżarzania wynosi 240 sekund, a czas chłodzenia 300 sekund. Gdy ciśnienie blokady ładunku spadnie poniżej 40 militorów, wykonaj przepis na osadzanie. Następnie rozładuj próbkę po zakończeniu receptury i schłodź próbkę, jak pokazano.

Gdy górne i dolne źródło osiągną temperaturę roboczą, załaduj próbkę do uchwytu próbki i sekwencyjnie przesuń ramię przenoszące do pozycji podgrzewania chlorku miedzi i wyżarzania zgodnie z timerem ustawionym na czas osadzania w każdej pozycji. Receptura miedzi w tym protokole została zoptymalizowana dla urządzeń o grubości 1,5 mikrona. Gdy wyłączy się ostatni timer, ręcznie przywróć ramię transferowe do pozycji wyjściowej i zamknij zawór zasuwy blokady obciążenia.

W celu osadzania cienkiego telluru przez odparowanie, należy obciążyć uchwyt próbki folią z folią do dołu na uchwyt próbki i zamknąć górną część komory. Ręcznie przesuń dźwignię do pozycji obróbki zgrubnej. Gdy ciśnienie spadnie poniżej 10 militorów, przekręć dźwignię z powrotem do pozycji przedniej i odczekaj około 30 sekund, aż chwilowy skok ciśnienia ustąpi przed otwarciem zaworu wysokiego podciśnienia.

Gdy czytnik ciśnienia w komorze wysunie się, osiągnięto właściwe ciśnienie osadzania od jednego razy 10 do ujemnej piątej tora. Włącz wyłącznik zasilania, otwórz migawkę i zwiększ prąd sterowania, aby rozpocząć osadzanie. Gdy wyświetlacz monitora kwarcowego pokaże żądaną grubość telluru, szybko i jednocześnie przekręć prąd do zera, wyłącz wyłącznik zasilania i zamknij migawkę.

Przed nałożeniem tylnego kontaktu farby należy wstrząsnąć roztworem tylnego kontaktu, aby zapewnić całkowite wymieszanie. Rozpyl roztwór w poprzek próbki powolnymi ruchami bocznymi, aby nałożyć na próbkę równomierny niklowy kontakt zwrotny. Po pozostawieniu tylnego kontaktu do lekkiego wyschnięcia, powtórz aplikację tyle razy, ile to konieczne, aby uzyskać pełne pokrycie.

Aby zakończyć strukturę cienkowarstwową w urządzeniach, z którymi można się stykać elektrycznie, należy umieścić próbkę załadowaną do metalowej maski w schowku na rękawiczki i użyć węża syfonowego, aby nałożyć szklane kulki na niezamaskowane części próbki. Powtórz aplikację z drugą maską tak, aby po zakończeniu wyznaczania na próbce pojawiło się 25 kwadratowych urządzeń o małej powierzchni we wzorze pięć na pięć. Następnie oczyść stronę folii próbek za pomocą aplikatora z bawełnianą końcówką zanurzonego w wodzie dejonizowanej.

Aby zminimalizować rezystancję boczną w pomiarach elektrycznych gotowych urządzeń, wzór siatki między urządzeniami za pomocą lutu indowego. Dodanie tellurku kadmu i selenu do cienkiego absorbera tellurku kadmu poprawia wydajność urządzenia dzięki doskonałej jakości materiału absorbera, która przejawia się wyższą fotoluminescencją i dłuższym czasem życia rozpadu fotoluminescencji. Większą sprawność osiąga się również przy większej gęstości prądu zwarciowego.

Przesunięcie w dół krzywej napięcia gęstości prądu świetlnego wzdłuż osi gęstości prądu odpowiada wzrostowi gęstości prądu zwarciowego dla najlepiej działającego dwuwarstwowego urządzenia absorbującego w porównaniu z najlepiej działającym urządzeniem absorbującym z pojedynczego tellurku kadmu. Pomiary wydajności kwantowej tellurku kadmu i tellurku selenu kadmu/tellurku kadmu pokazują dodatkową konwersję fotonów w długim zakresie długości fal urządzenia dwuwarstwowego i potwierdzają wzrost gęstości prądu zwarciowego dla tego urządzenia. Znaczenie optymalizacji stosunku grubości tellurku kadmu selenu do grubości tellurku kadmu wykazano poprzez porównanie wyników napięcia o gęstości prądu.

Dane dotyczące stosunku 0,5 do 1,0 mikrona i stosunku 1,25 do 0,25 mikrona wskazują na znaczne załamanie w tym drugim nieoptymalnym urządzeniu i wynikający z tego spadek wydajności fotowoltaiki. Najważniejszą rzeczą do zapamiętania jest to, że stosunek grubości między tellurkiem kadmu i selenu a tellurkiem kadmu jest niezbędny dla przyzwoitej wydajności urządzenia i powinien być zoptymalizowany dla każdej grubości absorbera dwuwarstwowego. Po tej procedurze za dwuwarstwą można osadzić dodatkową warstwę materiału, która działa jako reflektor elektronów.

Wprowadzenie tej warstwy może zminimalizować przeszkodę związaną z deficytem napięcia w urządzeniach na bazie tellurku kadmu. Włączenie stopu tellurku kadmu i selenu do dwuwarstwowych ogniw słonecznych było przydatne nie tylko dla ogniw słonecznych, ale także dla rozwoju właściwości tego stopu w innych zastosowaniach fotowoltaicznych. Związki kadmu mogą być niebezpieczne.

Kiedy używamy takich związków i kiedy spłukujemy pozostałości z folii, ważne jest, aby nosić rękawice, fartuch laboratoryjny, a następnie stosować odpowiednie procedury w celu utylizacji odpadów niebezpiecznych.