Методическая статья

Близко-пространство Сублимация-депозитанной Ультра-тонкий CdSeTe / CdTe солнечные клетки для расширения короткого замыкания Текущей плотности и фотолюминесценции

DOI:

10.3791/60937

⸱

6 марта 2020 г.

 ,  ,  , 
1Department of Physics, Colorado State University

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа описывает полный процесс изготовления тонкого амортизатора кадмия селена теллурид / кадмий теллурид фотоэлектрических устройств для повышения эффективности. В процессе используется автоматизированная влиневая вакуумная система для осаждения сублимации ближнего пространства, которая является масштабируемой, от изготовления небольших исследовательских устройств, а также крупномасштабных модулей.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Развитие архитектуры фотоэлектрических устройств необходимо для того, чтобы сделать солнечную энергию экономически эффективным и надежным источником возобновляемой энергии на фоне растущих глобальных потребностей в энергии и изменения климата. Технология тонкопленочных cdTe продемонстрировала конкурентоспособность затрат и повышение эффективности, частично обусловленную быстрым истоем, минимальным использованием материала и внедрением сплава CdSeTe в слой амортизатора стоимостью 3 мкм. Эта работа представляет собой тесное пространство сублимации изготовление тонких, 1,5 мкм CdSeTe / CdTe двухслойных устройств с использованием автоматизированной системы вакуумного осаждения в линии. Тонкая двухслойная структура и метод изготовления сводят к минимуму время осаждения, повышают эффективность устройства и облегчают будущую разработку архитектуры устройства на основе тонкого амортизатора. Три параметра изготовления, как представляется, наиболее эффективны для оптимизации тонких устройств cdSeTe/CdTe амортизаторов: субстрат температуры разогрева, CdSeTe: CdTe толщина соотношение, и CdCl2 passivation. Для правильной сублимации CdSeTe температура субстрата до осаждения должна быть 540 градусов по Цельсию (выше, чем для CdTe), так как контролируется временем пребывания в источнике разогрева. Вариация в соотношении толщины CdSeTe:CdTe показывает сильную зависимость производительности устройства от этого соотношения. Оптимальная толщина амортизаторов составляет 0,5 мкм CdSeTe/1.0 мкм CdTe, а неоптимизированные коэффициенты толщины снижают эффективность за счет эффектов задней барьера. Тонкие амортизаторы чувствительны к вариации пассивации CdCl2; гораздо менее агрессивная обработка CdCl2 (по сравнению с более толстыми амортизаторами) в отношении температуры и времени дает оптимальную производительность устройства. С оптимизированными условиями изготовления, CdSeTe/CdTe увеличивает плотность тока короткого замыкания устройства и интенсивность фотолюминесценции по сравнению с однопоглощателем CdTe. Кроме того, система вакуумного осаждения сублимации в тесном пространстве обеспечивает сокращение материала и времени, масштабируемость и достижимость будущих ультратонких амортизаторов.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Мировой спрос на энергию быстро ускоряется, и 2018 год продемонстрировал самый быстрый (2,3%) темпы роста в последнее десятилетие1. В сочетании с повышением осведомленности о последствиях изменения климата и сжигания ископаемого топлива, необходимость в экономически конкурентоспособной, чистой и возобновляемой энергии стало совершенно ясно. Из многих возобновляемых источников энергии, солнечная энергия является отличительной для его общего потенциала, так как количество солнечной энергии, которая достигает Земли намного превышает глобальное потребление энергии2.

Фотоэлектрические (PV) устройства непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую энергию и универсальны в масштабируемости (например, мини-модули личного пользования и сетки интегрированных солнечных батарей) и материальных технологий. Технологии, такие как много- и одноразовые, однокристаллические арсенид галлия (GaAs) солнечные элементы имеют эффективность достижения 39,2% и 35,5%, соответственно3. Тем не менее, изготовление этих высокоэффективных солнечных элементов является дорогостоящим и трудоемким. Поликристаллический кадмий теллурид (CdTe) в качестве материала для тонкопленочных п.п. выгоден за его низкую стоимость, изготовление высокой пропускной всей прокладки, разнообразие методов осаждения и благоприятный коэффициент поглощения. Эти атрибуты делают CdTe благоприятным для крупномасштабного производства, и повышение эффективности сделали CdTe экономически конкурентоспособным с. рынка доминирующим кремния и ископаемого топлива4.

Одним из последних достижений, которые привели к увеличению эффективности устройства CdTe является включение кадмия селена теллурида (CdSeTe) сплава материала в слой амортизатора. Интеграция нижнего диапазона cdSeTe в 1,5 eV cdTe-амортизатора с низким диапазоном 1,4 eV уменьшает разрыв передней полосы абсорбирующего двухслойного. Это увеличивает фракцию фотона выше разрыва полосы и тем самым улучшает текущую коллекцию. Успешное включение CdSeTe в амортизаторы, которые 3 мкм или толще для увеличения плотности тока было продемонстрировано с различными методами изготовления (т.е. сублимация близкого пространства, осаждение переноса пара, и электроплавирование)5,6,7. Повышенная спектроскопия выбросов фотолюминесценции комнатной температуры (PL), время решенной фотолюминесценции (TRPL), а также электролюминесценционные сигналы от двухслойных амортизаторов5,8 показывают, что в дополнение к увеличению текущей коллекции, CdSeTe, как представляется, имеют лучшую радиационную эффективность и срок службы носителя меньшинства, и устройство CdSeTe/CdTe имеет большее напряжение относительно идеала, чем с CdTe только. Это в значительной степени объясняется селена passivation навалочных дефектов9.

Мало исследований было сообщено о включении CdSeTe в тоньше (1,5 мкм) CdTe амортизаторов. Поэтому мы исследовали характеристики тонких 0,5 мкм CdSeTe/1.0 мкм CdTe двухслойно-амортизаторустройств, изготовленных путем сублимации близкого пространства (CSS), чтобы определить, являются ли преимущества видели в толстых абсормяторов двуслойной также достижимы с тонкими абсорсирами двухслойного. Такие амортизаторы CdSeTe/CdTe, более чем в два раза тоньше, чем их более толстые аналоги, обеспечивают заметное сокращение времени осаждения и материала и снижение производственных затрат. Наконец, они имеют потенциал для будущих разработок архитектуры устройства, которые требуют толщины амортизаторов менее 2 мкм.

CSS осаждения амортизаторов в одной автоматизированной в линии вакуумной системы предлагает много преимуществ по сравнению с другими методами изготовления10,11. Более быстрые темпы осаждения с помощью CSS-измышления повышают пропускную систему устройства и способствуют увеличению экспериментальных наборов данных. Кроме того, единая вакуумная среда системы CSS в этой работе ограничивает потенциальные проблемы с абсорбирующими интерфейсами. Тонкопленочные пт-устройства имеют множество интерфейсов, каждый из которых может выступать в качестве центра рекомбинации электронов и отверстий, тем самым снижая общую эффективность устройства. Использование единой вакуумной системы для cdSeTe, CdTe и отложений хлорида кадмия (CdCl2)(необходимых для хорошего качества амортизатора12,13,14,15,16) может создать лучший интерфейс и уменьшить межлицевые дефекты.

В строенная автоматизированная вакуумная система, разработанная в Университете штата Колорадо10, также является выгодной по своей масштабируемости и повторяемости. Например, параметры осаждения настроены по набору пользователей, а процесс осаждения автоматизирован таким образом, что пользователю не нужно вносить коррективы во время изготовления амортизатора. Хотя в этой системе изготавливаются небольшие исследовательские устройства, конструкция системы может быть масштабирована для более крупных осаждений площадей, что позволяет увязать между экспериментами в масштабах исследований и внедрением модуля.

В этом протоколе представлены методы изготовления, используемые для производства 0,5-мкм CdSeTe/1.0-m CdTe тонкопленочных pV-устройств. Для сравнения, изготовится набор устройств CdTe номинала номинала. Одноместные и двухслойные амортизаторы имеют номинально одинаковые условия осаждения на всех этапах процесса, за исключением осаждения CdSeTe. Охарактеризовать, сохраняют ли тонкие амортизаторы CdSeTe/CdTe те же преимущества, о чем свидетельствуют их более толстые аналоги, точная плотность напряжения (J-V), квантовая эффективность (ЗЕ) и измерения PL выполняются на тонких однослойных и двухслойных амортизаторах. Увеличение плотности тока короткого замыкания (JSC),измеряемое J-V и QE, в дополнение к увеличению сигнала PL для CdSeTe/CdTe против. Устройство CdTe, указывает на то, что тонкие устройства CdSeTe/CdTe, изготовленные CSS, демонстрируют заметное улучшение текущей коллекции, качества материала и эффективности устройства.

Хотя эта работа сосредоточена на преимуществах, связанных с включением сплава CdSeTe в структуру устройства CdTe PV, полный процесс изготовления устройств CdTe и CdSeTe/CdTe описан впоследствии в полном объеме. На рисунке 1A,B показаны завершенные структуры устройств для устройств CdTe и CdSeTe/CdTe соответственно, состоящие из прозрачного проводящего оксида (TCO)-покрытого стеклянного субстрата, n-типа оксида цинка магния (Mg'nO) излучателя слоя, p-type CdTe или CdSeTe/CdTe абсорсизатор с cdCl2 обработкой и медным допингом, слоем излучателя и никельом. За исключением осаждения поглотителя CSS условия изготовления идентичны между одной и двухслойной структурой. Таким образом, если не указано иное, каждый шаг выполняется как на структурах CdTe, так и на CdSeTe/CdTe.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ВНИМАНИЕ: Перчатки необходимо носить при обращении с субстратами, чтобы предотвратить загрязнение пленки и контакт между материалами и кожей. Этот процесс изготовления требует обработки структур, содержащих соединения кадмия; поэтому, лабораторное пальто и перчатки должны носить в лаборатории во все времена.

1. Очистка субстрата

  1. Поместите стеклянные субстраты с покрытием TCO (9,1 см х 7,8 см) в стойку из нержавеющей стали с достаточным интервалом, так что очищающее решение и сжатый воздух могут быть применены к каждому стеклянному лицу.
  2. Удар любой пыли с субстратов с помощью азота сжатый воздушный шланг.
  3. Поместите стойку в ультразвуковой очиститель (UC1) и заполните изопропиловым спиртом (IPA). Пусть сидят в течение 30 минут, чтобы удалить остаточное масло и загрязняющие вещества из промышленного процесса резки стекла.
  4. Слейте IPA из UC1. IPA можно повторно использовать до 5x для первоначальной очистки субстратов.
  5. Промыть субстраты деионизированной (DI) водой, затем заполните UC1 водой DI примерно на 1 см над верхним краем субстратов. Добавьте 200 мл концентрированного чистящего раствора равномерно через субстраты для дальнейшего удаления остаточного масла, смазки, твердых частиц или твердых водяных пятен.
  6. Используя основную мощность, включите UC1 до 43 кГц ультразвуковой частоты и мощностью 425 Вт и дайте субстратам сидеть на 1 ч.
  7. Промыть второй, более крупный ультразвуковой очиститель (UC2) с водой DI и заполнить три четверти его объема с DI воды.
  8. Выключите UC1 и удалите стойку из нержавеющей стали. Немедленно начните промыть субстраты с водой DI над раковиной.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Не позволяйте субстратам высохнуть на этом этапе.
  9. Перенесите стойку из нержавеющей стали на UC2 и полностью заполните di водой так, чтобы субстраты были полностью покрыты. Включите UC2 до 40 кГц ультразвуковой частоты и 600 Вт мощности и пусть субстраты сидеть в течение 30 минут.
  10. Приготовьте самодельную сушилку пара IPA.
    1. Обеспечивая клапан закрыт, подключите газовый шланг к ультра-высокой чистоте (UHP) азота. Откройте азотный бак и установите регулятор до 10 пси. Откройте клапан для потока азота и настроить до 100 PSIG на прилагаемом счетчике потока, а затем закрыть клапан снова.
    2. Заполните колбу 150 мл свежего IPA и плотно пробки колбу. Пробка плотно уплотняет отверстие колбы, позволяя азоту и АПИ проходить через две небольшие металлические трубы систем, встроенных в пробку. Они соединяются с небольшой металлической трубопроводной системой с тонкими отверстиями, которая находится над UC2 таким, чтобы пар азота/IPA был случайным на субстратах.
  11. Когда цикл обогрева UC2 будет выполнен, выключите тепло и UC2.
  12. Откройте клапан сушилки пара к азоту и IPA и откройте клапан стока на UC2 так, что вода DI выходит очень медленно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: DI вода должна быть слита очень медленно. Этот процесс заменяет воду DI с азотом/паром IPA для предотвращения образования пятен воды на субстратах. Это должно занять 1-2 ч для 30000 см3 воды.
  13. При полной осушении, удалить стойку из UC2 и закрыть клапан сушилки пара.
  14. Храните в чистой и содержащейся среде для использования в будущем.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Очищенные субстраты можно оставлять в этой среде бесконечно, до тех пор, пока они остаются чистыми. Осмотрите очищенные субстраты перед дальнейшим использованием, чтобы убедиться, что им не нужно снова проходить процесс очистки.

2. Осаждение окида оксида цинка магния цинка

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот процесс распыления-осаждения Mg'nO использует несбалансированный магнетрон и диаметр 4 ", толщиной 0,25" с расстоянием от цели до субстрата 15 см. Целевой показатель составляет 99,99% чистоты (MgO)11(ЗНО)89 процентов веса.

  1. Запуск системы распыления
    1. Включите механический насос и клапан foreline, а затем диффузионный насос для камеры распыления. Убедитесь, что целевая охлаждающая вода на и что механические клапаны к цели охлаждающей воды открыты.
    2. Включите насос блокировки нагрузки, используя переключатель на насосе.
    3. Пусть диффузионный насос прогреется в течение 15 мин.
    4. Проверьте давление камеры на датчике давления: если он ниже 2,0 х 10-1 Торр, откройте клапан ворот диффузионного насоса. Если давление превышает 2,0 х 10-1 Торр, переключите клапан линии, чтобы закрыть, и откройте шероховатости клапана, пока давление не упадет. Затем переключите шероховатости клапан, откройте линию и вручную откройте клапан ворот диффузионного насоса.
    5. В компьютерном программном обеспечении установите давление пробега до 5 мТорр и нажмите кнопку "газовое включение", которое обеспечивает поток газа. Поток должен быть 19-20 сккм и кислорода установить до 3% от общего потока с балансом, как аргон в программном обеспечении.
    6. Разрешить камеру для перекачки в течение 10 минут.
    7. Убедитесь, что базовое давление ниже 1,0 х 10-5 Торр на ионном датчике считываем.
    8. Убедитесь, что передача руку полностью убрали из камеры (просмотреть камеру viewport для обеспечения образца держатель не находится в камере), и переключить клапан ворот блокировки нагрузки закрыты.
    9. Убедитесь, что затвор закрыт: это можно проверить, посмотрев через окно viewport, чтобы увидеть, что он находится непосредственно над катодом распыления.
    10. На источник питания установите мощность генератора РФ до 60 Вт. В компьютерном программном обеспечении увеличить давление до 15 mTorr для зажигания плазмы, включите rf энергии, и как только плазма воспламенилась, уменьшить давление обратно до 5 mTorr в программном обеспечении. Отраженная мощность должна быть 1-2 Вт. Если он намного выше, то сеть матчей RF должна быть настроена.
    11. Цель должна быть разогрета, чтобы избежать растрескивания: увеличить мощность на генераторе RF со скоростью 20 Вт/мин до достижения конечной мощности 140 Вт. Отраженная сила в идеале должна соотвесаться на 5% от реальной мощности. Разрешить цели предварительно распыления с затвором закрыты в течение 15 минут.
  2. Осаждение распылите пьедей
    1. Для калибровки скорости осаждения необходимо сфабриковать образец свидетеля. Используйте перманентный маркер, чтобы нарисовать линию длиной 0,2 см (длина) на стороне чистого субстрата, покрытого ТХО.
    2. Убедитесь, что клапан замка нагрузки замка закрыт, затем ослабить и открыть ручку двери замка нагрузки. Вотульт блокировки нагрузки с четвертьоборота клапана азота UHP, пока дверь замка нагрузки не ослабит. Держите вентиляционный клапан частично открытым, чтобы очистить замок нагрузки, пока дверь открыта.
    3. Используйте портативный воздуходувки, чтобы аккуратно удалить любые частицы пыли из чистого субстрата с покрытием ТКО. Удалите любой субстрат на держатель образца и загрузите чистый субстрат TCO боком вниз, используя пару резиновых наконечником пинцета. Держите образец на краю, чтобы избежать области осаждения.
    4. Закройте и затяните дверь замка нагрузки. Включите насос блокировки нагрузки и закройте клапан азота.
    5. Насос блокировки нагрузки вниз, пока датчик давления блокировки нагрузки читает ниже 5,0 х 10-2 Торр. Затем выключите насос блокировки нагрузки и переключите ворота блокировки нагрузки (давление не должно шипеть выше 7 mTorr). Подождите, пока давление выровняется и вручную вставьте руку передачи так, что образец сидит над ставнями катод.
    6. Установите желаемое время осаждения на таймер и начать время, как затвор в настоящее время вручную открыт. Немедленно закройте затвор, как таймер уходит.
    7. Вручную убирать руку передачи полностью и закрыть ворота блокировки нагрузки.
    8. Удалите или обобменяйте образец следующие шаги 2.2.2-2.2.5.
    9. Чтобы получить скорость осаждения Мгзоно, удалите перманентный маркер из образца свидетеля с хлопчатобумажным аппликатором, смоченным в метаноле. Измерьте толщину с помощью профилометра17 и установите последующие сроки осаждения для желаемой толщины Mg'nO (100 нм для образцов, представленных в этой работе).
    10. Повторите осаждение для столько образцов, сколько хотелось бы.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После осаждения Mg'nO, образцы могут храниться в течение некоторого времени. При риске окисления рекомендуется хранить их в оширокаторе в вакууме не более 1 недели для достижения наилучших результатов.

3. Субимляционное осаждение и обработка абсорбаторных слоев

  1. Запуск системы CSS
    1. Убедитесь, что 1) система находится в вакууме, 2) механические и диффузионные насосы на, 3) клапан ворот блокировки нагрузки открыт для камеры, и 4) давление устанавливается до 40 mTorr.
    2. Вручную откройте клапан потока газа (98% N2 и 2% O2)и выберите "Gas enable" на компьютерном программном обеспечении. Давление должно стабилизироваться в районе 40 мТор.
    3. Включите остаточный анализатор газа (RGA), открыв клапан RGA и подключившись к программной программе. Это необходимо для отслеживания уровня воды, кислорода, азота и водорода в системе. Эти уровни, как правило, около 4,5 х 10-9, 2,5 х 10-8, 2,3 х 10-6,и 8,0 х 10-10 Торр для каждого, соответственно.
    4. Доведите верхние и нижние источники системы CSS до эксплуатационных температур в компьютерной программе. Температура верхнего источника установлена на 620 градусов по Цельсию для подогрева, 360 градусов по Цельсию для CdTe, 420 градусов по Цельсию для CdSe20Te80, 387 градусов по Цельсию для CdCl2, 400 градусов по Цельсию для аннеального, и 620 градусов по Цельсию для выпекания. Температура нижнего источника установлена на 620 градусов по Цельсию для подогрева, 555 градусов по Цельсию для CdTe, 545 градусов по Цельсию для CdSe20Te80, 439 градусов по Цельсию для CdCl2, 400 градусов по Цельсию для аннеального, и 620 градусов по Цельсию для выпекания. Эти дифференциалы температур ы способствуют сублимации от дна к верхним источникам, таким образом, чтобы материал сублимируется на образец, расположенный между источниками.
    5. Когда источники достигли эксплуатационных температур, запустите держатель образца через рецепт выпекания: в программном обеспечении, выберите "Bakeoff" в списке рецептов и нажмите кнопку "Беги". Это автоматически переместит руку передачи таким образом, что держатель образца остается в источнике выпекаем в течение 480 с. Это нагревает держатель образца и выпекает любой лишний материал.
    6. После передачи руку автоматически убирает образец держателя в домашнем положении и закрывает клапан ворот, вентиляционные блокировки нагрузки, открыв аяру uHP вентиляционного клапана. При вентиляции, откройте дверь замка нагрузки и закройте вентиляционный клапан.
  2. CSS осаждения и пассивации лечения амортизаторов
    1. Используйте портативный воздуходувки, чтобы аккуратно удалить любые частицы пыли из чистого подлодки с покрытием Мгзоно/ТКО и загрузить субстрат на держатель образца (сторона Mg'nO вниз).
    2. Закройте дверь замка нагрузки и нагнесните замок нагрузки, включив переключатель грубого замка нагрузки.
    3. При накачке вниз, введомь желаемый рецепт для осаждения CSS в компьютерную программу. Рецепты, используемые для подготовки структур CdTe и CdSeTe/CdTe, на данном этапе отличаются друг от друга и являются следующими.
    4. Для примера свидетелей CdTe (для определения скорости осаждения CdTe; необходимой для изготовления устройств CdTe и CdSeTe/CdTe) используйте:
      110 с в источнике разогрева (это поднимает стекло до 480 градусов по Цельсию, так что CdTe будет правильно сублимировать на субстрат);
      110 с в источнике CdTe (это сублимирует CdTe на субстрат);
      180 с в cdCl2 источник »CdCl2 осаждения необходимо для хорошей производительности устройства CdTe (было показано, что он passivates границ зерна и оборванных связей и способствует росту зерна и выравнивания в поликристаллических cdTe поглотитель12,13,14,15,16));
      240 с в аннеальном источнике (это приводит CdCl2 в амортизаторный материал); И
      300 с в источнике охлаждения (это позволяет образцу остыть для разгрузки).
    5. Используя лезвие бритвы, писец небольшой площади материала CdTe от субстрата и измерить толщину пленки CdTe с помощью поверхностного profilometer для определения скорости осаждения17.
    6. Для образца свидетелей CdSeTe (для определения скорости осаждения CdSeTe; требуется только для изготовления устройств CdSeTe/CdTe) используйте:
      140 с в источнике разогрева (это поднимает стекло до 540 градусов по Цельсию, так что CdSeTe будет правильно сублимировать сяпотворно на субстрат);
      300 с в источнике CdSeTe (это сублимирует CdSeTe на субстрат); И
      300 с в источнике охлаждения.
    7. Используя лезвие бритвы, писец небольшой площади материала CdSeTe от субстрата и измерить толщину пленки CdSeTe с помощью поверхностного profilometer для определения скорости осаждения17.
    8. Для тонкого одиночного амортизатора (образец CdTe) используйте:
      110 с в источнике разогрева;
      хх с в источнике CdTe «время пребывания зависит от скорости осаждения CdTe и желаемой толщины (для одного поглотителя CdTe, используемого здесь, время пребывания составляет 60 с)»;
      150 с в источнике CdCl2 (обработка CdCl2 зависит от толщины амортизатора; поэтому, эксперименты должны быть дирижированы для оптимизации условий обработки (перечисленные времена осязания оптимизированы для тонких, 1.5 мкм амортизаторов18)»;
      240 с в аннеальном источнике; И
      300 с в источнике охлаждения.
    9. Для тонкого двухслойного амортизатора (образец CdSeTe/CdTe) используйте:
      140 с в источнике разогрева;
      хх с в источнике CdSeTe «опять же, время пребывания зависит от скорости осаждения CdSeTe и желаемой толщины (для слоя CdSeTe 0,5 мкм, используемого здесь, время пребывания 231 с)»;
      хх с в источнике CdTe «время пребывания зависит от желаемой толщины CdTe и скорости осаждения, рассчитанной из измеренной толщины образца свидетеля CdTe (для 1,5 мкм двухслойного абсорястеля CdSeTe/CdTe, используемого здесь, время ожидания составляет 50 с для 1,0 мкм слоя CdTe)»;
      150 с в источнике CdCl2;
      240 с в аннеальном источнике; И
      300 с в источнике охлаждения.
    10. Когда давление блокировки нагрузки считывается ниже 40 mTorr в программном обеспечении компьютера, используя программное обеспечение, откройте клапан ворот блокировки нагрузки и выберите "Старт". Программа автоматически запускает выбранный рецепт и вернется в домашнюю позицию после завершения шага охлаждения10.
    11. После полного осаждения будет полностью открыт клапан вентиляционного отверстия нагрузки, вентиляция в атмосферу и открыть дверь замка нагрузки для окончательного охлаждения субстрата. После 60 с, субстрат должен быть достаточно прохладно, чтобы удалить из образца держателя с тканью без ворса.
    12. Как только образец будет удален, закройте дверь блокировки нагрузки, откачайте замок нагрузки, включив грубый переключатель, и следуйте шагу 3.1.5 для запуска рецепта выпекания. Выпекать должен быть запущен между каждым осаждением образца для очистки держателя образца.
    13. Обработанный образец должен иметь белый туманный слой на пленке от обработки CdCl2. Сфотографировать пленку, чтобы отметить туман картины. Если есть мало или нет видимого материала из лечения CdCl2, это лечение, вероятно, нуждается в оптимизации.
    14. Промыть избыток CdCl2 материала от пленки в окончил стакан с помощью DI воды и высушить пленку со сжатым аргоном.
      ВНИМАНИЕ: Это CdCl2 промыть должны быть выполнены в содержащемся корпуса. По завершении работы утилизировать водную смесь CdCl2/DIв надлежащем контейнере для опасных отходов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: После осаждения CSS, образцы могут храниться в течение некоторого времени, но рекомендуется их хранить в desiccator под вакуумом не более 1 недели для достижения наилучших результатов. Схема автоматизированной системы осаждения CSS показана на рисунке 2.

4. Тесная сублимация медной обработки

  1. Запуск системы CSS
    1. Убедитесь, что механические и диффузионные насосы на.
    2. Откройте газовый клапан процесса и вручную отрегулируйте ручку управления газовым потоком до тех пор, пока на датчике давления не будет отображаться рабочее давление 40 mTorr.
    3. Вручную устанавливаем и включаем источники CSS с помощью пропорционально-интегральных производных (PID) контроллеров. Температура верхнего источника, используемая в этом эксперименте, равен 330 градусам Цельсия для источника подогрева, 170 градусов по Цельсию для источника CuCl и 200 градусов по Цельсию для источника anneal. Температура нижнего источника 330 градусов по Цельсию для источника подогрева, 190 градусов по Цельсию для источника CuCl и 200 градусов по Цельсию для источника anneal.
    4. Включите клапан диффузионного насоса и вручную закройте клапан ворот блокировки нагрузки.
  2. Обработка CuCl на амортизаторных структурах
    1. Когда источники достигли рабочей температуры, образец может быть загружен на держатель образца:
      1. Освободите ручку для двери замка нагрузки.
      2. Вотульт блокировки нагрузки с четвертью оборота клапана азота UHP.
      3. Откройте дверь замка нагрузки и используйте портативный воздуходувку, чтобы аккуратно удалить частицы пыли из образца. Поместите образец пленки стороны вниз на образец держателя с помощью пары резиновых наконечником пинцета, удерживая образец на краю, чтобы избежать осаждения области.
      4. Закройте вентиляционный клапан и закройте и затяните дверь замка нагрузки.
      5. Вручную откройте насос блокировки нагрузки и дайте насосу блокировки нагрузки ниже давления кроссовера (40 mTorr).
    2. При получении давления кроссовера вручную закройте насос блокировки нагрузки и вручную откройте клапан замка нагрузки.
    3. Ручно перемещать руку передачи в разогреве, CuCl, и anneal позиции последовательно. Таймер используется для времени пребывания в каждой позиции. Для описанных образцов, время одивки 75 s, 5 s, и 250 s для потопа, CuCl, и anneal источников, соответственно.
    4. После аннулирования шаг, вручную принести передачи руку обратно в домашнюю позицию и закрыть клапан ворот блокировки нагрузки.
    5. Следуйте шагу 4.2.1 для обмена образцами.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При разгрузке предыдущего образца, он по-прежнему, вероятно, жарко. Удалите образец с парой резиновых наконечником пинцета и дайте ему остыть (пленка вверх) на металлическом блоке. После обработки Cu, образцы могут храниться в течение некоторого времени, но рекомендуется хранить их в desiccator под вакуумом не более 1 недели для достижения наилучших результатов.

5. Испарение осаждения тонкого теллурия

  1. Включите механический насос, клапан и диффузионный насос с помощью выключателей в системе испарителей. Разрешить диффузионный насос, чтобы прогреться в течение 20 мин.
  2. Ввенд и открыть камеру, открыв азотный вентиляционный клапан и подъема испаритель камеры. Загрузите Te в лодку молибдена с глиноземом. Переместите камеру испарителя обратно на место после загрузки материала.
  3. Введите надлежащие настройки для осаждения Te с лодки молибдена с глиноземным покрытием в панели кварцевого кристаллического монитора (ККМ) (плотность 6,25 г/см3 и акустический импеданс 9,81 г/см2с).
  4. Откройте верхнюю часть камеры, чтобы получить доступ к владельцу образца. Используйте портативный воздуходувки, чтобы аккуратно удалить любые частицы пыли из образца. Загрузите образец пленки стороной вниз на держатель образца и закройте верхнюю часть камеры.
  5. Вручную переместите рычаг в грубое положение; и грубое и камерное давление считывания должны начать падать. Разрешить давление опускаться ниже 10 mTorr.
  6. Поверните клапан линии назад к положению foreline. Подождите 30 с для любого мгновенного всплеска давления, чтобы быть решена, а затем открыть высокий вакуумный клапан. Когда считыватель давления камеры основывал вне, правильное давление осаждения 1.0 x 10-5 Torr было достигано.
  7. Включите выключатель питания, откройте затвор и включите текущий элемент управления, чтобы начать осаждение. Оптимальный текущий диапазон работы составляет 90-100 ампер ампер ампер, что скорость осаждения составит 5-10 евро/с. Скорость осаждения, отображаемый на считывании ККМ, может быстро меняться; таким образом, ток должен постоянно корректироваться во время осаждения, чтобы поддерживать скорость между 5-10 евро/с.
  8. Когда ККМ отображает нужную толщину Te (40 нм для используемых здесь образцов), быстро и одновременно поверните ток к нулю, выключите выключатель питания и закройте затвор.
  9. Закройте высокий вакуумный клапан, откройте клапан азота и удалите образец из держателя образца. Повторите шаги 5.4-5.8 для осаждения на дополнительных образцах.
    ПРИМЕЧАНИЕ: После осаждения Te, образцы могут храниться в течение некоторого времени, но рекомендуется их хранить в desiccator под вакуумом не более 1 недели для достижения наилучших результатов.

6. Никель назад контактное приложение

ВНИМАНИЕ: Из-за паров от краски Ni и метил этил кетон (MEK), всегда запустить накладные вентилятор анайтер во время этого процесса.

  1. Установите образцы (пленка сторона лицом вперед) на вертикальной монтажной полке.
  2. Убедитесь, что пистолет Ni аппликатор чист во всем. Если нет, чистой с MEK.
  3. Задний контакт представляет собой смесь проводящей краски Ni и тоньше в соотношении 2:1. Перед нанесением краски встряхните задней контактное решение, чтобы обеспечить полное смешивание.
  4. Налейте ni обратно контактный раствор в аппликатор пушки и включите прилагается шланг компрессора воздуха. Спрей тест кусок (т.е. картон), чтобы убедиться, что краска применяется равномерно. Если он однороден, нанесите задний контакт на образцы, распылив раствор через образец, установленный с медленным боковое движение. Разрешить задний контакт, чтобы высохнуть немного и применять столько раз, сколько необходимо для полного покрытия (как правило, пять проходов работает хорошо).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Раствор Ni может высушить и засорить пистолет-аппликатор; Поэтому, чтобы избежать процесса де-засорения во время обратного контакта приложения, важно ждать не более 60 с между наборами спрей.
  5. Выключите воздушный компрессор и дайте заднему контакту высохнуть на образцах не менее 1 ч.

7. Разграничение на 25 малых устройств

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы закончить тонкую структуру пленки в электрически контактных устройств, пленка стек должен быть разграничен на небольшой площади устройств, таких, что TCO передний контакт и Ni задний контакт электрически доступны. Это делается с помощью металлической маски с механическим удалением полупроводника.

  1. Поместите образец в металлическую маску.
  2. Поместите образец в маске в перчаточный ящик и с помощью шланга сифон, нанесите стекло, бисером средства массовой информации на разоблаченные части образца. Правильное удаление материала достигается, когда окна маски становятся почти прозрачными.
  3. Повторите этот процесс со второй маской так, что после завершения разграничения, 25 малых квадратных устройств площадью появляются в 5 х 5 шаблон на образце. Завершенные области стоят 0,6 см2.
  4. Очистите пленку сторону образцов с хлопчатобумажным аппликатором, смоченным в воде DI.
  5. Чтобы свести к минимуму боковое сопротивление в электрических измерениях готовых устройств, припой сетки шаблон между устройствами с припой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Завершенные структуры устройств приведены в рисунке 1A и Рисунке 1B для устройств cdTe и CdSeTe/CdTe поглотителя, соответственно.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Добавление CdSeTe в тонкий амортизатор CdTe повышает эффективность устройства за счет превосходного качества материала амортизатора и более высокой плотности тока короткого замыкания (JSC). Рисунок 3A и Рисунок 3B, (адаптированный из Bothwell et al.8) показывают PL и TRPL, соответственно, для одного поглотителя CdTe и cdSeTe/CdTe двухслойных амортизаторов. Измерения PL и TRPL ясно показывают улучшение фотолюминесценции с абсорт...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Тонкие двухслойные фотоэлектрические устройства CdSeTe/CdTe демонстрируют повышение эффективности по сравнению с их коллегами cdTe из-за лучшего качества материала и увеличения текущей коллекции. Такая повышенная эффективность была продемонстрирована в двухслойных амортизаторах, превышающих 3 мкм5,7,и теперь при оптимизированных условиях изготовления, было продемонстрировано, что повышение эффективности также достижимо для более тонких, 1,5-мкм двухслойных аморти...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторы хотели бы поблагодарить профессора В.С. Сампата за использование его систем осаждения, Кевана Кэмерона за системную поддержку, д-ра Амита Мунши за его работу с более толстыми двухслойными клетками и дополнительными кадрами в режиме вонтойного автоматизированного осаждения CSS системы осаждения, и доктора. Дариус Кучаускас за помощь в измерениях TRPL. Этот материал основан на работе, поддерживаемой Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE) Министерства энергетики США в рамках Соглашения о солнечной энергии (SETO) Номер DE-EE0007543.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Alpha Step Поверхностный профилометрTencor Instruments10-00020Прибор для измерения толщины пленки
Материал CdCl2 Материал5N PlusN/AМатериал для пассивации абсорбера
CdSeTe Полупроводниковый материал5N PlusN/AP-тип полупроводниковый материал для поглощающего слоя
CdTe Полупроводниковый материал5N PlusN/AПолупроводниковый материал P-типа для абсорбирующего слоя
CESAR RF Power GeneratorAdvanced Energy61300050Генератор для напыления MgZnO
Материал CuCl SigmaAldrichN/AМатериал для легирования абсорбера
Материал разграниченияKramer Industries Inc.Меламин Тип 3 60-80 мешПластиковый материал для разграничения пленки
Перчаточный ящик КорпусVaniman Manufacturing Co.Problast 3Перчаточный ящик Корпус для разграничения пленки
Золотой кристаллKurt J. Lesker CompanyKJLCRYSTAL6-G10Кристалл для контроля толщины испарения Te
HVLP и стандартный комплект пистолета-распылителя с гравитационной подачейHuskyHDK00600SGАппликатор для нанесения никелевой краски с обратным контактом
MgZnO Sputter TargetPlasmaterials, Inc.PLA285287489Материал слоя эмиттера N-типа
Micro 90 Раствор для чистки стеклаCole-ParmerEW-18100-05Раствор для первичной очистки стекла
NSG Tec10 SubstratesPilkingtonN/AПрозрачное проводящее оксидное стекло для переднего электрического контакта
Super Shield Ni Проводящее покрытиеMG Chemicals841AR-3.78LПроводящая краска для заднего контактного слоя
Te MaterialSigma AldrichMKBZ5843VМатериал для обратного контактного слоя
Контроль толщиныR.D. Mathis CompanyTM-100Прибор для программирования и мониторинга условий испарения
Te Разбавитель 1MG Химикаты4351-1LРазбавитель для смешивания краски с Ni для обратного контактного слоя
Ультразвуковой очиститель 1L & R ElectronicsQ28OHУльтразвуковой очиститель 1 для чистки стекол
Ультразвуковой очиститель 2Ultrasonic Clean100SУльтразвуковой очиститель 2 для чистки стекол
UV/VIS Лямбда 2 СпектрометрPerkinElmer166351Спектрометр для измерения пропускания на пленках CdSeTe

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Global energy demand rose by 2.3% in 2018, its fastest pace in the last decade. , Available from: https://www.iea.org/newsroom/news/2019/march/global-energy-demand-rose-by-23-in-2018-its-fastest-pace-in-the-last-decade.html (2019).
  2. Morton, O. Solar energy: A new day dawning?: Silicon valley sunrise. Nature. 443 (7107), 19-22 (2006).
  3. Best research-cell efficiency chart. , Available from: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2019).
  4. First Solar. First Solar sustainability report. , Available from: http://www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/Sustainability-Documents/FirstSolar_SustainabilityReport_Web_2018.ashx (2018).
  5. Munshi, A., et al. Polycrystalline CdSeTe/CdTe absorber cells with 28 mA/cm2 short-circuit current. IEEE Journal of Photovoltaics. 8 (1), 310-314 (2018).
  6. Metzger, W. K., et al. Exceeding 20% efficiency with in situ group V doping in polycrystalline CdTe solar cells. Nature Energy. 4, 837-845 (2019).
  7. Hsiao, K. J. Electroplated CdTe solar technology at Reel Solar. Proceedings of 46thIEEE PVSC. , Chicago, IL. (2019).
  8. Bothwell, A. M., Drayton, J. A., Jundt, P. M., Sites, J. R. Characterization of thin CdTe solar cells with a CdSeTe front layer. MRS Advances. 4 (37), 2053-2062 (2019).
  9. Fiducia, T. A. M., et al. Understanding the role of selenium in defect passivation for highly efficient selenium-alloyed cadmium telluride solar cells. Nature Energy. 4, 504-511 (2019).
  10. Swanson, D. E., et al. Single vacuum chamber with multiple close space sublimation sources to fabricate CdTe solar cells. Journal of Vacuum Science and Technology A. 34, 021202(2016).
  11. McCandless, B. E., Sites, J. R. Cadmium telluride solar cells. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Luque, A., Hegedus, S. , John Wiley & Sons Ltd. West Sussex, England. 617-662 (2003).
  12. Abbas, A., et al. Cadmium chloride assisted re-crystallization of CdTe: the effect of annealing over-treatment. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , Denver, CO. (2014).
  13. Munshi, A., et al. Effect of varying process parameters on CdTe thin film device performance and its relationship to film microstructure. Proceedings of 40th IEEE PVSC. , Denver, CO. (2014).
  14. Metzger, W. K., et al. Time-resolved photoluminescence studies of CdTe solar cells. Journal of Applied Physics. 94 (5), 3549-3555 (2003).
  15. Moseley, J., et al. Luminescence methodology to determine grain-boundary, grain-interior, and surface recombination in thin film solar cells. Journal of Applied Physics. 124, 113104(2018).
  16. Amarasinghe, M., et al. Obtaining large columnar CdTe grains and long lifetime on nanocrystalline CdSe, MgZnO, or CdS layers. Advanced Energy Materials. 8, 1702666(2018).
  17. Tencor Instruments. Alpha-Step 100 User's Manual. , Tencor Instruments. Mountain View, CA. (1984).
  18. Wojtowicz, A., Huss, A. M., Drayton, J. A., Sites, J. R. Effects of CdCl2 passivation on thin CdTe absorbers fabricated by close-space sublimation. Proceedings of 44th IEEE PVSC. , Washington D.C. (2017).
  19. Kirchartz, T., Ding, K., Rau, U. Fundamental electrical characterization of thin film solar cells. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. Abou-Ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. Weinheim, Germany. 47(2011).
  20. Swanson, D. E., Sites, J. R., Sampath, W. S. Co-sublimation of CdSexTe1-x layers for CdTe solar cells. Solar Energy Materials & Solar Cells. 159, 389-394 (2017).
  21. McCandless, B. E., et al. Overcoming Carrier Concentration Limits in Polycrystalline CdTe Thin Films with In Situ Doping. Scientific Reports. 8, 14519(2018).
  22. Romeo, N., Bossio, A., Rosa, G. The back contact in CdTe/CdS thin film solar cells. Proceedings ISES Solar World Congress 2017. , Abu Dhabi, UAE. (2017).
  23. Munshi, A. H., et al. Doping CdSexTe1-x/CdTe graded absorber films with arsenic for thin film photovoltaics. Proceedings of 46th IEEE PVSC. , Chicago, IL. (2019).
  24. Danielson, A. Doping CdTe Absorber Cells using Group V Elements. Proceedings of WCPEC-7. , Waikoloa, HI. (2018).
  25. Hsiao, K. J. Electron Reflector Strategy for CdTe Thin film Solar Cells. , Colorado State University. Doctoral dissertation (2010).
  26. Swanson, D. E., et al. Incorporation of Cd1-xMgxTe as an electron reflector for cadmium telluride photovoltaic cells. Proceedings of MRS Spring Meeting and Exhibit. , San Francisco, CA. (2015).
  27. Wendt, R., Fischer, A., Grecu, D., Compaan, A. D. Improvement of CdTe solar cell performance with discharge control during film deposition by magnetron sputtering. Journal of Applied Physics. 84 (5), 2920-2925 (1998).
  28. Sudharsanan, R., Rohatgi, A. Investigation of metalorganic chemical vapor deposition grown CdTe/CdS solar cells. Solar Cells. 31 (2), 143-150 (1991).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CdSeTe CdTeCdCl2

Похожие статьи