Summary
يصف هذا العمل عملية التصنيع الكاملة للأجهزة الفولتية السيلينيوم الكاديوم الرقيقة التيلوريد/الكادميوم التيلوريد لتحسين الكفاءة. وتستخدم هذه العملية نظاما آليا للفراغ في الخط لترسب التسامي في الفضاء القريب القابل للتطوير، من تصنيع أجهزة البحوث في المنطقة الصغيرة، فضلا عن الوحدات النمطية الكبيرة النطاق.
Abstract
التطورات في هندسة الأجهزة الكهروضوئية ضرورية لجعل الطاقة الشمسية مصدرا فعالا من حيث التكلفة وموثوقة للطاقة المتجددة في ظل الطلب العالمي المتزايد على الطاقة وتغير المناخ. وقد أظهرت التكنولوجيا رقيقة CdTe فيلم القدرة التنافسية من حيث التكلفة وزيادة الكفاءة ويرجع ذلك جزئيا إلى أوقات التصنيع السريع، والحد الأدنى من استخدام المواد، وإدخال سبيكة CdSeTe في ~ 3 ميكرومتر طبقة امتصاص. يعرض هذا العمل تصنيع التسامي في الفضاء القريب لأجهزة CdSeTe/CdTe ثنائية الطبقات الرقيقة و1.5 ميكرومتر باستخدام نظام ترسب فراغي آلي في الخط. يقلل الهيكل الثنائي الرقيق وتقنية التصنيع من وقت الترسيب ، وزيادة كفاءة الجهاز ، وتسهيل تطوير بنية الجهاز النحيفة في المستقبل. ثلاثة معلمات التصنيع ويبدو أن الأكثر تأثيرا لتحسين رقيقة أجهزة امتصاص CdSeTe / CdTe: درجة حرارة الركيزة التسخين، CdSeTe: نسبة سمك CdTe، وتخميل CdCl2. للتسامي السليم من CdSeTe، يجب أن تكون درجة حرارة الركيزة قبل الترسيب ~ 540 درجة مئوية (أعلى من ذلك لCdTe) كما تسيطر عليها الوقت يسكن في مصدر الحرارة المسبقة. الاختلاف في نسبة سمك CdSeTe: CdTe يكشف عن اعتماد قوي لأداء الجهاز على هذه النسبة. سمك الامتصاص الأمثل هي 0.5 ميكرومتر CdSeTe/1.0 ميكرومتر CdTe، ونسب السماكة غير المحسنة تقلل من الكفاءة من خلال تأثيرات الحاجز الخلفي. امتصاص رقيقة حساسة لتباين التخميل CdCl2; أقل عدوانية بكثير CdCl2 العلاج (مقارنة مع أكثر سمكا امتصاص) فيما يتعلق بكل من درجة الحرارة والوقت تسفر عن أداء الجهاز الأمثل. مع ظروف التصنيع الأمثل، CdSeTe / CdTe يزيد الجهاز قصيرة الدائرة كثافة التيار وكثافة الضوئية مقارنة مع امتصاص واحد CdTe. بالإضافة إلى ذلك ، يوفر نظام ترسب فراغ التسامي في الخط بالقرب من الفضاء تقليل المواد والوقت ، وقابلية التوسع ، وإمكانية تحقيق أبنية امتصاص رقيقة للغاية في المستقبل.
Introduction
ويتسارع الطلب العالمي على الطاقة بسرعة، وأظهر عام 2018 أسرع (2.3%) معدل النمو في العقد الماضي1. وإلى جانب زيادة الوعي بآثار تغير المناخ وحرق الوقود الأحفوري، أصبحت الحاجة إلى الطاقة التنافسية والنظيفة والمتجددة قادرة على المنافسة من حيث التكلفة واضحة تماما. من بين العديد من مصادر الطاقة المتجددة، تتميز الطاقة الشمسية بإمكاناتها الإجمالية، حيث أن كمية الطاقة الشمسية التي تصل إلى الأرض تتجاوز بكثير الاستهلاك العالمي للطاقة2.
تقوم الأجهزة الكهروضوئية (PV) بتحويل الطاقة الشمسية مباشرة إلى طاقة كهربائية وهي متعددة الاستخدامات في قابلية التوسع (على سبيل المثال، وحدات الاستخدام الشخصي الصغيرة والصفائف الشمسية المتكاملة للشبكة) وتقنيات المواد. تقنيات مثل متعددة وأحادية التقاطع، واحدة الكريستال الغاليوم زرنيخة (GaAs) الخلايا الشمسية لديها كفاءات تصل إلى 39.2٪ و 35.5٪، على التوالي3. ومع ذلك ، فإن تصنيع هذه الخلايا الشمسية عالية الكفاءة مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً. الكادميوم البلوري ة telluride (CdTe) كمادة للرقيقة بوفس مفيد لتكلفته اخفض، تصنيع عالية الإنتاجية، مجموعة متنوعة من تقنيات الترسيب، ومعامل امتصاص مواتية. هذه الصفات تجعل CdTe مواتية للتصنيع على نطاق واسع ، والتحسينات في الكفاءة جعلت CdTe تنافسية من حيث التكلفة مع السيليكون والوقود الأحفوري المهيمن على السوق الكهروضوئية4.
أحد التطورات الأخيرة التي دفعت الزيادة في كفاءة جهاز CdTe هو دمج مادة الكادميوم سيلينيوم التيلوريد (CdSeTe) سبيكة في طبقة الامتصاص. دمج أقل ~ ~ 1.4 eV الفجوة CdSeTe المادة في 1.5 eV CdTe امتصاص يقلل من فجوة الفرقة الأمامية من امتصاص طبقة ثنائية. وهذا يزيد من كسر فوتون فوق فجوة النطاق وبالتالي يحسن جمع الحالية. وقد ثبت نجاح إدماج CdSeTe في الامتصاصات التي هي 3 ميكرومتر أو أكثر سمكا لزيادة كثافة التيار مع تقنيات التصنيع المختلفة (أي التسامي في الفضاء القريب، وترسب نقل البخار، والطلاء الكهربائي)5،6،7. زيادة درجة حرارة الغرفة الطيفية الانبعاثات الضوئية (PL)، وضوئي حل الوقت (TRPL)، وإشارات الكهربية من أجهزة امتصاص ثنائي الطبقة5،8 تشير إلى أنه بالإضافة إلى زيادة جمع الحالية، وCdSeTe يبدو أن لديها كفاءة إشعاعية أفضل وأقلية الناقل العمر، وجهاز CdSeTe / CdTe لديه جهد أكبر بالنسبة إلى المثالي من مع CdTe فقط. وقد يعزى هذا إلى حد كبير إلى تخميل السيلينيوم من العيوب السائبة9.
وقد تم الإبلاغ عن القليل من البحوث على دمج CdSeTe في أرق (≤ 1.5 ميكرومتر) امتصاص CdTe. ولذلك قمنا بدراسة خصائص أجهزة CdSeTe/1.0 ميكرومتر CdSeTe الرقيقة 0.5 ميكرومتر مفسد ة من طبقة ثنائية الحجم مفبركة بواسطة التسامي في الفضاء القريب (CSS) لتحديد ما إذا كانت الفوائد التي شوهدت في ممتصات طبقة ثنائية سميكة يمكن تحقيقها أيضًا باستخدام ممتصات ثنائية الطبقة رقيقة. مثل امتصاص CdSeTe / CdTe ، أكثر من ضعف ضعف نظيراتها سمكا ، وتقدم انخفاضا ملحوظا في وقت الترسيب والمواد وانخفاض تكاليف التصنيع. وأخيرا ، فإنها تنطوي على إمكانات لتطورات هندسة الجهاز في المستقبل التي تتطلب سماكة امتصاص أقل من 2 ميكرومتر.
ترسيب المغلق من امتصاص في نظام فراغ الآلي واحد في خط يقدم العديد من المزايا على طرق التصنيع الأخرى10،11. معدلات الترسيب أسرع مع تصنيع المغلق يعزز إنتاجية الجهاز ويعزز مجموعات البيانات التجريبية أكبر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بيئة فراغ واحد من نظام المغلق في هذا العمل يحد من التحديات المحتملة مع واجهات امتصاص. تحتوي الأجهزة الكهروضوئية ذات الفيرفية على العديد من الواجهات ، كل منها يمكن أن يعمل كمركز إعادة تركيب للإلكترونات والثقوب ، مما يقلل من كفاءة الجهاز بشكل عام. استخدام نظام فراغ واحد لCdSeTe، CdTe، وكلوريد الكادميوم (CdCl2)الترسبات (اللازمة لنوعية امتصاص جيدة12،13،14،15،16)يمكن أن تنتج واجهة أفضل والحد من العيوب بين الوجهين.
نظام الفراغ الآلي في خط وضعت في جامعة ولاية كولورادو10 هو أيضا مفيد في قابلية التوسع والتكرار. على سبيل المثال، معلمات الترسيب هي مجموعة من المستخدم، وعملية الترسيب مؤتمتة بحيث لا يحتاج المستخدم إلى إجراء تعديلات أثناء تصنيع الامتصاص. وعلى الرغم من أن أجهزة البحث في المناطق الصغيرة مفبركة في هذا النظام، يمكن توسيع نطاق تصميم النظام لترسيب أكبر للمساحة، مما يتيح وجود صلة بين التجارب على نطاق البحوث وتنفيذ الوحدات النمطية.
يعرض هذا البروتوكول أساليب التصنيع المستخدمة لتصنيع أجهزة CdSeTe/1.0-μm CdTe ذات الفيلفية الرقيقة. للمقارنة، يتم تصنيع مجموعة من أجهزة CdTe 1.5 ميكرومتر. هياكل امتصاص أحادية وثنائية الطبقات لها شروط ترسب متطابقة اسمياً في جميع خطوات العملية، باستثناء ترسب CdSeTe. لتوصيف ما إذا كانت أجهزة امتصاص CdSeTe/CdTe الرقيقة تحتفظ بنفس الفوائد التي تظهرها نظيراتها الأكثر سمكًا، يتم تنفيذ قياسات الكثافة الحالية (J-V) وكفاءة الكم (QE) وPL على أجهزة امتصاص الامتصاص المفردة وثنائية الطبقة الرقيقة. زيادة في كثافة التيار قصيرة الدائرة (JSC)كما تقاس بواسطة J-V وQE، بالإضافة إلى زيادة في إشارة PL لCdSeTe/CdTe مقابل. جهاز CdTe ، تشير إلى أن أجهزة CdSeTe / CdTe رقيقة ملفقة من قبل المغلق تظهر تحسنا ملحوظا في جمع الحالية ، وجودة المواد ، وكفاءة الجهاز.
على الرغم من أن هذا العمل يركز على الفوائد المرتبطة بدمج سبيكة CdSeTe في بنية جهاز CDTe الكهروضوئي ، يتم وصف عملية التصنيع الكاملة لأجهزة CdTe و CdSeTe / CdTe بالكامل في وقت لاحق. الشكل 1A, B يظهر هياكل الجهاز المكتملة لأجهزة CdTe و CdSeTe / CdTe على التوالي ، تتألف من ركيزة زجاجية شفافة لأكسيد التوصيل (TCO) ، وطبقة N-type من المغنيسيوم الزنك (MgZnO) ، طبقة الباعث ، طبقة الباعث ة من نوع CdTe أو CdSeTe / CdTe مع علاج CdCl2 وعلاج المنشطات النحاس ، طبقة Te الرقيقة ، والنيكل مرة أخرى. باستثناء ترسب امتصاص CSS ، فإن ظروف التصنيع متطابقة بين بنية المفردة وثنائية الطبقة. وبالتالي، ما لم يذكر خلاف ذلك، يتم تنفيذ كل خطوة على كل من هياكل CdTe و CdSeTe/CdTe.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
تنبيه: يجب ارتداء القفازات عند التعامل مع الركائز لمنع تلوث الفيلم والاتصال بالمواد إلى الجلد. وتتطلب عملية التصنيع هذه مناولة الهياكل التي تحتوي على مركبات الكادميوم؛ لذلك ، يجب ارتداء معطف المختبر والقفازات في المختبر في جميع الأوقات.
1. الركيزة التنظيف
- ضع ركائز زجاجية مغلفة بـ TCO (9.1 سم × 7.8 سم) في رف من الفولاذ المقاوم للصدأ مع تباعد كبير بحيث يمكن تطبيق محلول التنظيف والهواء المضغوط على كل وجه زجاجي.
- تفجير أي غبار قبالة ركائز باستخدام خرطوم الهواء المضغوط النيتروجين.
- ضع الحامل في منظف بالموجات فوق الصوتية (UC1) واملأه بالكحول الأيزوبروبيل (IPA). اسمحوا الجلوس لمدة 30 دقيقة لإزالة النفط المتبقية والملوثات من عملية قطع الزجاج الصناعي.
- استنزاف IPA من UC1. يمكن إعادة استخدام IPA حتى 5x للتنظيف الأولي للركائز.
- شطف ركائز مع دي المتأين (DI) المياه، ثم ملء UC1 مع الماء DI حوالي 1 سم فوق الحافة العليا من ركائز. أضف 200 مل من محلول التنظيف المركز بشكل موحد عبر الركائز لإزالة الزيت المتبقي أو الشحوم أو الجسيمات أو بقع الماء الصلب.
- باستخدام الطاقة الرئيسية، بدوره على تردد الموجات فوق الصوتية UC1 إلى 43 كيلوهرتز و425 W السلطة والسماح للركائز الجلوس لمدة 1 ساعة.
- شطف الثانية، أكبر الموجات فوق الصوتية أنظف (UC2) مع ماء DI وملء ثلاثة أرباع حجمها مع مياه DI.
- إيقاف UC1 وإزالة رف الفولاذ المقاوم للصدأ. تبدأ على الفور الحلقات الرّاية بماء الدي فوق بالوعة.
ملاحظة: لا تدع ركائز الجافة في هذه المرحلة. - نقل رف الفولاذ المقاوم للصدأ إلى UC2 وملء تماما مع المياه DI بحيث يتم تغطية ركائز تماما. بدوره على UC2 إلى تردد الموجات فوق الصوتية 40 كيلوهرتز و600 W السلطة والسماح للركائز الجلوس لمدة 30 دقيقة.
- إعداد مجفف بخار IPA محلية الصنع.
- ضمان إغلاق الصمام، ربط خرطوم الغاز إلى النيتروجين عالية النقاء (UHP). فتح خزان النيتروجين وتعيين المنظم إلى 10 psi. افتح الصمام لتدفق النيتروجين وقم بضبط 100 PSIG على مقياس التدفق المرفق، ثم أغلق الصمام مرة أخرى.
- ملء قارورة مع 150 مل من IPA الطازجة والفلين بإحكام قارورة. الفلين الأختام بإحكام فتح قارورة في حين يسمح النيتروجين وIPA لتمرير من خلال اثنين من أنظمة الأنابيب المعدنية الصغيرة جزءا لا يتجزأ من الفلين. هذه الاتصال إلى نظام أنابيب معدنية صغيرة مع ثقوب غرامة، والتي تقع فوق UC2 مثل أن النيتروجين / IPA بخار هو الحادث على ركائز.
- عند الانتهاء من دورة شطف UC2، إيقاف الحرارة وUC2.
- فتح صمام مجفف بخار إلى النيتروجين وIPA وفتح صمام استنزاف على UC2 بحيث يخرج الماء DI ببطء شديد.
ملاحظة: يجب أن ينضب ماء DI ببطء شديد. هذه العملية يستبدل ماء DI مع بخار النيتروجين / IPA لمنع البقع المائية من تشكيل على ركائز. هذا ينبغي أن يستغرق 1-2 ساعة ل30،000 سم3 من الماء. - عندما ينضب تماما، وإزالة الرف من UC2 وإغلاق صمام مجفف بخار.
- تخزينها في بيئة نظيفة وواردة للاستخدام في المستقبل.
ملاحظة: يمكن ترك ركائز نظيفة في هذه البيئة إلى أجل غير مسمى، طالما أنها لا تزال نظيفة. فحص ركائز نظيفة قبل مزيد من الاستخدام للتأكد من أنها لا تحتاج إلى الخضوع لعملية التنظيف مرة أخرى.
2. المغنيسيوم أكسيد الزنك طبقة طبقة ترسب السبوت
ملاحظة: تستخدم عملية ترسيب الوعاء من MgZnO هذه مغنطرونًا غير متوازن وقطره 4 بوصات، وهو هدف سميك يبلغ 0.25 بوصة، مع مسافة من الهدف إلى الركيزة تبلغ 15 سم. الهدف هو 99.99٪ نقاء (MgO)11(ZnO)89 بنسبة الوزن.
- بدء تشغيل نظام Sputter
- قم بتشغيل المضخة الميكانيكية وصمام النبوة، تليها مضخة الانتشار لغرفة السُلمع. تأكد من أن مياه التبريد المستهدفة تعمل وأن الصمامات الميكانيكية لمياه التبريد المستهدفة مفتوحة.
- قم بتشغيل مضخة قفل التحميل باستخدام المفتاح على المضخة.
- اسمحوا ضخ نشر الاحماء لمدة 15 دقيقة.
- تحقق من ضغط الغرفة على مقياس الضغط: إذا كان أقل من 2.0 × 10-1 تور، افتح صمام بوابة مضخة الانتشار. إذا كان الضغط أكبر من 2.0 × 10-1 تور، قم بتبديل صمام البطانة إلى إغلاق، وفتح صمام الخشونة حتى ينخفض الضغط. ثم، مفتاح إغلاق صمام خشونة، وفتح خط النبوة، وفتح يدويا صمام بوابة مضخة الانتشار.
- في برنامج الكمبيوتر، قم بتعيين ضغط التشغيل إلى 5 mTorr وانقر فوق "تمكين الغاز"، والذي يتيح تدفق الغاز. يجب أن يكون التدفق ~ 19-20 sccm والأكسجين تعيين إلى 3٪ من التدفق الإجمالي مع التوازن كما الأرجون في البرنامج.
- السماح للغرفة لضخ لمدة 10 دقيقة.
- تأكد من أن الضغط الأساسي أقل من 1.0 × 10-5 تور على قراءة مقياس الأيون.
- تأكد من سحب ذراع النقل بالكامل من الغرفة (انظر من خلال منفذ عرض الغرفة لضمان عدم وضع حامل العينة في الغرفة) ، وتبديل صمام بوابة قفل الحمل مغلق.
- تأكد من إغلاق الغالق: يمكن التحقق من ذلك من خلال النظر من خلال نافذة منفذ العرض للتأكد من أنه فوق كاثود البوسخ.
- على إمدادات الطاقة، تعيين الطاقة مولد RF إلى 60 واط. في برامج الكمبيوتر زيادة الضغط إلى 15 mTorr لإشعال البلازما، بدوره على قوة الترددات اللاسلكية، وبمجرد أن أشعلت البلازما، والحد من الضغط مرة أخرى إلى 5 mTorr في البرنامج. يجب أن تكون القوة المنعكسة 1-2 W. إذا كان أعلى من ذلك بكثير، يجب ضبط شبكة مطابقة RF.
- يجب تسخين الهدف لتجنب التصدع: زيادة الطاقة على مولد الطاقة RF بمعدل 20 واط / دقيقة حتى الوصول إلى قوة نهائية من 140 واط. يجب أن تكون القوة المنعكسة من الناحية المثالية < 5٪ من القوة الحقيقية. السماح للهدف إلى ما قبل البوستر مع مصراع مغلقة لمدة 15 دقيقة.
- ترسيب مغزنيو
- لمعايرة معدل الترسيب، يجب أن تكون عينة الشهود ملفقة. استخدام علامة دائمة لرسم ~ 0.2 سم (طول) خط على الجانب TCO المغلفة من الركيزة نظيفة.
- تأكد من إغلاق صمام بوابة قفل الحمل ، ثم قم بتخفيف وفتح مقبض باب قفل التحميل. تنفيس قفل الحمل مع ربع بدوره من صمام تنفيس النيتروجين UHP حتى يتراخى باب قفل الحمل. إبقاء صمام تنفيس مفتوحة جزئيا لتطهير قفل الحمل في حين أن الباب مفتوح.
- استخدم منفاخ الهواء المحمول باليد لإزالة أي جزيئات غبار برفق من الركيزة المغلفة بـ TCO النظيفة. إزالة أي الركيزة على حامل العينة وتحميل الركيزة نظيفة TCO الجانب إلى أسفل باستخدام زوج من ملاقط المطاط يميل. عقد العينة على الحافة لتجنب منطقة الترسيب.
- إغلاق وتشديد باب قفل الحمل. قم بتشغيل مضخة قفل الحمل وأغلق صمام تنفيس النيتروجين.
- ضخ قفل الحمل إلى أسفل حتى قياس ضغط قفل الحمل يقرأ أقل من 5.0 × 10-2 تور. ثم قم بإيقاف تشغيل مضخة قفل التحميل والتبديل فتح بوابة قفل الحمل (يجب ألا يرتفع الضغط فوق 7 mTorr). انتظر حتى مستوى الضغط وإدخال ذراع نقل يدويا بحيث العينة يجلس فوق الكاثود مقفلة.
- تعيين وقت الترسيب المطلوب على جهاز ضبط الوقت وبدء التوقيت حيث يتم فتح الغالق يدويًا. أغلق الغالق على الفور عندما ينطلق المؤقت.
- سحب يدويا ذراع نقل تماما وإغلاق بوابة قفل الحمل.
- إزالة أو تبادل العينة الخطوات التالية 2.2.2-2.2.5.
- للحصول على معدل ترسب MgZnO، قم بإزالة العلامة الدائمة من عينة الشاهد مع قضيب ذو رؤوس قطنية مغموسفي في الميثانول. قياس سمك باستخدام مقياس التنميط17 وتعيين أوقات الترسيب اللاحقة لسمك MgZnO المطلوب (100 نانومتر للعينات المعروضة في هذا العمل).
- كرر الترسب لأكبر عدد من العينات كما هو مطلوب.
ملاحظة: بعد ترسب MgZnO، يمكن تخزين العينات لبعض الوقت. في خطر الأكسدة ، يوصى بتخزينها في مجفف تحت فراغ لمدة لا تزيد عن أسبوع واحد للحصول على أفضل النتائج.
3. ترسب التسامي في الفضاء القريب وعلاج طبقات الامتصاص
- بدء تشغيل نظام CSS
- تأكد من أن 1) النظام تحت فراغ، 2) مضخات الميكانيكية ونشر على، 3) صمام بوابة قفل الحمل مفتوح للغرفة، و 4) يتم تعيين الضغط إلى 40 mTorr.
- افتح صمام تدفق الغاز يدويًا (98% N2 و2% O2)وحدد "تمكين الغاز" على برنامج الكمبيوتر. يجب أن يستقر الضغط حول 40 mTorr.
- قم بتشغيل محلل الغاز المتبقي (RGA) عن طريق فتح صمام RGA والاتصال بالبرنامج. هذا ضروري لتتبع مستويات المياه والأكسجين والنيتروجين والهيدروجين في النظام. هذه المستويات عادة ما تكون حوالي 4.5 × 10-9، 2.5 × 10-8، 2.3 × 10-6، و 8.0 × 10- 10 تور لكل منها ، على التوالي.
- جلب نظام المغلق أعلى وأسفل المصادر تصل إلى درجات حرارة التشغيل في برنامج الكمبيوتر. يتم تعيين درجات حرارة المصدر الأعلى إلى 620 درجة مئوية للحرارة المسبقة ، 360 درجة مئوية لCdTe ، 420 درجة مئوية لCdSe20Te80، 387 درجة مئوية لCdCl2، 400 درجة مئوية للصلب ، و 620 درجة مئوية للخبز. يتم تعيين درجات حرارة المصدر السفلي إلى 620 درجة مئوية للحرارة المسبقة ، 555 درجة مئوية لCdTe ، 545 درجة مئوية لCdSe20Te80، 439 درجة مئوية لCdCl2، 400 درجة مئوية للصلب ، و 620 درجة مئوية لbakeoff. هذه الفوارق في درجة الحرارة تعزز التسامي من أسفل إلى مصادر أعلى مثل أن المواد sublimates على العينة، وتقع بين المصادر.
- عندما وصلت المصادر إلى درجات حرارة التشغيل ، قم بتشغيل حامل العينة من خلال وصفة bakeoff: في البرنامج ، حدد "Bakeoff" في قائمة الوصفات وانقر فوق "تشغيل". وهذا سوف تتحرك تلقائيا ذراع نقل مثل أن حامل العينة يبقى في مصدر bakeoff لمدة 480 s. هذا يسخن حامل العينة ويخبز قبالة أي مواد زائدة.
- بعد ذراع نقل تلقائيا سحب حامل العينة إلى موقف المنزل ويغلق صمام البوابة، تنفيس قفل الحمل عن طريق فتح صمام تنفيس النيتروجين UHP. عند التنفيس، افتح باب قفل التحميل وأغلق صمام التنفيس.
- ترسيب CSS وعلاج التخميل للممتصات
- استخدام منفاخ الهواء باليد لإزالة بلطف أي جزيئات الغبار من الركيزة المغلفة MgZnO / TCO نظيفة وتحميل الركيزة على حامل العينة (الجانب MgZnO إلى أسفل).
- أغلق باب قفل التحميل وضخ أسفل قفل التحميل عن طريق تشغيل مفتاح الخام قفل الحمل.
- في حين ضخ أسفل ، وإدخال وصفة المطلوب لترسيب المغلق في برنامج الكمبيوتر. الوصفات المستخدمة لإعداد هياكل CdTe و CdSeTe / CdTe مختلفة في هذه المرحلة وهي على النحو التالي.
- بالنسبة لعينة الشاهد CdTe (لتحديد معدل ترسب CdTe؛ المطلوبلكل من CdTe و CdSeTe/CdTe تصنيع الجهاز)، استخدم:
110 s في مصدر التسخين المسبق (وهذا يرفع الزجاج إلى ~ 480 درجة مئوية بحيث سوف CdTe sublimate بشكل صحيح على الركيزة)؛
110 s في مصدر CdTe (هذا sublimates CdTe على الركيزة)؛
180 s في CdCl2 المصدر [ترسب CdCl2 ضروري لأداء جهاز CdTe جيدة (وقد ثبت أنه يُمرب حدود الحبوب والسندات المتدلية ويعزز نمو الحبوب والمحاذاة في امتصاص CdTe متعدد البلورات12،13،14،15،16)]؛
240 s في مصدر الصلب (وهذا يدفع CdCl2 في المواد امتصاص)؛ و
300 s في مصدر التبريد (وهذا يسمح للعينة لتبريد لتفريغ). - باستخدام شفرة حلاقة ، كتب مساحة صغيرة من المواد CdTe قبالة الركيزة وقياس سمك الفيلم CdTe باستخدام مقياس التنميط السطحي لتحديد معدل الترسيب17.
- بالنسبة لعينة الشاهد CdSeTe (لتحديد معدل ترسب CdSeTe؛ المطلوب فقط لتصنيع جهاز CdSeTe/CdTe)، استخدم:
140 s في مصدر التسخين المسبق (وهذا يرفع الزجاج إلى ~ 540 درجة مئوية بحيث سوف CdSeTe sublimate بشكل صحيح على الركيزة)؛
300 s في مصدر CdSeTe (هذا sublimates CdSeTe على الركيزة)؛ و
300 s في مصدر التبريد. - باستخدام شفرة حلاقة ، كتب مساحة صغيرة من المواد CdSeTe قبالة الركيزة وقياس سمك الفيلم CdSeTe باستخدام مقياس التنميط السطحي لتحديد معدل الترسيب17.
- للامتصاص واحد رقيقة (عينة CdTe)، واستخدام:
110 s في مصدر التسخين المسبق؛
xx s في مصدر CdTe [يعتمد وقت السُلَم على معدل ترسب CdTe والسماكة المطلوبة (لمستوعب CdTe واحد 1.5 ميكرومتر يستخدم هنا ، ووقت السُبل هو 60 s)]؛
150 s في مصدر CdCl2 [يعتمد علاج CdCl2 على سمك الامتصاص؛ لذلك، يجب إجراء التجارب لتحسين ظروف العلاج (يتم تحسين أوقات السكنت المذكورة للرقيقة، 1.5 ميكرومتر امتصاص18)]؛
240 s في مصدر الصلب; و
300 s في مصدر التبريد. - لامتصاص ثنائية رقيقة (CdSeTe / CdTe عينة) ، واستخدام :
140 s في مصدر التسخين المسبق؛
xx s في مصدر CdSeTe [مرة أخرى، يعتمد وقت السُلَم على معدل ترسب CdSeTe والسماكة المطلوبة (بالنسبة لطبقة CdSeTe 0.5 ميكرومتر المستخدمة هنا، يكون وقت السُبل 231 ثانية)]؛
xx s في مصدر CdTe [يعتمد وقت السُلَم على سمك CdTe المطلوب ومعدل الترسيب المحسوب من السماكة المقيسة لعينة الشاهد CdTe (لامتصاص CdSeTe/CdTe 1.5 ميكرومتر المستخدمة هنا، ووقت السُبل هو 50 s لطبقة CdTe 1.0 ميكرومتر)]؛
150 s في مصدر CdCl2؛
240 s في مصدر الصلب; و
300 s في مصدر التبريد. - عندما يقرأ ضغط قفل التحميل أقل من 40 mTorr في برنامج الكمبيوتر ، باستخدام البرنامج ، افتح صمام بوابة قفل التحميل وحدد "ابدأ". يقوم البرنامج تلقائيا بتشغيل الوصفة المختارة وسيعود إلى موقع المنزل عند الانتهاء من خطوة التبريد10.
- بعد اكتمال الترسيب الكامل فتح صمام تنفيس قفل الحمل، تنفيس إلى الغلاف الجوي، وفتح باب قفل الحمل للتبريد الركيزة النهائية. بعد ~ 60 ث، يجب أن تكون الركيزة باردة بما فيه الكفاية لإزالة من حامل العينة مع قطعة قماش خالية من الوبر.
- بمجرد إزالة العينة ، أغلق باب قفل التحميل ، وضخ قفل التحميل عن طريق تشغيل مفتاح الخشونة ، واتبع الخطوة 3.1.5 لتشغيل وصفة bakeoff. يجب تشغيل bakeoff بين كل ترسب عينة لتنظيف حامل العينة.
- يجب أن تحتوي العينة المعالجة على طبقة ضبابية بيضاء على الفيلم من علاج CdCl2. التقاط صورة للفيلم لملاحظة نمط الضباب. إذا كان هناك القليل من المواد المرئية أو معدومة من العلاج CdCl2، وهذا العلاج يحتاج على الأرجح الأمثل.
- شطف المواد الزائدة CdCl2 الخروج من الفيلم في كوب تخرج باستخدام ماء DI وتجفيف الفيلم مع الأرجون المضغوط.
تنبيه: يجب إجراء شطف CdCl2 هذا في حاوية تحتوي عليها. عند الانتهاء، تخلص منخليط مياه CdCl 2/DI في حاوية النفايات الخطرة المناسبة.
ملاحظة: بعد ترسب CSS، يمكن تخزين العينات لبعض الوقت، ولكن من المستحسن تخزينها في مجفف تحت فراغ لمدة لا تزيد عن أسبوع واحد للحصول على أفضل النتائج. يظهر مخطط لنظام ترسب CSS الآلي في السطر في الشكل 2.
4. قرب الفضاء معالجة النحاس التسامي
- بدء تشغيل نظام CSS
- تأكد من تشغيل المضخات الميكانيكية ومضخات الانتشار.
- افتح صمام الغاز المعالج واضبط مقبض التحكم في تدفق الغاز يدويًا حتى يتم عرض ضغط التشغيل 40 mTorr على مقياس الضغط.
- تعيين مصادر CSS يدويًا وتشغيلها باستخدام وحدات تحكم نسبية تكاملية مشتقة (PID). درجات حرارة المصدر العلوي المستخدمة في هذه التجربة هي 330 درجة مئوية لمصدر التسخين المسبق، و170 درجة مئوية لمصدر CuCl، و200 درجة مئوية لمصدر الصلب. درجات حرارة المصدر السفلي هي 330 درجة مئوية لمصدر التسخين المسبق، و 190 درجة مئوية لمصدر CuCl، و 200 درجة مئوية لمصدر الصلب.
- قم بالتبديل افتح صمام مضخة الانتشار وأغلق صمام بوابة قفل التحميل يدويًا.
- علاج CuCl على هياكل الامتصاص
- عندما تصل المصادر إلى درجة حرارة التشغيل ، يمكن تحميل العينة على حامل العينة:
- تخفيف مقبض الباب لباب قفل الحمل.
- تنفيس قفل الحمل مع ربع بدوره من صمام تنفيس النيتروجين UHP.
- افتح باب قفل التحميل واستخدم منفاخ هواء محمول لإزالة أي جزيئات غبار من العينة برفق. ضع جانب عينة الفيلم لأسفل على حامل العينة باستخدام زوج من ملاقط ذات رؤوس مطاطية ، مع الاحتفاظ بالعينة على الحافة لتجنب منطقة الترسيب.
- إغلاق صمام تنفيس وإغلاق وتشديد باب قفل الحمل.
- افتح مضخة قفل التحميل يدويًا واترك مضخة قفل التحميل أسفل ضغط الكروس أوفر (40 mTorr).
- عندما يتم الحصول على ضغط كروس، قم بإغلاق مضخة قفل الحمل يدويًا وافتح صمام بوابة قفل التحميل يدويًا.
- حرك ذراع النقل يدويًا إلى التسخين المسبق ، وCuCl ، والمواقف المنسية بالتتابع. يتم استخدام مؤقت لوقت السُبُل في كل موضع. بالنسبة للعينات الموصوفة ، فإن أوقات السكنت هي 75 s و 5 s و 250 s للحرارة المسبقة ، CuCl ، ومصادر الصلب ، على التوالي.
- بعد خطوة الصلب، وإحضار يدويا نقل الذراع مرة أخرى إلى موقف المنزل وإغلاق صمام بوابة قفل الحمل.
- اتبع الخطوة 4.2.1 لتبادل العينات.
ملاحظة: عند إلغاء تحميل عينة سابقة، فإنه لا يزال من المحتمل الساخنة. إزالة العينة مع زوج من ملاقط المطاط يميل والسماح لها باردة (الجانب الفيلم حتى) على كتلة معدنية. بعد العلاج Cu، يمكن تخزين العينات لبعض الوقت، ولكن من المستحسن أن يتم تخزينها في المجفف تحت فراغ لمدة لا تزيد عن 1 أسبوع للحصول على أفضل النتائج.
- عندما تصل المصادر إلى درجة حرارة التشغيل ، يمكن تحميل العينة على حامل العينة:
5. ترسب التبخر من التيتوريوم رقيقة
- قم بتشغيل المضخة الميكانيكية وصمام النبوة ومضخة الانتشار باستخدام مفاتيح على نظام المبخر. السماح للمضخة نشر للاحماء لمدة 20 دقيقة.
- تنفيس وفتح الغرفة عن طريق فتح صمام تنفيس النيتروجين ورفع غرفة المبخر. تحميل تي في قارب الموليبدينوم المغلفة بالألومينا. نقل غرفة المبخر مرة أخرى في مكانها بعد تحميل المواد.
- أدخل الإعدادات المناسبة لترسب Te من قارب الموليبدينوم المغلف بالألومينا في لوحة شاشة الكريستال الكوارتز (QCM) (الكثافة = 6.25 جرام/سم3 والمعاوقة الصوتية = 9.81 جم/سم2ث).
- افتح أعلى الغرفة للوصول إلى حامل العينة. استخدم منفاخ الهواء المحمول باليد لإزالة أي جزيئات غبار من العينة برفق. تحميل الجانب الفيلم عينة أسفل على حامل العينة وإغلاق أعلى الغرفة.
- نقل يدويا رافعة في موقف خشونة; وينبغي أن تبدأ كل من الخامل وقراءة ضغط الغرفة في الانخفاض. السماح للضغط على الانخفاض إلى أقل من 10 mTorr.
- أدر الصمام الأمامي مرة أخرى إلى موضع الانبولين. انتظر ~ 30 s لأي ارتفاع لحظة في الضغط الذي يتعين حله، ثم فتح صمام فراغ عالية. عندما يستند قارئ ضغط الغرفة ، تم الوصول إلى ضغط الترسيب المناسب 1.0 × 10-5 تور.
- قم بتشغيل مفتاح الطاقة، وافتح الغالق، وارفع عنصر التحكم الحالي لبدء الترسيب. نطاق التشغيل الحالي الأمثل هو 90-100 أمبير AC بحيث يكون معدل الترسيب ~ 5-10 Å / s. معدل الترسيب، المعروض على قراءة QCM، يمكن أن يتغير بسرعة. لذلك ، يجب تعديل التيار بشكل مستمر أثناء الترسيب للحفاظ على المعدل بين 5-10 Å /s.
- عندما يعرض QCM سمك Te المطلوب (40 نانومتر للعينات المستخدمة هنا) ، بسرعة وفي وقت واحد تحويل التيار إلى الصفر ، وإيقاف تشغيل مفتاح الطاقة ، وإغلاق الغالق.
- أغلق صمام التفريغ العالي، وافتح صمام تنفيس النيتروجين، وأزل العينة من حامل العينة. كرر الخطوات 5.4-5.8 للترسب على عينات إضافية.
ملاحظة: بعد ترسب Te، يمكن تخزين العينات لبعض الوقت، ولكن من المستحسن تخزينها في مجفف تحت فراغ لمدة لا تزيد عن أسبوع واحد للحصول على أفضل النتائج.
6. النيكل مرة أخرى تطبيق الاتصال
تنبيه: نظرًا للأبخرة الناتجة عن طلاء Ni وكيتون الميثيل إيثيل (MEK)، قم دائمًا بتشغيل مروحة علوية لتدوير الهواء أثناء هذه العملية.
- جبل العينات (جانب الفيلم التي تواجه إلى الأمام) على رف تصاعد عمودي.
- تأكد من أن بندقية ني قضيب نظيفة في جميع أنحاء. إذا لم يكن كذلك، نظيفة مع MEK.
- الاتصال الخلفي هو مزيج من الطلاء ني موصل وأرق بنسبة 2:1. قبل تطبيق الطلاء، قم بهز حل الاتصال الخلفي لضمان الاختلاط الكامل.
- صب حل الاتصال الخلفي ني في بندقية قضيب وبدوره على خرطوم ضاغط الهواء المرفقة. رش قطعة اختبار (أي من الورق المقوى) لضمان أن الطلاء ينطبق بشكل موحد. إذا كان موحدًا ، فضعي الاتصال الخلفي على العينات عن طريق رش المحلول عبر مجموعة العينة بحركة جانبية بطيئة. السماح للاتصال الخلفي لتجف قليلا وتطبيق عدة مرات كما هو مطلوب لتغطية كاملة (عادة، خمسة يمر يعمل بشكل جيد).
ملاحظة: يمكن حل Ni تجف وتسد بندقية قضيب; لذلك ، لتجنب عملية إزالة الانسداد أثناء تطبيق الاتصال الخلفي ، من المهم الانتظار ما لا يزيد عن 60 ث بين مجموعات الرش. - إيقاف ضاغط الهواء والسماح للاتصال الخلفي لتجف على العينات لمدة ساعة واحدة على الأقل.
7- التحديد إلى 25 جهازاً صغيراً
ملاحظة: لإنهاء بنية الفيلم الرقيقة إلى أجهزة قادرة على الاتصال كهربائياً، يجب أن يتم تعيين مكدس الفيلم إلى أجهزة منطقة صغيرة مثل أن الاتصال الأمامي TCO والاتصال الخلفي Ni يمكن الوصول إليها كهربائياً. ويتم ذلك باستخدام قناع معدني مع إزالة الميكانيكية من أشباه الموصلات.
- ضع عينة في القناع المعدني.
- ضع العينة الملثمين في صندوق القفازات واستخدام خرطوم سيفون ، وتطبيق الزجاج ، والوسائط المنبهة على الأجزاء غير المقنعة من العينة. يتم تحقيق إزالة المواد المناسبة عندما تصبح نوافذ القناع شفافة تقريبًا.
- كرر هذه العملية مع القناع الثاني بحيث عند الانتهاء من ترسيم، 25 جهاز مربع منطقة صغيرة تظهر في نمط 5 × 5 على العينة. المناطق المكتملة هي ~ 0.6 سم2.
- تنظيف الجانب الفيلم من العينات مع قضيب القطن يميل انخفض في المياه DI.
- لتقليل المقاومة الجانبية في القياسات الكهربائية للأجهزة النهائية، قم بلحام نمط شبكة بين الأجهزة مع لحام الإنديوم.
ملاحظة: يتم إعطاء هياكل الجهاز المكتملة في الشكل 1A والشكل 1B لأجهزة امتصاص CdTe و CdSeTe/CdTe، على التوالي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
إضافة CdSeTe إلى امتصاص CdTe رقيقة يحسن كفاءة الجهاز من خلال جودة المواد امتصاص متفوقة وارتفاع كثافة التيار الدائرة القصيرة (JSC). الشكل 3A والشكل 3B، (مقتبس من Bothwell وآخرون8)تظهر PL وTRPL ، على التوالي ، لامتصاص CdTe واحد وCdSeTe / CdTe ثنائي الطبقات امتصاص الأجهزة. كل من القياسات PL وTRPL تظهر بوضوح تحسين الإضاءة الضوئية مع امتصاص CdSeTe / CdTe ثنائي الطبقة. تتحسن كثافة PL بعامل ستة ، وعمر ذيل TRPL ، الذي يتناسب مع أسي واحد للجزء البطيء من الاضمحلال ، هو 12.6 ± 0.1 ns لهيكل ثنائي الطبقات (مقارنة بـ 1.6 ± 0.02 ns لبنية الطبقة الأحادية) ، مما يشير إلى جودة مادة CdSeTe أفضل. كما يتحقق قياس PL من الدمج الناجح لطبقة CdSeTe. إن التحول في كثافة PL القصوى ، والذي يتوافق مع فجوة نطاق الامتصاص ، من 1.50 إلى 1.42 eV ، يؤكد أن مادة CdSeTe فجوة النطاق السفلي تعمل في طبقة الامتصاص.
ويتضح أعلى JSC في امتصاص ثنائية من خلال الكثافة الحالية الجهد (J-V) وكفاءة الكم (QE) القياسات، كما هو مبين في الشكل 4 والشكل 5، على التوالي. ويتوافق التحول في منحنيات J-V الخفيفة على طول محور الكثافة الحالية الموضحة في الشكل 4 مع تغيير في JSC من 24.0 mA/cm2 إلى 25.5 mA/cm2 لأجهزة CdTe و CdSeTe/CdTe الأفضل أداءً على التوالي.
تظهر قياسات QE لأجهزة CdTe و CdSeTe/CdTe(الشكل 5A والشكل 5B، على التوالي) تحويل الفوتون الإضافي لجهاز ثنائي الطبقة في نطاق الطول الموجي الطويل وتؤيد الزيادة في JSC لهذا الجهاز. JSC القيم، التي تحددها دمج بيانات التيسير الكمي على مدى الطول الموجي19 هي 24.6 mA/cm2 لجهاز CdTe و 25.9 mA/cm2 لجهاز CdSeTe/CdTe. باستخدام بيانات الإرسال البصري التي تقاس على فيلم CdSeTe 0.5 ميكرومتر ، يتم فصل بيانات QE لجهاز bilayer إلى التيار الذي تم جمعه في طبقات CdSeTe و CdTe8. وهذا يسلط الضوء على الدور المهيمن الذي يلعبه CdSeTe في الاستيعاب. الكثافة الحالية التي تم جمعها في طبقة CdSeTe هي 22.9 mA/cm2 مقارنة بـ 3.0 mA/cm2 في طبقة CdTe ، بحيث تمثل CdSeTe ~ 90٪ من المجموعة الحالية في امتصاص الطبقة ثنائية الطبقة.
تعتمد فعالية ممتص ثنائي الطبقة على التحسين من عملية التصنيع. توضح بيانات J-V المضيئة في الشكل 6 أهمية تحسين نسبة سمك CdSeTe:CdTe: تظهر البيانات خللًا كبيرًا في جهاز CdSeTe غير الأمثل 1.25 ميكرومتر/0.25 ميكرومتر. ويحدث هذا الخلل، الذي يرجح أن يكون راجعاً بسبب آثار الحاجز، انخفاضاً ملحوظاً في كفاءة الجهاز إلى 11.0%. يعد التخميل الأمثل لـ CdCl2 أمرًا حيويًا أيضًا لأداء الجهاز الجيد. أجهزة CdTe رقيقة تثبت الاعتماد الحساس على CDCl2 وقت الترسيب18، ومع عدم وجود تخميل CdCl2 ، يمكن أن تنخفض كفاءة الجهاز إلى ~ 2٪11. على الرغم من أن المؤلفين قد وجدت CdCl2 التخميل ونسبة سمك CdSeTe:CdTe لتكون من بين شروط العملية الأكثر أهمية ، والتحسين لجميع مراحل التصنيع والمعلمات أمر ضروري.
الشكل 1: هيكل الجهاز من الأجهزة الضوئية المستندة إلى CdTe المكتملة. (أ)تم استخدام بنية جهاز امتصاص CdTe 1.5 ميكرومتر كمرجع للمقارنة مع بنية ثنائية الطبقات. (B)تم تصنيع 0.5 ميكرومتر CdSeTe/1.0 ميكرومتر بنية جهاز CdTe لتحسين الكفاءة الكهروضوئية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: نظام آلي لترسب التسامي في الفراغ في الخط. هو مبين هو تخطيطي 2D توفير تفاصيل التكوين من حامل العينة ، قفل الحمل ، الضميمة فراغ ، والمصادر الفردية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: مقارنة ضوئية من أجهزة CdTe و CdSeTe / CdTe. (أ)ذروة PL كثافة يزيد 6 أضعاف مع دمج CdSeTe، ويتحول موقف الذروة إلى فجوة نطاق أقل، مما يدل على إدماج ناجحة من CdSeTe. (B)TRPL الذيل العمر، تناسب مع أسي واحد إلى الجزء البطيء من الاضمحلال، هو أطول بشكل ملحوظ لجهاز CdSeTe / CdTe من جهاز CdTe، مما يشير إلى خصائص أفضل المواد من طبقة CdSeTe. أعيد طبع هذا الرقم من Bothwellوآخرون. 8الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: مقارنة J-V لأجهزة CdTe و CdSeTe/CdTe. تظهر بيانات J-V تحت الإضاءة زيادة في JSC، تقاس عند نقطة الجهد الصفري ، من 24.0 mA /cm2 إلى 25.5 mA /cm2 لأجهزة CdTe و CdSeTe /CdTe ، على التوالي. كما يتم عرض بيانات J-V الداكنة للمقارنة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: مقارنة التيسير الكمي لأجهزة CdTe و CdSeTe/CdTe. تظهر بيانات التيسير الكمي(A)لجهاز CdTe وجهاز (B) CdSeTe/CdTe زيادة في JSC من 24.6 mA/cm2 إلى 25.9 mA/cm2، كما هو محدد من خلال دمج بيانات التيسير الكمي على نطاق الطول الموجي. استُخدمت قياسات الإرسال على فيلم CdSeTe 0.5 ميكرومتر لفصل إشارة التيسير الكمي في (B) إلى الحالية التي تم جمعها في طبقات CdTe وCdSeTe: تشكل طبقة CdSeTe ~ 90٪ من المجموعة الحالية في جهاز طبقة ثنائية 1.5 ميكرومتر. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: مقارنة J-V بين أجهزة CdSeTe/CdTe المحسنة وغير المحسنة. J-V البيانات تحت الإضاءة من جهاز CdSeTe / CdTe مع نسبة سمك CdSeTe غير الأمثل: CdTe تظهر خلل في منحنى والحد من كفاءة الجهاز، مما يؤكد على أهمية تحسين نسبة سمك CdSeTe:CdTe. كما يتم عرض بيانات J-V الداكنة للمقارنة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
رقيقة ثنائي المستوى CdSeTe / CdTe الأجهزة الضوئية تظهر تحسينات في الكفاءة بالمقارنة مع نظرائهم CdTe بسبب تحسين نوعية المواد وزيادة جمع الحالية. وقد ثبت مثل هذه الكفاءات المعززة في امتصاص ثنائية الطبقات أكبر من 3 ميكرومتر5،7، والآن مع ظروف التصنيع الأمثل ، وقد ثبت أن زيادة الكفاءة يمكن تحقيقها أيضًا لامتصاص اتّصال اتّصال يُحفّز 1.5 ميكرومتر.
إن عملية التصنيع الأمثل لامتصاص الشرائح ثنائية الطبقات الرقيقة متجذرة في ثلاثة تعديلات رئيسية: درجة حرارة التسخين الركيزة، ونسبة سمك CdSeTe: CdSeTe، وتخميل CdCl2. للتسامي CdSeTe السليم، وينبغي أن تكون درجة حرارة التسخين المسبق للركيزة ~ 540 درجة مئوية مقارنة ~ 480 درجة مئوية للتسامي CdTe، الذي يتحقق عن طريق تغيير وقت الركيزة يسكن في مصدر التسخين المسبق. لمنع حواجز الاتصال في الجهاز مع الحفاظ على الجهد دائرة مفتوحة جيدة (VOC)،ووجد أن 0.5 ميكرومتر CdSeTe/1.0 μm CdTe هو النسبة المثلى في الأجهزة ثنائية الطبقات رقيقة، كما هو موضح في الشكل 6. CdCl2 علاج امتصاص ثنائية الطبقة، ضرورية لتخميل حدود الحبوب وتعزيز نمو الحبوب والمحاذاة12،13،14،15،16،يمكن أن تكون حساسة بشكل خاص في امتصاص رقيقة18. وتقرر أن أقل بكثير من العلاج CdCl2 العدوانية، التي تنطوي على كل من درجات حرارة المصدر وأوقات السُبل، كانت هناك حاجة إلى تخميل امتصاص ثنائية الطبقة رقيقة18 بشكل صحيح مقارنة مع امتصاص ثنائية الطبقة سميكة5.
يوفر نظام فراغ CSS الآلي في الخط وعملية تصنيع متعددة الطبقات ومتعددة الخطوات فرصة لإجراء تعديلات في جميع أنحاء بنية الجهاز. طبقة CdSeTe ، التسامي المودعة من مصدر CdSe20Te80 في هذه الدراسة ، يمكن أيضًا إيداعها عن طريق التسامي المشترك من مصادر CdSe و CdTe. وقد أجريت بعض الأعمال الأولية في جامعة ولاية كولورادو التي تنطوي على التسامي المشارك ترسب CdSeTe مع نجاح محدود20. يمكن أيضًا تعديل واجهة CdSeTe/CdTe من خلال التحكم في الانتشار البيني لطبقات CdSeTe و CdTe.
لا يوجد انتشار هادف في الأجهزة ثنائية الطبقات الرقيقة المعروضة. ومع ذلك ، يتم تعزيز الانتشار البيني للطبقات في طبقات أكثر سمكًا ويتم تحقيقه عن طريق زيادة الوقت الصلب بعد ترسب CdCl2 لعملية interdiffusion مدفوعة حراريًا5. التحكم في مدى الانتشار البيني يسمح لبعض هندسة فجوة النطاق من امتصاص ثنائية الطبقة ويمكن استخدامها لضبط ملامح امتصاص الفوتون وجمع الحالية في الأجهزة المكتملة. dopants مختلفة، مثل مجموعة-V dopants6،21،22،ويمكن أيضا أن تدرج لتحل محل dopant Cu المستخدمة تاريخيا. مجموعة V المنشطات يقدم أعلى مستويات المنشطات امتصاص قابلة للتحقيق من 1.0E17 سم-3, يدل على الاستقرار على المدى الطويل6, ويمكن دمجها بسلاسة في عملية ترسيب المغلق باستخدام المواد المصدر المنشطات للتسامي (يجري حاليا استكشافها من قبل الزملاء في جامعة ولاية كولورادو)23,24. يمكن أيضًا تعديل طبقات إضافية في بنية الفيرفية بطرق كبيرة أو صغيرة إذا رغبت في ذلك. وتشمل الخيارات إزالة المواد كاملة أو استبدالها، أو تغييرات طريقة التصنيع، أو الاختلافات في ظروف الترسيب أو علاجات الترسب بعد الترسب.
خاصية واحدة ثنائية الطبقة التي تجعل امتصاص CdSeTe / CdTe مواتية مقارنة مع امتصاص CdTe أيضا بمثابة قيد. أقل، 1.42 eV فجوة النطاق من امتصاصثنائية مقابل . الفجوة 1.50 eV الفرقة من امتصاص CdTe أحادية الطبقة يزيد جمع الفوتون لتعزيز JSC، ولكن الفجوة الفرقة السفلى يحد أيضا بطبيعتها الحد الأقصى لتحقيق الجهد الدائرة المفتوحة (VOC)، وبالتالي الحد من كفاءة الجهاز. للتخفيف من هذا القيد ، فإن الخطوة التالية في تحسين بنية جهاز CdSeTe / CdTe رقيقة هي دمج مادة فجوة نطاق أعلى في الجزء الخلفي من الجهاز لزيادة VOC.
وقد أظهرت النمذجة أن إدراج رقيقة، ~ 100 نانومتر، 1.8 eV المواد بعد طبقة CdTe سوف تخلق حاجز الفرقة التوصيل في الجزء الخلفي والحد من إعادة تركيب السطح الخلفي عن طريق عكس الإلكترونات الضوئية والإلكترونات الحالية إلى الأمام بعيدا عن سطح الظهر المعرضة recombination-25،26. يتطلب هذا الهيكل "عاكس الإلكترون" امتصاص ًا مستنفدًا تمامًا بحيث يقتصر سمك الامتصاص على أقل من 2 ميكرومتر25، مما يجعل ممتص ًا رقيقًا ثنائي الطبقة مناسبًا تمامًا لهذا التكوين. الكادميوم المغنيسيوم telluride (CdMgTe) ، وهو فجوة عالية CdTe سبيكة المواد ، هو مرشح مثالي لهذه الطبقة بسبب الفجوة الفرقة tunable وإدماج مباشر في عملية تصنيع الجهاز الحالي عن طريق التسامي المشترك أو ترسب sputter.
زيادة كفاءة الجهاز من خلال تعزيز الجمع الحالي وخصائص photoluminescent من أجهزة CdSeTe / CdTe ثنائية الطبقات رقيقة كبيرة لوقت التصنيع وخفض التكلفة ، والتحسينات المستقبلية لهيكل الجهاز وVOC. نظام المكنسة الكهربائية الآلي في خط CSS المستخدمة لترسب امتصاص وتخميل في هذه الدراسة جدير بالذكر لسرعة ترسبه. يمكن أن تستغرق طرق التصنيع الأخرى مثل التبخّر وترسب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD) أكثر من خمسة عشر مرة طالما لنفس الترسب27،28.
كما يوفر CSS المضمن خيارات قابلية التوسع. يمكن تنفيذ عمليات التصنيع المستخدمة لجعل أجهزة البحث في المنطقة الصغيرة المعروضة في عمليات أكبر نطاقًا لتصنيع الوحدة الكهروضوئية بأقل خسارة في معلمات التصنيع. هيكل CdSeTe / CdTe ثنائي الطبقات المعروضة في هذا العمل يحمل أيضا أهمية مع نجاحها باستخدام امتصاص رقيقة جدا. على وجه التحديد، كفاءة الجهاز تقترب من 16٪ مع امتصاص ثنائي الطبقة 1.5 ميكرومتر فقط يدل على فائدة CdSeTe إلى CdTe حتى في امتصاص رقيقة جدا. طبقات امتصاص رقيقة مثل هذه توفر المزيد من الوقت تصنيع وتوفير المواد، وفرصة لاستكشاف هيكل عاكس الإلكترون لتقليل العجز الجهد الحالي في أجهزة CdSeTe / CdTe.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
ويود المؤلفون أن يشكروا البروفيسور و. س. سامباث على استخدام أنظمة ترسبه، وكيفان كاميرون لدعم النظام، والدكتور أميت مونشي لعمله مع خلايا ثنائية الطبقات أكثر سمكا ولقطات تكميلية لنظام ترسب فراغ CSS الآلي في الخط، ود. داريوس Kuciauskas للمساعدة في قياسات TRPL. وتستند هذه المواد إلى العمل الذي يدعمه مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة التابع لوزارة الطاقة الأميركية بموجب اتفاقية مكتب تكنولوجيات الطاقة الشمسية (SETO) رقم DE-EE0007543.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Alpha Step Surface Profilometer | Tencor Instruments | 10-00020 | Instrument for measuring film thickness |
| CdCl2 Material | 5N Plus | N/A | Material for absorber passivation treatment |
| CdSeTe Semiconductor Material | 5N Plus | N/A | P-type semiconductor material for absorber layer |
| CdTe Semiconductor Material | 5N Plus | N/A | P-type semiconductor material for absorber layer |
| CESAR RF Power Generator | Advanced Energy | 61300050 | Power generator for MgZnO sputter deposition |
| CuCl Material | Sigma Aldrich | N/A | Material for absorber doping |
| Delineation Material | Kramer Industries Inc. | Melamine Type 3 60-80 mesh | Plastic beading material for film delineation |
| Glovebox Enclosure | Vaniman Manufacturing Co. | Problast 3 | Glovebox enclosure for film delineation |
| Gold Crystal | Kurt J. Lesker Company | KJLCRYSTAL6-G10 | Crystal for Te evaporation thickness monitor |
| HVLP and Standard Gravity Feed Spray Gun Kit | Husky | HDK00600SG | Applicator spray gun for Ni paint back contact application |
| MgZnO Sputter Target | Plasmaterials, Inc. | PLA285287489 | N-type emitter layer material |
| Micro 90 Glass Cleaning Solution | Cole-Parmer | EW-18100-05 | Solution for initial glass cleaning |
| NSG Tec10 Substrates | Pilkington | N/A | Transparent-conducting oxide glass for front electrical contact |
| Super Shield Ni Conductive Coating | MG Chemicals | 841AR-3.78L | Conductive paint for back contact layer |
| Te Material | Sigma Aldrich | MKBZ5843V | Material for back contact layer |
| Thickness Monitor | R.D. Mathis Company | TM-100 | Instrument for programming and monitoring Te evaporation conditions |
| Thinner 1 | MG Chemicals | 4351-1L | Paint thinner to mix with Ni for back contact layer |
| Ultrasonic Cleaner 1 | L & R Electronics | Q28OH | Ultrasonic cleaner 1 for glass cleaning |
| Ultrasonic Cleaner 2 | Ultrasonic Clean | 100S | Ultrasonic cleaner 2 for glass cleaning |
| UV/VIS Lambda 2 Spectrometer | PerkinElmer | 166351 | Spectrometer used for transmission measurements on CdSeTe films |
References
- 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).
- Morton, O. Solar energy: A new day dawning?: Silicon valley sunrise. Nature. 443 (7107), 19-22 (2006).
- Best research-cell efficiency chart. , Available from: https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html (2019).
- First Solar. First Solar sustainability report. , Available from: http://www.firstsolar.com/-/media/First-Solar/Sustainability-Documents/FirstSolar_SustainabilityReport_Web_2018.ashx (2018).
- 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).
- 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).
- Hsiao, K. J. Electroplated CdTe solar technology at Reel Solar. Proceedings of 46thIEEE PVSC. , Chicago, IL. (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Metzger, W. K., et al. Time-resolved photoluminescence studies of CdTe solar cells. Journal of Applied Physics. 94 (5), 3549-3555 (2003).
- 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).
- 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).
- Tencor Instruments. Alpha-Step 100 User's Manual. , Tencor Instruments. Mountain View, CA. (1984).
- 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).
- 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).
- 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).
- McCandless, B. E., et al. Overcoming Carrier Concentration Limits in Polycrystalline CdTe Thin Films with In Situ Doping. Scientific Reports. 8, 14519 (2018).
- 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).
- 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).
- Danielson, A. Doping CdTe Absorber Cells using Group V Elements. Proceedings of WCPEC-7. , Waikoloa, HI. (2018).
- Hsiao, K. J. Electron Reflector Strategy for CdTe Thin film Solar Cells. , Colorado State University. Doctoral dissertation (2010).
- 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).
- 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).
- Sudharsanan, R., Rohatgi, A. Investigation of metalorganic chemical vapor deposition grown CdTe/CdS solar cells. Solar Cells. 31 (2), 143-150 (1991).
