Summary
Diese Arbeit beschreibt den kompletten Herstellungsprozess von dünnabsorbierten Cadmiumselselentellurid/Cadmiumtellurid-Photovoltaikgeräten für eine höhere Effizienz. Das Verfahren nutzt ein automatisiertes Inline-Vakuumsystem zur Nahraumsublimationsablagerung, das skalierbar ist, von der Fertigung von kleinräumigen Forschungsgeräten bis hin zu großflächigen Modulen.
Abstract
Entwicklungen in Photovoltaik-Anlagenarchitekturen sind notwendig, um Solarenergie inmitten des wachsenden globalen Energiebedarfs und des Klimawandels zu einer kostengünstigen und zuverlässigen Quelle erneuerbarer Energie zu machen. Die Dünnschicht-CdTe-Technologie hat kosten-wettbewerbsfähige und steigernde Effizienzen gezeigt, die teilweise auf schnelle Fertigungszeiten, minimalen Materialverbrauch und die Einführung einer CdSeTe-Legierung in eine Absorberschicht von 3 m zurückzuführen sind. Diese Arbeit stellt die Nahraumsublimationsfertigung von dünnen, 1,5 m CdSeTe/CdTe Bilayer-Geräten mit einem automatisierten Inline-Vakuumabscheidungssystem vor. Die dünne Zweischichtstruktur und Fertigungstechnik minimieren die Abscheidungszeit, erhöhen die Geräteeffizienz und erleichtern die zukünftige Entwicklung von Thin Absorber-basierten Gerätearchitekturen. Drei Fertigungsparameter scheinen die wirkungsvollsten für die Optimierung dünner CdSeTe/CdTe-Absorbergeräte zu sein: Substrat-Vorwärmtemperatur, CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnis und CdCl 2-Passivierung. Für eine ordnungsgemäße Sublimation des CdSeTe muss die Substrattemperatur vor der Abscheidung 540 °C (höher als bei CdTe) betragen, wie sie durch die Verweilzeit in einer Vorwärmquelle gesteuert wird. Die Variation des Dickenverhältnisses CdSeTe:CdTe zeigt eine starke Abhängigkeit der Geräteleistung von diesem Verhältnis. Die optimalen Absorberdicken sind 0,5 'm CdSeTe/1,0 'm CdTe, und nicht optimierte Dickenverhältnisse reduzieren die Effizienz durch Rückbarriereeffekte. Dünne Absorber reagieren empfindlich auf CdCl2 PassivierungVariation; eine viel weniger aggressive CdCl2-Behandlung (im Vergleich zu dickeren Absorbern) in Bezug auf Temperatur und Zeit ergibt eine optimale Geräteleistung. Mit optimierten Fertigungsbedingungen erhöht CdSeTe/CdTe die Kurzschlussstromdichte und Photolumineszenzintensität des Geräts im Vergleich zu CdTe mit Nurabsorber. Darüber hinaus bietet ein Inline-Nahraum-Sublimationsvakuumabscheidungssystem Material- und Zeitreduzierung, Skalierbarkeit und Erreichbarkeit zukünftiger ultradünner Absorberarchitekturen.
Introduction
Der weltweite Energiebedarf beschleunigt sich schnell, und das Jahr 2018 zeigte das schnellste( 2,3%) Wachstumsrate in den letzten zehn Jahren1. Gepaart mit dem zunehmenden Bewusstsein für die Auswirkungen des Klimawandels und der Verbrennung fossiler Brennstoffe ist die Notwendigkeit kostenwettbewerbsfähiger, sauberer und erneuerbarer Energien überdeutlich geworden. Von den vielen erneuerbaren Energiequellen zeichnet sich die Solarenergie durch ihr Gesamtpotenzial aus, da die Menge an Sonnenenergie, die die Erde erreicht, den globalen Energieverbrauch bei weitem übersteigt2.
Photovoltaik-Geräte (PV) wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um und sind vielseitig in der Skalierbarkeit (z. B. persönliche Minimodule und netzintegrierte Solar-Arrays) und Materialtechnologien. Technologien wie Solarzellen mit mehreren und einem einzigen Knoten, einkristallklares Galliumarsenid (GaAs), haben Effizienzvon-Äh0 von 39,2 % bzw. 35,5 % bzw.3% . Die Herstellung dieser hocheffizienten Solarzellen ist jedoch kostspielig und zeitaufwändig. Polykristallines Cadmiumtellurid (CdTe) als Material für Dünnschicht-PVs ist vorteilhaft für seine kostengünstige, hochdurchsatzige Fertigung, Vielfalt der Abscheidungstechniken und günstigen Absorptionskoeffizienten. Diese Eigenschaften machen CdTe für die Großserienfertigung günstig, und Effizienzsteigerungen haben CdTe mit PV-marktbeherrschenden Silizium und fossilen Brennstoffen kostengünstig gemacht4.
Eine jüngste Weiterentwicklung, die die Steigerung der CdTe-Geräteeffizienz angetrieben hat, ist die Einbindung von Cadmiumseltellurid (CdSeTe) Legierungsmaterial in die Absorberschicht. Durch die Integration des unteren cdSeTe-Bandspalts in einen 1,5 eV-CdTe-Absorber wird der Vorderbandspalt des Bilayer-Absorbers reduziert. Dies erhöht den Photonenanteil über der Bandlücke und verbessert so die aktuelle Sammlung. Die erfolgreiche Einbindung von CdSeTe in Absorber, die 3 m oder dicker für eine erhöhte Stromdichte sind, wurde mit verschiedenen Fertigungstechniken (d.h. Nahraumsublimation, Dampftransportabscheidung und Galvanik)5,6,7demonstriert. Erhöhte Raumtemperatur Photolumineszenz-Emissionsspektroskopie (PL), zeitaufgelöste Photolumineszenz (TRPL) und Elektrolumineszenzsignale von Bilayer-Absorber-Geräten5,8 deuten darauf hin, dass neben der erhöhten Stromaufnahme der CdSeTe eine bessere Strahlungseffizienz und Minderheitstragelebensdauer zu haben scheint und ein CdSeTe/CdTe-Gerät eine größere Spannung im Vergleich zum Ideal als nur bei CdTe hat. Dies wurde weitgehend auf die Selenpassivierung von Schüttgutdefekten9zurückgeführt.
Wenig Forschung wurde über die Einbeziehung von CdSeTe in dünnere (ca. 1,5 m) CdTe-Absorber berichtet. Wir haben daher die Eigenschaften dünner, 0,5 'm CdSeTe/1,0'm CdTe Bilayer-Absorbergeräte untersucht, die durch Nahraumsublimation (CSS) hergestellt werden, um festzustellen, ob die Vorteile, die in dicken Bilayer-Absorbern zu beobachten sind, auch mit dünnen Doppelschichtabsorbern erreichbar sind. Solche CdSeTe/CdTe Absorber, die mehr als doppelt so dünn sind wie ihre dickeren Pendants, bieten eine deutliche Verringerung der Abscheidungszeit und des Materials und niedrigere Herstellungskosten. Schließlich haben sie Potenzial für zukünftige Entwicklungen in der Gerätearchitektur, die Absorberdicken von weniger als 2 m erfordern.
Die CSS-Abscheidung von Absorbern in einem einzigen automatisierten Inline-Vakuumsystem bietet viele Vorteile gegenüber anderen Fertigungsmethoden10,11. Schnellere Abscheidungsraten mit CSS-Fertigung steigern den Gerätedurchsatz und fördern größere experimentelle Datensätze. Darüber hinaus begrenzt die einzelvakuumumgebung des CSS-Systems in dieser Arbeit potenzielle Herausforderungen mit Absorberschnittstellen. Dünnschicht-PV-Geräte verfügen über viele Schnittstellen, von denen jede als Rekombinationszentrum für Elektronen und Löcher fungieren kann, wodurch die Gesamteffizienz des Geräts reduziert wird. Die Verwendung eines einzigen Vakuumsystems für die CdSeTe-, CdTe-und Cadmiumchlorid-Ablagerungen (notwendig für eine gute Absorberqualität12,13,14,15,16) kann eine bessere Schnittstelle erzeugen und Grenzflächendefekte reduzieren.
Das an der Colorado State University10 entwickelte automatisierte Inline-Vakuumsystem ist auch in seiner Skalierbarkeit und Wiederholbarkeit von Vorteil. Beispielsweise sind Abscheidungsparameter vom Benutzer festgelegt, und der Abscheidungsprozess wird so automatisiert, dass der Benutzer während der Absorberherstellung keine Anpassungen vornehmen muss. Obwohl in diesem System kleine Forschungsgeräte für kleine Flächen hergestellt werden, kann das Systemdesign für größere Flächenablagerungen skaliert werden, was eine Verbindung zwischen Experimenten im Forschungsmaßstab und der Implementierung von Modulen ermöglicht.
Dieses Protokoll stellt die Herstellungsverfahren vor, mit der 0,5-mm-CdSeTe/1,0-m CdTe-Dünnschicht-PV-Geräte hergestellt werden. Zum Vergleich: Es wird ein Satz von 1,5 'm CdTe-Geräten hergestellt. Ein- und Zweischichtabsorberstrukturen haben in allen Prozessschritten nominell identische Abscheidungsbedingungen, mit Ausnahme der CdSeTe-Abscheidung. Um zu charakterisieren, ob dünne CdSeTe/CdTe-Absorber die gleichen Vorteile behalten, die durch ihre dickeren Gegenstücke, Stromdichte-Spannung (J-V), Quanteneffizienz (QE) und PL-Messungen gezeigt werden, an den dünnen Einzel- und Zweischichtabsorbergeräten durchgeführt werden. Eine Erhöhung der Kurzschlussstromdichte (JSC), gemessen durch J-V und QE, zusätzlich zu einer Erhöhung des PL-Signals für den CdSeTe/CdTe vs. CdTe-Gerät, zeigen Sie an, dass dünne CdSeTe/CdTe-Geräte, die von CSS hergestellt werden, eine deutliche Verbesserung der aktuellen Sammlung, Materialqualität und Geräteeffizienz aufweisen.
Obwohl sich diese Arbeit auf die Vorteile konzentriert, die mit der Integration einer CdSeTe-Legierung in eine CdTe PV-Gerätestruktur verbunden sind, wird der gesamte Herstellungsprozess für CdTe- und CdSeTe/CdTe-Geräte anschließend vollständig beschrieben. Abbildung 1A,B zeigt abgeschlossene Gerätestrukturen für CdTe- bzw. CdSeTe/CdTe-Geräte, bestehend aus einem transparenten leitenden Oxid (TCO)-beschichteten Glassubstrat, einem n-Typ Magnesium Zinkoxid (MgZnO)-Emitterschicht, p-Typ CdTe oder CdSeTe/CdTe Absorber mit CdCl2-Behandlung und Kupfer-Doping-Behandlung, dünner Te-Schicht und Nickel-Rückenkontakt. Mit Ausnahme der CSS-Absorberabscheidung sind die Fertigungsbedingungen zwischen der ein- und der zweischichtigen Struktur identisch. Sofern nicht anders angegeben, wird daher jeder Schritt sowohl auf CdTe- als auch auf CdSeTe/CdTe-Strukturen ausgeführt.
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Protocol
VORSICHT: Beim Umgang mit Substraten müssen Handschuhe getragen werden, um Filmkontaminationen und Hautkontakt zu verhindern. Dieser Herstellungsprozess erfordert den Umgang mit Strukturen, die Cadmiumverbindungen enthalten; Daher sollten ein Labormantel und Handschuhe jederzeit im Labor getragen werden.
1. Substratreinigung
- TCO-beschichtete Glassubstrate (9,1 cm x 7,8 cm) in ein Edelstahlgestell mit ausreichendem Abstand geben, so dass Reinigungslösung und Druckluft auf jede Glasfläche aufgebracht werden können.
- Blasen Sie Staub von den Substraten mit einem Stickstoff-Druckluftschlauch.
- Legen Sie das Rack in einen Ultraschallreiniger (UC1) und füllen Sie es mit Isopropylalkohol (IPA). Lassen Sie 30 min sitzen, um Restöl und Verunreinigungen aus dem industriellen Glasschneidverfahren zu entfernen.
- Entleeren Sie den IPA von UC1. Der IPA kann bis zu 5x für die Erstreinigung von Substraten wiederverwendet werden.
- Spülen Sie die Substrate mit entionisiertem (DI) Wasser, dann füllen Sie UC1 mit DI-Wasser ca. 1 cm über dem oberen Rand der Substrate. Fügen Sie 200 ml konzentrierte Reinigungslösung gleichmäßig über die Substrate hinzu, um Restöl, Fett, Partikel oder Hartwasserflecken weiter zu entfernen.
- Schalten Sie mit der Hauptleistung die Ultraschallfrequenz UC1 bis 43 kHz und die 425-W-Leistung ein und lassen die Substrate 1 h sitzen.
- Spülen Sie einen zweiten, größeren Ultraschallreiniger (UC2) mit DI-Wasser und füllen Sie drei Viertel ihres Volumens mit DI-Wasser.
- Schalten Sie UC1 aus und entfernen Sie das Edelstahlgestell. Sofort beginnen, Substrate mit DI-Wasser über ein Waschbecken zu spülen.
HINWEIS: Lassen Sie die Substrate in diesem Stadium nicht trocknen. - Übertragen Sie das Edelstahl-Rack auf UC2 und füllen Sie es vollständig mit DI-Wasser, so dass die Substrate vollständig abgedeckt sind. Schalten Sie DIE Ultraschallfrequenz UC2 auf 40 kHz und die 600-W-Leistung ein und lassen Sie die Substrate 30 min sitzen.
- Bereiten Sie den hausgemachten IPA-Dampftrockner vor.
- Um sicherzustellen, dass das Ventil geschlossen ist, schließen Sie einen Gasschlauch an DenStickstoff mit extrem hoher Reinheit (UHP). Öffnen Sie den Stickstofftank und stellen Sie den Regler auf 10 psi ein. Öffnen Sie das Ventil auf Stickstofffluss und stellen Sie sich auf 100 PSIG auf dem angeschlossenen Durchflussmesser ein, und schließen Sie das Ventil dann wieder.
- Füllen Sie einen Kolben mit 150 ml frischem IPA und korken Sie den Kolben fest. Der Kork versiegelt die Kolbenöffnung fest und ermöglicht Stickstoff und IPA, zwei kleine Metallrohrsysteme zu durchlaufen, die in den Kork eingebettet sind. Diese verbinden sich mit einem kleinen Metallrohrsystem mit feinen Löchern, das über UC2 sitzt, so dass Stickstoff/IPA-Dampf auf den Substraten einfällt.
- Wenn der UC2-Spülzyklus abgeschlossen ist, schalten Sie die Hitze und UC2 aus.
- Öffnen Sie das Dampftrocknerventil zum Stickstoff und IPA und öffnen Sie das Ablassventil am UC2 so, dass das DI-Wasser sehr langsam herauskommt.
HINWEIS: Das DI-Wasser muss sehr langsam abgelassen werden. Dieser Prozess ersetzt das DI-Wasser durch Stickstoff/IPA-Dampf, um zu verhindern, dass sich Wasserflecken auf den Substraten bilden. Dies sollte 1–2 h für 30.000 cm3 Wasser dauern. - Wenn sie vollständig entleert sind, entfernen Sie das Rack von UC2 und schließen Sie das Dampftrocknerventil.
- Bewahren Sie es in einer sauberen und geschlossenen Umgebung für die zukünftige Verwendung auf.
HINWEIS: Gereinigte Substrate können in dieser Umgebung auf unbestimmte Zeit gelassen werden, solange sie sauber bleiben. Prüfen Sie vor der weiteren Verwendung gereinigte Substrate, um sicherzustellen, dass sie den Reinigungsprozess nicht erneut durchlaufen müssen.
2. Magnesium Zinkoxid FensterSchicht Sputotterablagerung
HINWEIS: Bei diesem MgZnO-Sputter-Abscheidungsprozess wird ein unsymmetrisches Magnetron und ein 4" Durchmesser, 0,25" dickes Ziel mit einem Ziel-Zustrat-Abstand von 15 cm verwendet. Das Ziel ist 99,99% Reinheit (MgO)11(ZnO)89 prozentGewicht.
- Inbetriebnahme des Sputtersystems
- Schalten Sie die mechanische Pumpe und das Vorleinenventil ein, gefolgt von der Diffusionspumpe für die Sputterkammer. Stellen Sie sicher, dass das Zielkühlwasser eingeschaltet ist und die mechanischen Ventile zum Zielkühlwasser geöffnet sind.
- Schalten Sie die Lastschlosspumpe über den Schalter an der Pumpe ein.
- Lassen Sie die Diffusionspumpe 15 min aufwärmen.
- Überprüfen Sie den Kammerdruck auf dem Manometer: Wenn es unter 2,0 x 10-1 Torr ist, öffnen Sie das Diffusionspumpen-Gate-Ventil. Wenn der Druck größer als 2,0 x 10-1 Torr ist, schalten Sie das Vorleitungsventil zum Schließen und öffnen Sie das Schruppventil, bis der Druck fällt. Dann schließen Sie das Schruppventil, öffnen Sie die Vorlinie und öffnen Sie manuell das Diffusionspumpen-Gate-Ventil.
- Stellen Sie in der Computersoftware den Laufdruck auf 5 mTorr ein und klicken Sie auf "Gas aktivieren", wodurch der Gasstrom ermöglicht wird. Der Durchfluss sollte 19–20 sccm betragen und der Sauerstoff auf 3% des Gesamtstroms mit dem Gleichgewicht als Argon in der Software eingestellt sein.
- Lassen Sie die Kammer für 10 min pumpen.
- Prüfen Sie, ob der Grunddruck unter 1,0 x 10-5 Torr auf der Ionenanzeige liegt.
- Stellen Sie sicher, dass der Transferarm vollständig aus der Kammer zurückgezogen ist (schauen Sie durch das Kammeransichtsfenster, um sicherzustellen, dass sich der Probenhalter nicht in der Kammer befindet), und schalten Sie das Lastschloss-Gate-Ventil geschlossen.
- Stellen Sie sicher, dass der Verschluss geschlossen ist: Dies kann überprüft werden, indem Sie durch das Ansichtsfenster schauen, um zu sehen, dass er sich direkt über der Sputterkathode befindet.
- Stellen Sie die HF-Generatorleistung an der Stromversorgung auf 60 W ein. In der Computer-Software erhöhen Sie den Druck auf 15 mTorr für Plasmazündung, schalten Sie die HF-Einschalten, und sobald das Plasma gezündet hat, reduzieren Sie den Druck zurück auf 5 mTorr in der Software. Die reflektierte Leistung sollte 1-2 W sein. Wenn es viel höher ist, muss das RF-Match-Netzwerk optimiert werden.
- Das Ziel muss aufgewärmt werden, um Risse zu vermeiden: Erhöhen Sie die Leistung des HF-Stromgenerators mit einer Geschwindigkeit von 20 W/min bis zu einer Endleistung von 140 W. Die reflektierte Leistung sollte idealerweise <5% der realen Leistung betragen. Lassen Sie das Ziel vorsputtern, wenn der Verschluss 15 min geschlossen ist.
- MgZnO Sputterabscheidung
- Um die Abscheidungsrate zu kalibrieren, muss eine Zeugenprobe hergestellt werden. Verwenden Sie einen permanenten Marker, um eine Linie von 0,2 cm (Länge) auf der TCO-beschichteten Seite eines sauberen Substrats zu zeichnen.
- Stellen Sie sicher, dass das Lastschloss-Gate-Ventil geschlossen ist, lösen Sie dann den Ladeschloss-Türknopf und öffnen Sie ihn. Entlüften Sie das Lastschloss mit einer Vierteldrehung des UHP Stickstoffentlüftungsventils, bis sich die Lastschlosstür löst. Halten Sie das Entlüftungsventil teilweise offen, um das Lastschloss zu reinigen, während die Tür geöffnet ist.
- Verwenden Sie ein Handluftgebläse, um Staubpartikel vorsichtig vom sauberen TCO-beschichteten Substrat zu entfernen. Entfernen Sie jedes Substrat auf dem Probenhalter und laden Sie das saubere Substrat TCO seitlich mit einer Pinzette mit Gummispitzen. Halten Sie die Probe am Rand, um den Abscheidungsbereich zu vermeiden.
- Schließen und ziehen Sie die Ladeschlosstür fest. Schalten Sie die Lastverriegelungspumpe ein und schließen Sie das Stickstoffentlüftungsventil.
- Pumpen Sie die Lastsperre nach unten, bis das Lastsperrdruckmessgerät unter 5,0 x 10-2 Torr liest. Schalten Sie dann die Lastschlosspumpe aus und schalten Sie das Lastschlosstor (der Druck sollte nicht über 7 mTorr spitzen). Warten Sie, bis der Druck erhöht ist, und legen Sie den Transferarm manuell so ein, dass die Probe über der geschlossenen Kathode sitzt.
- Stellen Sie die gewünschte Abschaltzeit auf einem Timer ein und beginnen Sie mit dem Timing, wenn der Verschluss manuell geöffnet wird. Schließen Sie sofort den Verschluss, wenn der Timer ausgeht.
- Ziehen Sie den Transferarm manuell vollständig ein und schließen Sie das Lastschlosstor.
- Entfernen oder tauschen Sie das Beispiel in den folgenden Schritten 2.2.2–2.2.5 aus.
- Um die MgZnO-Abscheidungsrate zu erhalten, entfernen Sie den permanenten Marker aus der Zeugenprobe mit einem in Methanol getauchten Baumwoll-Applikator. Messen Sie die Dicke mit einem Profilometer17 und legen Sie nachfolgende Abscheidungszeiten für die gewünschte MgZnO-Dicke (100 nm für die in dieser Arbeit vorgestellten Proben) fest.
- Wiederholen Sie die Abscheidung für beliebig viele Proben.
HINWEIS: Nach der MgZnO-Ablagerung können die Proben für einige Zeit gelagert werden. Bei der Gefahr der Oxidation, Es wird empfohlen, sie in einem Trockenhaus unter Vakuum für nicht mehr als 1 Woche für beste Ergebnisse gelagert werden.
3. Nahraum-Sublimationsablagerung und Behandlung von Absorberschichten
- CSS-Systemstart
- Stellen Sie sicher, dass 1) das System unter Vakuum ist, 2) die mechanischen und Diffusionspumpen eingeschaltet sind, 3) das Lastschloss-Gate-Ventil zur Kammer offen ist und 4) der Druck auf 40 mTorr eingestellt ist.
- Öffnen Sie manuell das Gasdurchflussventil (98% N2 und 2%O2) und wählen Sie "Gas aktivieren" auf der Computersoftware. Der Druck sollte sich um 40 mTorr stabilisieren.
- Schalten Sie den Restgasanalysator (RGA) ein, indem Sie das RGA-Ventil öffnen und sich an das Softwareprogramm anschließen. Dies ist notwendig, um Wasser-, Sauerstoff-, Stickstoff- und Wasserstoffwerte im System zu verfolgen. Diese Ebenen sind in der Regel um 4,5 x 10-9, 2,5 x 10-8, 2,3 x 10-6, und 8,0 x 10-10 Torr für jeweils.
- Bringen Sie die oberen und unteren Quellen des CSS-Systems auf Betriebstemperaturen im Computerprogramm. Die Höchsttemperaturen werden auf 620 °C für die Vorwärmung, 360 °C für CdTe, 420 °C für CdSe20Te80, 387 °C für CdCl2, 400 °C für Aneal und 620 °C für das Backen eingestellt. Die unteren Quelltemperaturen werden auf 620 °C für die Vorwärmung, 555 °C für CdTe, 545 °C für CdSe20Te80, 439 °C für CdCl2, 400 °C für Aneal und 620 °C für das Backen eingestellt. Diese Temperaturunterschiede fördern die Sublimation von unten nach oben, so dass Material auf die Probe sublimiert, zwischen den Quellen.
- Wenn die Quellen Betriebstemperaturen erreicht haben, führen Sie den Probenhalter durch das Bakeoff-Rezept: Wählen Sie in der Software "Bakeoff" in der Rezepturliste aus und klicken Sie auf "Ausführen". Dadurch wird der Transferarm automatisch so bewegt, dass der Probenhalter 480 s in der Bakeoff-Quelle verbleibt. Dadurch wird der Probenhalter erhitzt und überschüssiges Material abgebacken.
- Nachdem der Transferarm den Probenhalter automatisch in die Home-Position zurückzieht und das Torventil schließt, entlüftet das Lastschloss durch Öffnen des UHP Stickstoffentlüftungsventils. Öffnen Sie beim Entlüften die Ladeschlosstür und schließen Sie das Entlüftungsventil.
- CSS-Abscheidung und Passivierung von Absorbern
- Verwenden Sie ein Handluftgebläse, um Staubpartikel aus dem sauberen MgZnO/TCO-beschichteten Substrat vorsichtig zu entfernen und das Substrat auf den Probenhalter (MgZnO-Seite nach unten) zu laden.
- Schließen Sie die Lastschlosstür und pumpen Sie das Lastschloss herunter, indem Sie den Lastschloss-Schruppschalter einschalten.
- Geben Sie beim Abpumpen das gewünschte Rezept für die CSS-Abscheidung in das Computerprogramm ein. Die Rezepte, die zur Herstellung der CdTe- und CdSeTe/CdTe-Strukturen verwendet werden, unterscheiden sich in dieser Phase wie folgt.
- Für die CdTe-Zeugenprobe (zur Bestimmung der CdTe-Depositionsrate; erforderlich für cdTe und CdSeTe/CdTe Gerätefertigung), verwenden Sie:
110 s in Vorwärmquelle (dies erhöht das Glas auf 480 °C, so dass CdTe richtig auf das Substrat sublimiert);
110 s in CdTe-Quelle (diese sublimate CdTe auf dem Substrat);
180 s in CdCl2 Quelle [die CdCl2-Abscheidung ist für eine gute CdTe-Geräteleistung notwendig (es hat sich gezeigt, dass sie Korngrenzen und baumelnde Bindungen passiviert und das Kornwachstum und die Ausrichtung im polykristallinen CdTe-Absorber12,13,14,15,16)] fördert;
240 s in annealer Quelle (dies treibt den CdCl2 in das Absorbermaterial); Und
300 s in Kühlquelle (dies ermöglicht es der Probe zum Entladen zu kühlen). - Mit einer Rasierklinge schneiden Sie eine kleine Fläche von CdTe-Material vom Substrat ab und messen Sie die CdTe-Filmdicke mit einem Oberflächenprofilometer, um die Abscheidungsrate17zu bestimmen.
- Für die CdSeTe-Zeugenprobe (zur Bestimmung der CdSeTe-Depositionsrate; nur für cdSeTe/CdTe-Gerätefertigung erforderlich), verwenden Sie:
140 s in Vorwärmquelle (dies erhöht das Glas auf 540 °C, so dass CdSeTe richtig auf das Substrat sublimiert);
300 s in CdSeTe-Quelle (diese sublimate CdSeTe auf dem Substrat); Und
300 s in Kühlquelle. - Mit einer Rasierklinge schneiden Sie eine kleine Fläche von CdSeTe-Material vom Substrat ab und messen Sie die CdSeTe-Filmdicke mit einem Oberflächenprofilometer, um die Abscheidungsrate17zubestimmen.
- Für den dünnen Einzelabsorber (CdTe-Probe) verwenden Sie:
110 s in Vorwärmquelle;
xx s in CdTe-Quelle [die Verweilzeit hängt von der CdTe-Abscheidungsrate und der gewünschten Dicke ab (für den hier verwendeten 1,5-m-Einzel-CdTe-Absorber beträgt die Verweilzeit 60 s)];
150 s in CdCl2-Quelle [die CdCl2-Behandlung ist abhängig von der Absorberdicke; daher sollten Experimente durchgeführt werden, um die Behandlungsbedingungen zu optimieren (die aufgeführten Verweilzeiten sind für dünne, 1,5 m Absorber18optimiert)];
240 s in annealer Quelle; Und
300 s in Kühlquelle. - Verwenden Sie für den dünnen Bilayer-Absorber (CdSeTe/CdTe-Probe):
140 s in Vorwärmquelle;
xx s in cdSeTe-Quelle [wiederum hängt die Verweilzeit von der CdSeTe-Abscheidungsrate und der gewünschten Dicke ab (für die hier verwendete CdSeTe-Schicht von 0,5 m beträgt die Verweilzeit 231 s)];
xx s in CdTe-Quelle [die Verweilzeit hängt von der gewünschten CdTe-Dicke und Abscheidungsrate ab, die aus der gemessenen Dicke der CdTe-Zeugenprobe berechnet wird (für den hier verwendeten 1,5-m-Bilayer-CdSeTe/CdTe-Absorber beträgt die Verweilzeit 50 s für eine 1,0-m-CdTe-Schicht)];
150 s in CdCl2 Quelle;
240 s in annealer Quelle; Und
300 s in Kühlquelle. - Wenn der Lastverriegelungsdruck unter 40 mTorr in der Computersoftware liest, öffnen Sie mit der Software das Lastschloss-Gate-Ventil und wählen Sie "Start". Das Programm führt automatisch das ausgewählte Rezept aus und kehrt nach Abschluss desKühlschritts 10in die Heimatposition zurück.
- Nach vollständiger Abscheidung das Entlüftungsventil der Lastverriegelung öffnen, in die Atmosphäre entlüften und die Lastschlosstür für die endige Substratkühlung öffnen. Nach 60 s sollte das Substrat kühl genug sein, um es mit einem fusselfreien Tuch aus dem Probenhalter zu entfernen.
- Sobald die Probe entfernt ist, schließen Sie die Lastschlosstür, pumpen Sie das Lastschloss herunter, indem Sie den Schruppschalter einschalten, und folgen Sie Schritt 3.1.5, um das Bakeoff-Rezept auszuführen. Zwischen jeder Probenabscheidung muss ein Backoff durchgeführt werden, um den Probenhalter zu reinigen.
- Die verarbeitete Probe sollte eine weiße trübe Schicht auf dem Film aus der CdCl2-Behandlung haben. Nehmen Sie ein Bild des Films auf, um das Dunstmuster zu beachten. Wenn es wenig oder kein sichtbares Material aus der CdCl2-Behandlung gibt, muss diese Behandlung wahrscheinlich optimiert werden.
- Spülen Sie das überschüssige CdCl2-Material aus dem Film in ein abgestuftes Becherglas mit DI-Wasser und trocknen Sie den Film mit komprimiertem Argon.
VORSICHT: Diese CdCl2 Spülung sollte in einem geschlossenen Gehäuse durchgeführt werden. Nach Fertigstellung das Wassergemisch CdCl2/DI im eigentlichen Sondermüllbehälter entsorgen.
HINWEIS: Nach der CSS-Abscheidung können die Proben für einige Zeit gelagert werden, aber es wird empfohlen, sie in einem Trockenhaus unter Vakuum für nicht mehr als 1 Woche für beste Ergebnisse zu lagern. Ein Schaltplan des automatisierten Inline-CSS-Abscheidungssystems ist in Abbildung 2dargestellt.
4. Nahraumsublimation Kupferbehandlung
- CSS-Systemstart
- Stellen Sie sicher, dass die mechanischen und Diffusionspumpen eingeschaltet sind.
- Öffnen Sie das Prozessgasventil und stellen Sie den Gasstromregler manuell ein, bis der Betriebsdruck von 40 mTorr auf dem Manometer angezeigt wird.
- Legen Sie die CSS-Quellen manuell mithilfe von PID-Controllern (Proportional-Integral-Derivative) fest und schalten Sie sie ein. Die in diesem Experiment verwendeten Höchsttemperaturen sind 330 °C für die Vorwärmequelle, 170 °C für die CuCl-Quelle und 200 °C für die Nealquelle. Die Tiefsttemperaturen liegen bei 330 °C für die Vorwärmequelle, 190 °C für die CuCl-Quelle und 200 °C für die Nealquelle.
- Schalten Sie das Diffusionspumpenventil und schließen Sie das Lastschloss-Gate-Ventil manuell.
- CuCl-Behandlung auf Absorberstrukturen
- Wenn die Quellen betriebstemperatur erreicht sind, kann die Probe auf den Probenhalter geladen werden:
- Lösen Sie den Knopf für die Ladeschlosstür.
- Entlüften Sie das Lastschloss mit einer Vierteldrehung des UHP Stickstoffentlüftungsventils.
- Öffnen Sie die Ladeschlosstür und entfernen Sie mit einem Handluftgebläse vorsichtig Staubpartikel aus der Probe. Legen Sie die Probenfilmseite mit einer Pinzette mit Gummispitzen auf den Probenhalter, wobei Sie die Probe am Rand halten, um den Abscheidungsbereich zu vermeiden.
- Schließen Sie das Entlüftungsventil, und schließen Und ziehen Sie die Ladeschlosstür fest.
- Öffnen Sie die Lastschlosspumpe manuell und lassen Sie die Lastschlosspumpe unter dem Überlaufdruck (40 mTorr) ab.
- Wenn der Frequenzumlaufdruck erreicht ist, schließen Sie die Lastschlosspumpe manuell und öffnen Sie manuell das Lastschloss-Gate-Ventil.
- Bewegen Sie den Transferarm manuell sequenziell in die Vorwärm-, CuCl- und Nealpositionen. Für die Verweilzeit in jeder Position wird ein Timer verwendet. Für die beschriebenen Proben betragen die Verweilzeiten 75 s, 5 s und 250 s für die Vorwärm-, CuCl- und Nealquellen.
- Nach dem Glühschritt den Transferarm manuell wieder in die Heimatposition bringen und das Lastschloss-Gate-Ventil schließen.
- Folgen Sie Schritt 4.2.1, um Beispiele auszutauschen.
HINWEIS: Beim Entladen einer vorherigen Probe ist es wahrscheinlich immer noch heiß. Entfernen Sie die Probe mit einer Pinzette mit Gummispitzen und lassen Sie sie abkühlen (Filmseite nach oben) auf einem Metallblock. Nach der Cu-Behandlung können die Proben für einige Zeit gelagert werden, aber es wird empfohlen, sie in einem Trockenhaus unter Vakuum für nicht mehr als 1 Woche für beste Ergebnisse gelagert werden.
- Wenn die Quellen betriebstemperatur erreicht sind, kann die Probe auf den Probenhalter geladen werden:
5. Verdunstungsablagerung von dünnem Tellur
- Schalten Sie die mechanische Pumpe, das Vorleinenventil und die Diffusionspumpe mithilfe von Schaltern am Verdampfersystem ein. Lassen Sie die Diffusionspumpe für 20 min aufwärmen.
- Entlüften und öffnen Sie die Kammer, indem Sie das Stickstoffentlüftungsventil öffnen und die Verdampferkammer anheben. Laden Sie den Te in das mit Aluminiumoxid beschichtete Molybdänboot. Bewegen Sie die Verdampferkammer wieder an Ort und Stelle, nachdem das Material geladen wurde.
- Geben Sie die richtigen Einstellungen für die Te-Deposition von einem aluminiumoxidbeschichteten Molybdänboot im Quarzkristallmonitor (QCM) ein (Dichte = 6,25 g/cm3 und akustische Impedanz = 9,81 g/cm2s).
- Öffnen Sie die Kammeroberseite, um auf den Probenhalter zuzugreifen. Verwenden Sie ein Handluftgebläse, um Staubpartikel vorsichtig aus der Probe zu entfernen. Legen Sie die Probenfilmseite auf den Probenhalter und schließen Sie die Kammeroberseite.
- Bewegen Sie den Hebel manuell in die Schruppposition; sowohl die Schrupp- als auch die Kammerdruckauslesungen sollten zu sinken beginnen. Lassen Sie den Druck unter 10 mTorr fallen.
- Drehen Sie das Vorderleitungsventil wieder in die Vorderlinie. Warten Sie 30 s, bis eine momentane Druckspitze gelöst wird, und öffnen Sie dann das Hochvakuumventil. Wenn der Kammerdruckleser ausgestiegen ist, ist der richtige Abscheidungsdruck von 1,0 x 10-5 Torr erreicht.
- Schalten Sie den Netzschalter ein, öffnen Sie den Verschluss, und schalten Sie die Stromsteuerung ein, um mit der Abscheidung zu beginnen. Der optimale Strombetriebsbereich beträgt 90–100 Wechselstrom-Ampere, so dass die Abscheidungsrate 5–10 x/s beträgt. Die Abscheidungsrate, die auf der QCM-Anzeige angezeigt wird, kann sich schnell ändern; Daher muss der Strom während der Ablagerung kontinuierlich angepasst werden, um die Rate zwischen 5–10 °/s beizubehalten.
- Wenn das QCM die gewünschte Te-Dicke (40 nm für die hier verwendeten Proben) anzeigt, drehen Sie den Strom schnell und gleichzeitig auf Null, schalten Sie den Netzschalter aus und schließen Sie den Verschluss.
- Schließen Sie das Hochvakuumventil, öffnen Sie das Stickstoffentlüftungsventil, und entfernen Sie die Probe aus dem Probenhalter. Wiederholen Sie die Schritte 5.4–5.8 für die Abscheidung auf zusätzliche Proben.
HINWEIS: Nach der Te-Abscheidung können die Proben für einige Zeit gelagert werden, aber es wird empfohlen, sie in einem Trockenhaus unter Vakuum für nicht mehr als 1 Woche für beste Ergebnisse zu lagern.
6. Nickel-Rückenkontakt-Anwendung
VORSICHT: Aufgrund der Dämpfe der Ni-Farbe und des Methylethylketons (MEK) wird während dieses Vorgangs immer ein Deckenventilator betrieben, um Luft zu fahren.
- Montieren Sie die Proben (Filmseite nach vorne gerichtet) auf ein vertikales Befestigungsregal.
- Stellen Sie sicher, dass die Ni Applikatorpistole durchgehend sauber ist. Wenn nicht, reinigen Sie es mit MEK.
- Der Rückenkontakt ist eine Mischung aus leitfähiger Ni-Farbe und Verdünner im Verhältnis 2:1. Schütteln Sie vor dem Auftragen der Farbe die Rückkontaktlösung, um eine vollständige Vermischung zu gewährleisten.
- Gießen Sie die Ni-Rückkontaktlösung in die Applikatorpistole und schalten Sie den angeschlossenen Luftkompressorschlauch ein. Sprühen Sie ein Prüfstück (d. h. Pappe), um sicherzustellen, dass die Farbe gleichmäßig aufgebracht wird. Wenn es einheitlich ist, wenden Sie den Rückenkontakt auf die Proben an, indem Sie die Lösung mit einer langsamen seitlichen Bewegung über den Probensatz sprühen. Lassen Sie den Rückenkontakt leicht trocknen und gelten Sie so oft, wie für eine vollständige Abdeckung erforderlich ist (in der Regel funktionieren fünf Durchgänge gut).
HINWEIS: Die Ni-Lösung kann die Applikatorpistole trocknen und verstopfen; Daher ist es wichtig, nicht mehr als 60 s zwischen den Sprühsätzen zu warten, um einen Entverstopfungsprozess während der Rückkontaktanwendung zu vermeiden. - Schalten Sie den Luftkompressor aus und lassen Sie den Rückenkontakt mindestens 1 h trocknen.
7. Abgrenzung in 25 Kleinflächengeräte
HINWEIS: Um die Dünnschichtstruktur in elektrisch kontaktfähige Geräte zu verschließen, muss der Filmstapel in kleine Flächengeräte abgegrenzt werden, sodass der TCO-Frontkontakt und der Ni-Rückenkontakt elektrisch zugänglich sind. Dies geschieht mit einer Metallmaske mit mechanischer Entfernung des Halbleiters.
- Legen Sie eine Probe in die Metallmaske.
- Legen Sie die maskierte Probe in den Handschuhkasten und verwenden Sie einen Siphonschlauch, tragen Sie das Glas, Perlenmedien auf die unmaskierten Teile der Probe auf. Die richtige Materialentfernung wird erreicht, wenn die Maskenfenster fast transparent werden.
- Wiederholen Sie diesen Vorgang mit der zweiten Maske, sodass nach Abschluss der Abgrenzung 25 kleine quadratische Flächengeräte in einem 5 x 5-Muster auf der Probe angezeigt werden. Die fertigen Bereiche sind 0,6 cm2cm.
- Reinigen Sie die Filmseite der Proben mit einem in DI-Wasser getauchten Applikator mit Baumwolle.
- Um den seitlichen Widerstand bei elektrischen Messungen der fertigen Geräte zu minimieren, löten Sie ein Gittermuster zwischen den Geräten mit einem Indiumlöt.
HINWEIS: Die fertigen Gerätestrukturen sind in Abbildung 1A und Abbildung 1B für die Absorbergeräte CdTe und CdSeTe/CdTe angegeben.
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Representative Results
Die Zugabe von CdSeTe zu einem dünnen CdTe-Absorber verbessert die Geräteeffizienz durch überlegene Absorbermaterialqualität und höhere Kurzschlussstromdichte (JSC). Abbildung 3A und Abbildung 3B, (angepasst von Bothwell et al.8) zeigen PL bzw. TRPL für die einzelnen CdTe-Absorber- und CdSeTe/CdTe-Bilayer-Absorbergeräte. Sowohl PL- als auch TRPL-Messungen zeigen deutlich eine verbesserte Photolumineszenz mit dem CdSeTe/CdTe Bilayer-Absorber. Die PL-Intensität verbessert sich um den Faktor sechs, und die TRPL-Schwanzlebensdauer, die mit einem einzigen Exponential zum langsamen Teil des Zerfalls passt, beträgt 12,6 x 0,1 ns für die Doppelschichtstruktur (im Vergleich zu 1,6 x 0,02 ns für die Monolayer-Struktur), was auf eine bessere CdSeTe-Materialqualität hinweist. Die PL-Messung bestätigt auch die erfolgreiche Integration der CdSeTe-Schicht. Die Verschiebung der PL-Spitzenintensität, die dem Absorberbandabstand von 1,50 auf 1,42 eV entspricht, bestätigt, dass das untere Bandspalt-CdSeTe-Material in der Absorberschicht wirksam ist.
Höhere JSC im Bilayer-Absorber werden durch Stromdichte-Spannungs- (J-V) und Quanteneffizienzmessungen (QE) demonstriert, die in Abbildung 4 bzw. Abbildung 5dargestellt sind. Die Verschiebung der leichten J-V-Kurven entlang der in Abbildung 4 dargestellten Stromdichteachse entspricht einer Änderung von JSC von 24,0 mA/cm2 auf 25,5 mA/cm2 für die leistungsstärksten CdTe- bzw. CdSeTe/CdTe-Geräte.
QE-Messungen der CdTe- und CdSeTe/CdTe-Geräte(Abbildung 5A bzw. Abbildung 5B)zeigen die zusätzliche Photonumwandlung des Zweischichtgeräts im langen Wellenlängenbereich und bestätigen die Zunahme von JSC für dieses Gerät. JSC-Werte, ermittelt durch Die Integration der QE-Daten über den Wellenlängenbereich19 sind 24,6 mA/cm2 für das CdTe-Gerät und 25,9 mA/cm2 für das CdSeTe/CdTe-Gerät. Unter Verwendung optischer Übertragungsdaten, die auf einem 0,5-mm-CdSeTe-Film gemessen werden, werden die QE-Daten für das Doppelschichtgerät in den in den CdSeTe- und CdTe-Schichten8gesammelten Strom getrennt. Dies unterstreicht die dominante Rolle, die cdSeTe bei der Absorption spielt. Die in der CdSeTe-Schicht erfasste Stromdichte beträgt 22,9 mA/cm2 im Vergleich zu 3,0 mA/cm2 in der CdTe-Schicht, so dass CdSeTe 90 % der aktuellen Sammlung im Doppelschichtabsorber ausmacht.
Die Wirksamkeit eines Doppelschichtabsorbers hängt von der Optimierung des Fertigungsprozesses ab. Beleuchtete J-V-Daten in Abbildung 6 zeigen, wie wichtig es ist, das Dickenverhältnis cdSeTe:CdTe zu optimieren: Die Daten zeigen einen signifikanten Knick im nicht optimalen CdSeTe/0,25-m-CdTe-Gerät. Der Knick, wahrscheinlich aufgrund von Rückenbarriereeffekten, erzeugt eine deutliche Abnahme der Geräteeffizienz auf 11,0%. Optimierte CdCl2 Passivierung ist auch entscheidend für eine gute Geräteleistung. Dünne CdTe-Geräte weisen eine empfindliche Abhängigkeit von der CdCl 2-Depositionszeit18auf, und ohne CdCl2-Passivierung können die Geräteeffizienzen auf 2 %11sinken. Obwohl die Autoren die CdCl 2-Passivierung und das CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnis zu den wichtigsten Prozessbedingungen gemacht haben, ist eine Optimierung aller Fertigungsstufen und Parameter erforderlich.
Abbildung 1: Gerätestruktur von fertigen CdTe-basierten Photovoltaikgeräten. (A) Als Referenz für den Vergleich mit der Doppelschichtstruktur wurde eine CdTe-Absorber-Gerätestruktur von 1,5 m verwendet. (B) Zur Verbesserung der Photovoltaik-Effizienz wurde eine CdSeTe/1,0 m CdTe-Gerätestruktur mit einer CdSeTe/1,0 m hergestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Automatisiertes Inline-Vakuum-Nahraum-Sublimationsabscheidungssystem. Gezeigt wird ein 2D-Schaltplan, der Konfigurationsdetails zu Probenhalter, Lastsperre, Vakuumgehäuse und einzelnen Quellen bereitstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Photolumineszenzvergleich von CdTe- und CdSeTe/CdTe-Geräten. (A) Die Peak PL-Intensität erhöht sich mit der Einbeziehung von CdSeTe um das 6-fache, und die Spitzenposition verschiebt sich auf einen unteren Bandabstand, was auf die erfolgreiche Integration von CdSeTe hindeutet. (B) DIE TRPL-Schwanzlebensdauer, die mit einem einzigen Exponential auf den langsamen Teil des Zerfalls passt, ist für das CdSeTe/CdTe-Gerät deutlich länger als das CdTe-Gerät, was auf bessere Materialeigenschaften der CdSeTe-Schicht hinweist. Diese Abbildung ist aus Bothwell et al.8nachgedruckt.Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: J-V-Vergleich von CdTe- und CdSeTe/CdTe-Geräten. J-V-Daten unter Beleuchtung zeigen einen Anstieg der JSC, gemessen am Nullspannungspunkt, von 24,0 mA/cm2 bis 25,5 mA/cm2 für die Geräte CdTe und CdSeTe/CdTe. Dunkle J-V-Daten werden ebenfalls zum Vergleich angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: QE-Vergleich von CdTe- und CdSeTe/CdTe-Geräten. DieQE-Daten des CdTe-Geräts und (B) des CdSeTe/CdTe-Geräts zeigen eine Erhöhung der JSC von 24,6 mA/cm2 auf 25,9 mA/cm2 , wie durch die Integration der QE-Daten über den Wellenlängenbereich bestimmt. Übertragungsmessungen an einem 0,5-mm-CdSeTe-Film wurden verwendet, um das QE-Signal in (B) in den in den CdTe- und CdSeTe-Schichten gesammelten Strom zu trennen: Die CdSeTe-Schicht macht 90 % der Aktuellensammlung in der 1,5-m-Bilayer-Vorrichtung aus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: J-V-Vergleich von optimierten und nicht optimierten CdSeTe/CdTe-Geräten. J-V-Daten unter Beleuchtung eines CdSeTe/CdTe-Geräts mit einem nicht optimierten CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnis zeigen einen Knick in der Kurve und eine Verringerung der Geräteeffizienz, was die Bedeutung der Optimierung des CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnisses unterstreicht. Dunkle J-V-Daten werden ebenfalls zum Vergleich angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Dünne Zweischicht-CdSeTe/CdTe-Photovoltaikgeräte weisen aufgrund einer besseren Materialqualität und einer erhöhten Stromsammlung eine Effizienzsteigerung im Vergleich zu ihren CdTe-Pendants auf. Solche verbesserten Effizienzen wurden in Doppelschichtabsorbern von mehr als 3 m5,7, nachgewiesen, und jetzt mit optimierten Fertigungsbedingungen wurde gezeigt, dass erhöhte Effizienzen auch für dünnere, 1,5-m-Bilayer-Absorber erreichbar sind.
Die Optimierung des Fertigungsprozesses für dünne Doppelschichtabsorber ist in drei Hauptmodifikationen verwurzelt: Substrat-Vorwärmtemperatur, CdSeTe:CdTe-Dickenverhältnis und CdCl 2-Passivierung. Für eine richtige CdSeTe-Sublimation sollte die Vorwärmtemperatur des Substrats 540 °C betragen, verglichen mit 480 °C bei cdTe-Sublimation, was durch Variation der Substratverweilzeit in der Vorwärmquelle erreicht wird. Um Kontaktbarrieren im Gerät zu verhindern und gleichzeitig eine gute Leerlaufspannung (VOC)beizubehalten, wurde festgestellt, dass 0,5 'm CdSeTe/1,0 'm CdTe das optimale Verhältnis in den dünnen Doppelschichtgeräten ist, wie in Abbildung 6dargestellt. CdCl2 Behandlung des Bilayer-Absorbers, essentiell für die Passivierung von Korngrenzen und Förderung des Kornwachstums und Ausrichtung12,13,14,15,16, kann besonders empfindlich in dünnen Absorbern18sein. Es wurde festgestellt, dass eine viel weniger aggressive CdCl2-Behandlung, die sowohl Quelltemperaturen als auch Verweilzeiten beinhaltet, erforderlich war, um die dünnen Doppelschichtabsorber18 im Vergleich zu dicken Bilayer-Absorbern5richtig passivieren zu können.
Das automatisierte Inline-Vakuumsystem CSS und der mehrschichtige, mehrstufige Fertigungsprozess bieten die Möglichkeit für Änderungen in der gesamten Gerätestruktur. Die CdSeTe-Schicht, sublimationsgemäß aus der CdSe20Te80 Quelle in dieser Studie, kann auch durch Kosublimation von CdSe und CdTe Quellen hinterlegt werden. Einige erste Arbeiten wurden an der Colorado State University durchgeführt, bei denen die Desublimation von CdSeTe mit begrenztem Erfolg20. Die CdSeTe/CdTe-Schnittstelle kann auch durch Steuerung der Interdiffusion der CdSeTe- und CdTe-Layer eingestellt werden.
Es gibt keine zielgerichtete Interdiffusion in den vorgestellten dünnen Zweischichtgeräten; die Interdiffusion der Schichten wird jedoch in dickeren Doppelschichten gefördert und durch Erhöhung der Nealzeit nach CdCl2-Abscheidung für einen thermisch angetriebenen Interdiffusionsprozess erreicht5. Die Steuerung des Ausmaßes der Interdiffusion ermöglicht eine bandübergreifende Konstruktion des Bilayer-Absorbers und kann zur Anpassung von Photonenabsorptionsprofilen und Stromsammlung in abgeschlossenen Geräten verwendet werden. Verschiedene Dopants, wie z.B. Group-V Dopants6,21,22, können auch integriert werden, um die historisch verwendete Cu dopant zu ersetzen. Gruppen-V-Doping bietet höhere erreichbare Absorber-Dopingwerte von 1,0E17 cm-3, demonstriert Langzeitstabilität6und kann durch verwendung eines dotierten Ausgangsmaterials zur Sublimation (derzeit von Kollegen der Colorado State University untersucht)23,24nahtlos in den CSS-Abscheidungsprozess integriert werden. Zusätzliche Schichten in der Dünnschichtstruktur können auf Wunsch auch groß oder klein modifiziert werden. Zu den Optionen gehören die vollständige Materialentfernung oder -ersetzung, Änderungen der Herstellungsmethode oder Variationen der Ablagerungsbedingungen oder Nachablagerungsbehandlungen.
Eine Bilayer-Eigenschaft, die den CdSeTe/CdTe-Absorber im Vergleich zu einem CdTe-Absorber günstig macht, dient ebenfalls als Einschränkung. Der untere, 1,42 eV-Bandabstand des Bilayer-Absorbers vs. Der 1,50 eV-Bandspalt des monolayern CdTe-Absorbers erhöht die Photonensammlung für verbessertej JSC,aber der untere Bandabstand begrenzt auch inhärent die maximal erreichbare Leerlaufspannung (VOC),wodurch die Geräteeffizienz eingeschränkt wird. Um diese Einschränkung zu mildern, besteht der nächste Schritt bei der Verbesserung der dünnen CdSeTe/CdTe-Gerätestruktur darin, ein Material mit höherem Bandspalt an der Rückseite des Geräts zu integrieren, um VOCzu erhöhen.
Die Modellierung hat gezeigt, dass die Einbindung eines dünnen, 100 nm, 1,8 eV-Materials nach der CdTe-Schicht eine Leitungsbandbarriere am Rücken erzeugt und die Rückflächenrekombination reduziert, indem Photoelektronen und Vorwärtsstromelektronen von der rekombinationsanfälligen Rückwand weg reflektiert werden25,26. Diese "Elektronenreflektor"-Struktur erfordert einen vollständig dezimierten Absorber, so dass die Absorberdicke auf weniger als 2 m25begrenzt ist, wodurch der dünne Doppelschichtabsorber für diese Konfiguration gut geeignet ist. Cadmium MagnesiumTelluride (CdMgTe), ein CdTe-Legierungsmaterial mit hohem Bandabstand, ist aufgrund seines abstimmbaren Bandspalts und der einfachen Einbindung in den bestehenden Geräteherstellungsprozess durch Kosublimation oder Sputterabscheidung ein idealer Kandidat für diese Schicht.
Erhöhte Geräteeffizienz durch verbesserte Stromsammlung und photolumineszierende Eigenschaften von dünnen CdSeTe/CdTe Bilayer-Geräten ist für die Herstellungszeit und Kostenreduzierung sowie zukünftige Verbesserungen der Gerätestruktur und vOCvon Bedeutung. Das automatisierte Inline-Vakuumsystem CSS, das in dieser Studie für die Absorptionsabscheidung und Passivierung verwendet wird, ist für seine Abscheidungsgeschwindigkeit bemerkenswert. Andere Herstellungsverfahren wie Sputtern und metallische organische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) können mehr als fünfzehnmal so lange dauern für die gleiche Ablagerung27,28.
Inline CSS bietet auch Skalierbarkeitsoptionen. Die Herstellungsprozesse, die zur Herstellung der vorgestellten kleinen Flächenforschungsgeräte verwendet werden, können in größeren Prozessen für die PV-Modulfertigung mit minimalem Verlust bei der Fertigungsparametrierung implementiert werden. Die in diesem Werk vorgestellte CdSeTe/CdTe-Doppelschichtstruktur hat auch mit ihrem Erfolg mit dem sehr dünnen Absorber Bedeutung. Insbesondere die Geräteeffizienz von nahezu 16 % mit nur einem 1,5-mm-Bilayer-Absorber zeigt den Vorteil von CdSeTe zu CdTe auch in ultradünnen Absorbern. Dünne Absorberschichten wie diese bieten weitere Fertigungszeit- und Materialeinsparungen sowie die Möglichkeit, eine Elektronenreflektorstruktur zu erforschen, um das Spannungsdefizit in CdSeTe/CdTe-Geräten zu minimieren.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Die Autoren danken Professor W.S. Sampath für die Verwendung seiner Abscheidungssysteme, Kevan Cameron für die Systemunterstützung, Dr. Amit Munshi für seine Arbeit mit dickeren Zweischichtzellen und ergänzenden Aufnahmen des inline automatisierten CSS-Vakuumabscheidungssystems und Dr. Darius Kuciauskas für Unterstützung bei TRPL-Messungen. Dieses Material basiert auf Arbeiten, die vom Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) des US-Energieministeriums im Rahmen der VereinbarungSnummer DE-EE0007543 des US-Energieministeriums unterstützt werden.
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
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