Summary
이 작품은 향상된 효율성을 위해 얇은 흡수 기 카드뮴 셀레늄 텔루라이드 / 카드뮴 텔루 라이드 광전지 장치의 전체 제조 공정을 설명합니다. 이 공정은 소규모 지역 연구 장치 및 대규모 모듈의 제작에서 부터 확장 가능한 근접 공간 승화 증착을 위해 자동화된 인라인 진공 시스템을 활용합니다.
Abstract
태양광 장치 아키텍처의 개발은 증가하는 글로벌 에너지 수요와 기후 변화 속에서 태양 에너지를 비용 효율적이고 신뢰할 수 있는 재생 에너지원으로 만들기 위해 필요합니다. 박막 CdTe 기술은 빠른 제조 시간, 최소한의 재료 사용 및 ~ 3 μm 흡수층으로 CdSeTe 합금의 도입으로 인해 비용 경쟁력과 효율성 증가를 입증했습니다. 이 작품은 자동화된 인라인 진공 증착 시스템을 사용하여 얇은 1.5μm CdSeTe/CdTe 이중층 장치의 근접 공간 승화 제작을 제시합니다. 얇은 이중층 구조 및 제조 기술은 증착 시간을 최소화하고 장치 효율성을 높이며 미래의 얇은 흡수제 기반 장치 아키텍처 개발을 용이하게 합니다. 기판 예열 온도, CdSeTe:CdTe 두께 비율 및 CdCl2 패시베이션의 세 가지 제조 파라미터는 얇은 CdSeTe/CdTe 흡수 장치를 최적화하는 데 가장 큰 영향을 미치는 것으로 보입니다. CdSeTe의 적절한 승화를 위해, 증착 전기 온도는 예열원에서의 거주 시간에 의해 제어되는 것과 같이 ~540°C(CdTe의 경우보다 높음)여야 합니다. CdSeTe:CdTe 두께 비율의 변화는 이 비율에 대한 장치 성능에 대한 강한 의존성을 보여줍니다. 최적의 흡수기 두께는 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe이며, 최적화되지 않은 두께 비는 백 배리어 효과를 통해 효율성을 감소시입니다. 얇은 흡수제는 CdCl2 패시베이션 변이에 민감합니다. 온도와 시간 모두에 관한 훨씬 덜 공격적인 CdCl2 처리 (두꺼운 흡수제에 비해)는 최적의 장치 성능을 산출합니다. 최적화된 제조 조건으로 CdSeTe/CdTe는 단일 흡수제 CdTe에 비해 장치 단락 전류 밀도 및 광발광 강도를 증가시킵니다. 또한 인라인 밀착 공간 승화 진공 증착 시스템은 향후 초박형 흡수기 아키텍처의 재료 및 시간 감소, 확장성 및 달성성을 제공합니다.
Introduction
글로벌 에너지 수요가 빠르게 가속화되고 있으며, 2018년 은 가장 빠른 속도(2.3%)를 보였습니다. 지난 10년간의 성장률1. 기후 변화의 영향과 화석 연료 의 연소에 대한 인식이 증가함에 따라 비용 경쟁력, 청정 및 재생 에너지에 대한 필요성이 매우 분명해지고 있습니다. 많은 재생 가능 에너지원 중, 지구에 도달하는 태양 에너지의 양이 전 세계 에너지 소비량을 훨씬 초과하기 때문에 태양 에너지는 총 잠재력에 대해 독특합니다2.
태양광(PV) 장치는 태양 에너지를 전력으로 직접 변환하며 확장성(예: 개인 용 미니 모듈 및 그리드 통합 태양광 어레이) 및 재료 기술에서 다재다능합니다. 다중 접합 및 단일 접합, 단결정 갈륨 비소 (GaA) 태양 전지와 같은 기술은 효율이 각각 39.2 %와 35.5 %에도달합니다 3. 그러나 이러한 고효율 태양전지의 제조는 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸립니다. 박막 PV용 재료로서 다결정 카드뮴 텔루라이드(CdTe)는 저렴한 비용, 높은 처리량의 제조, 다양한 증착 기술 및 유리한 흡수 계수에 유리합니다. 이러한 특성으로 인해 CdTe는 대규모 제조에 적합하며 효율성 이 개선되어 PV 시장을 지배하는 실리콘 및 화석연료 4로 CdTe의 비용 경쟁력이 향상되었습니다.
CdTe 장치 효율의 증가를 주도한 최근의 발전 중 하나는 흡수기 층에 카드뮴 셀레늄 텔루라이드 (CdSeTe) 합금 재료를 통합하는 것입니다. 하부 ~1.4 eV 대역 갭 CdSeTe 물질을 1.5 eV CdTe 흡수기로 통합하면 이중층 흡수제의 전면 밴드 갭이 감소합니다. 이렇게 하면 밴드 간격 위의 광자 분율이 증가하여 현재 수집이 향상됩니다. CdSeTe를 3 μm 또는 더 두꺼운 흡수제에 성공적으로 통합하여 전류 밀도를 높이기 위해 다양한 제조 기술(즉, 근접 공간 승화, 증기 수송 증착 및 전기도금)5,6,7을입증하였다. 증가 된 실온 광 발광 방출 분광법 (PL), 시간 해결 광 발광 (TRPL), 및 이중 층 흡수 장치5,8은 증가 된 전류 수집 외에도 CdSeTe가 더 나은 복사 효율과 소수 캐리어 수명을 가진 것으로 보이며 CdSeTe / CdTe 장치는 CdTe보다 더 큰 전압을 가지고 있음을 나타냅니다. 이것은 주로 대량결함의셀레늄 통과에 기인하고있다 9 .
CdSeTe를 더 얇은(≤1.5 μm) CdTe 흡수제에 혼입시킨 연구는 거의 보고되지 않았습니다. 따라서 우리는 얇은 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe 바이레이어 흡수 장치의 특성을 조사하여 밀착 공간 승화(CSS)에 의해 제조된 이중층 흡수장치로 두꺼운 이중층 흡수제에서 볼 수 있는 이점이 얇은 이중층 흡수장치로도 달성가능한지 여부를 결정했습니다. 이러한 CdSeTe/CdTe 흡수기는 두꺼운 흡수기보다 두 배 이상 얇아지며 증착 시간과 재료가 눈에 띄는 감소와 제조 비용을 낮춥습니다. 마지막으로, 2 μm 미만의 흡수 두께가 필요한 향후 장치 아키텍처 개발에 대한 잠재력을 보유하고 있습니다.
단일 자동 인라인 진공 시스템에서 흡수제의 CSS 증착은 다른 제조 방법10,11에비해 많은 이점을 제공한다. CSS 제작을 통한 더 빠른 증착 속도는 장치 처리량을 향상시키고 더 큰 실험 데이터 세트를 촉진합니다. 또한 이 작업에서 CSS 시스템의 단일 진공 환경은 흡수기 인터페이스로 잠재적인 문제를 제한합니다. 박막 PV 장치에는 많은 인터페이스가 있으며, 각 인터페이스는 전자와 구멍을 위한 재결합 중심으로 작동하여 전체 장치 효율성을 감소시킵니다. CdSeTe, CdTe 및 염화물 카드뮴 (CdCl2)증착 (좋은 흡수 품질12,13,14,15,16)에대한 단일 진공 시스템의 사용은 더 나은 인터페이스를 생산하고 계면 결함을 줄일 수 있습니다.
콜로라도 주립 대학10에서 개발된 인라인 자동 진공 시스템은 확장성과 반복성에도 유리합니다. 예를 들어, 증착 파라미터는 사용자 세트이고, 증착 공정은 사용자가 흡수제 제조 중에 조정할 필요가 없다도록 자동화된다. 이 시스템에서는 소규모 영역 연구 장치가 제작되었지만 더 넓은 영역 기탁을 위해 시스템 설계를 확장할 수 있으므로 연구 규모 실험과 모듈 규모의 구현 간의 연결을 가능하게 합니다.
이 프로토콜은 0.5-μm CdSeTe/1.0-μm CdTe 박막 PV 장치를 제조하는 데 사용되는 제조 방법을 제시합니다. 비교를 위해 1.5 μm CdTe 장치 세트가 제작됩니다. 단일 및 이중층 흡수기 구조는 CdSeTe 증착을 제외한 모든 공정 단계에서 명목상 동일한 증착 조건을 갖습니다. 얇은 CdSeTe/CdTe 흡수제가 두꺼운 대응물에서 입증된 것과 동일한 이점을 유지하는지 여부를 특성화하기 위해 전류 밀도 전압(J-V), 양자 효율(QE) 및 PL 측정은 얇은 단일 및 이중층 흡수 장치에서 수행됩니다. J-V 및 QE에 의해 측정된 단락 전류 밀도(JSC)의증가와 더불어 CdSeTe/CdTe대에 대한 PL 신호의 증가. CdTe 장치는 CSS에서 제작한 얇은 CdSeTe/CdTe 장치가 현재 컬렉션, 재료 품질 및 장치 효율성에서 주목할 만한 개선을 나타낸다는 것을 나타냅니다.
이 작업은 CdTe PV 장치 구조에 CdSeTe 합금의 통합과 관련된 이점에 초점을 맞추고 있지만, CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치에 대한 전체 제조 공정은 이후에 완전히 설명됩니다. 그림 1A, B는 투명 전도산화물(TCO) 코팅 유리 기판, n형 마그네슘 산화아연(MgZnO) 방출기 층, p형 CdTe 또는 CdSe/CdTe 흡수기와 CdCl2 처리 및 구리 도핑 처리, 얇은 테층, 니켈 접점으로 구성된 CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치에 대한 완성된 장치 구조를 각각 보여줍니다. CSS 흡수기 증착을 제외한 제조 조건은 단일 및 이중층 구조 간에 동일합니다. 따라서 달리 언급되지 않는 한 각 단계는 CdTe 및 CdSeTe/CdTe 구조 모두에서 수행됩니다.
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Protocol
주의: 필름 오염 및 재료 대 피부 접촉을 방지하기 위해 기판을 취급할 때 장갑을 착용해야 합니다. 이 제조 공정은 카드뮴 화합물을 포함하는 구조의 처리를 필요로한다; 따라서 실험실 코트와 장갑은 항상 실험실에서 착용해야합니다.
1. 기판 세척
- TCO 코팅 유리 기판(9.1cm x 7.8cm)을 충분한 간격으로 스테인리스 스틸 랙에 배치하여 세척 액과 압축 공기를 각 유리 면에 적용할 수 있습니다.
- 질소 압축 공기 호스를 사용하여 기판에서 먼지를 날려 보입니다.
- 랙을 초음파 클리너 (UC1)에 놓고 이소프로필 알코올 (IPA)으로 채웁니다. 산업용 유리 절단 공정에서 잔류 오일과 오염 물질을 제거하기 위해 30 분 동안 앉아있게하십시오.
- UC1에서 IPA를 빼내십시오. IPA는 기판의 초기 세척을 위해 최대 5배까지 재사용할 수 있습니다.
- 탈이온화(DI) 물로 기판을 헹구고 UC1을 기판의 위쪽 가장자리 에서 약 1cm 높이의 DI 물로 채웁니다. 200 mL의 농축 세척액을 기판에 균일하게 추가하여 잔류 오일, 그리스, 미립자 또는 경수 얼룩을 추가로 제거합니다.
- 주 전원을 사용하여 UC1 ~ 43kHz 초음파 주파수 및 425W 전력을 켜고 기판이 1 시간 동안 놓습니다.
- 두 번째, 더 큰 초음파 클리너 (UC2)를 DI 물로 헹구고 볼륨의 3 분기를 DI 물로 채웁니다.
- UC1을 끄고 스테인리스 스틸 랙을 분리합니다. 즉시 싱크대 위에 DI 물로 기판을 헹구기 시작합니다.
참고: 이 단계에서기판을 건조시키지 마십시오. - 스테인리스 스틸 랙을 UC2로 옮기고 기판이 완전히 덮이도록 DI 물로 완전히 채웁니다. UC2 ~ 40kHz 초음파 주파수 및 600W 전력을 켜고 기판이 30분 동안 놓이게 합니다.
- 홈메이드 IPA 증기 건조기를 준비합니다.
- 밸브가 닫혀 있는지 확인하려면 가스 호스를 초고순도(UHP) 질소에 연결하십시오. 질소 탱크를 열고 레귤레이터를 10 psi로 설정합니다. 밸브를 질소 흐름에 대 고 연결 된 유량계에 100 PSIG로 조정 하 고 밸브를 다시 닫습니다.
- 신선한 IPA 150 mL로 플라스크를 채우고 플라스크를 단단히 코르크합니다. 코르크는 질소와 IPA가 코르크에 내장 된 두 개의 작은 금속 파이프 시스템을 통과 할 수 있도록하면서 플라스크 개구부를 단단히 밀봉합니다. 이들은 질소 /IPA 증기가 기판에 입사되도록 UC2 위에 앉아 미세 한 구멍이있는 작은 금속 배관 시스템에 연결합니다.
- UC2 헹구 주기가 완료되면 열과 UC2를 끕니다.
- 질소와 IPA에 증기 건조기 밸브를 열고 DI 물이 매우 느리게 나올 수 있도록 UC2의 드레인 밸브를 엽니다.
참고: DI 물은 매우 천천히 배수되어야 합니다. 이 공정은 DI 물을 질소/IPA 증기로 대체하여 기판에서 물 반점이 형성되는 것을 방지합니다. 이것은 30,000 cm3의 물에 대해 1-2 시간이 소요됩니다. - 완전히 배수되면 UC2에서 랙을 제거하고 증기 건조기 밸브를 닫습니다.
- 나중에 사용할 수 있는 깨끗하고 포함된 환경에 보관하십시오.
참고: 세척된 기판은 깨끗하게 유지되는 한 이 환경에 무기한 으로 방치할 수 있습니다. 추가 사용 전에 세척된 기판을 검사하여 세척 과정을 다시 거칠 필요가 없는지 확인하십시오.
2. 산화 마그네슘 산화 아연 창 층 스퍼터 증착
참고: 이 MgZnO 스퍼터 증착 공정은 불균형 한 자석과 직경 4", 0.25 "두께의 타겟을 15cm의 표적 대 기판 거리를 사용합니다. 대상은 99.99% 순도(MgO) 11(ZnO)89% 중량이다.
- 스퍼터 시스템 시동
- 스퍼터 챔버용 확산 펌프다음에 기계식 펌프와 포어라인 밸브를 켭타. 대상 냉각수가 켜지고 대상 냉각수에 대한 기계 밸브가 열려 있는지 확인합니다.
- 펌프의 스위치를 사용하여 로드 록 펌프를 켭니다.
- 확산 펌프를 15분 동안 데우세요.
- 압력 게이지의 챔버 압력을 확인하십시오: 2.0 x10-1 Torr 미만이면 확산 펌프 게이트 밸브를 엽니다. 압력이 2.0 x 10-1 Torr보다 큰 경우 포말판 밸브를 닫고 압력이 떨어질 때까지 황삭 밸브를 엽니다. 그런 다음, 스위치는 황삭 밸브를 닫고, 포라인을 열고, 수동으로 확산 펌프 게이트 밸브를 엽니 다.
- 컴퓨터 소프트웨어에서 가동 압력을 5mTorr로 설정하고 가스 흐름을 가능하게 하는 "가스 활성화"를 클릭합니다. 흐름은 ~ 19-20 sccm이어야하며 산소는 소프트웨어에서 아르곤과 함께 총 흐름의 3 %로 설정해야합니다.
- 챔버가 10 분 동안 펌핑 할 수 있도록하십시오.
- 이온 게이지 판독값에서 기본 압력이 1.0 x 10-5 Torr 미만이는지 확인합니다.
- 이송 암이 챔버에서 완전히 후퇴되었는지 확인(챔버 뷰포트를 통해 샘플 홀더가 챔버에 없는지 확인), 로드 잠금 게이트 밸브를 닫은 스위치를 전환합니다.
- 셔터가 닫혀 있는지 확인: 뷰포트 창을 통해 셔터 음극 바로 위에 있는지 확인하여 이 셔터를 확인할 수 있습니다.
- 전원 공급 장치에 RF 발전기 전원을 60W로 설정합니다. 컴퓨터 소프트웨어에서 플라즈마 점화에 대한 압력을 15 mTorr로 증가, RF 전원을 켜고, 플라즈마가 점화되면, 소프트웨어에서 다시 5 mTorr로 압력을 감소. 반사된 전력은 1-2W여야 합니다. 훨씬 높은 경우 RF 일치 네트워크를 조정해야 합니다.
- 균열을 방지하기 위해 대상을 예열해야 합니다: 최종 전력 140W에 도달할 때까지 RF 발전기의 전력을 20W/min의 속도로 증가시면 됩니다. 반사된 전력은 이상적으로 실제 전력의 5%여야 합니다. 셔터를 15분 동안 닫은 후 대상이 스퍼터에 미리 퍼질 수 있도록 합니다.
- MgZnO 스퍼터 증착
- 증착 속도를 보정하려면 감시 샘플을 조작해야 합니다. 영구 마커를 사용하여 깨끗한 기판의 TCO 코팅 면에 ~0.2 cm(길이) 선을 그립니다.
- 로드 록 게이트 밸브가 닫혀 있는지 확인한 다음 로드 잠금 도어 노브를 느슨하게 열고 엽니다. 로드 록 도어가 풀릴 때까지 UHP 질소 벤트 밸브의 쿼터 턴으로 로드 록을 배출합니다. 도어가 열려 있는 동안 로드 록을 제거하기 위해 벤트 밸브를 부분적으로 열어 두십시오.
- 휴대용 에어 블로어를 사용하여 깨끗한 TCO 코팅 기판에서 먼지 입자를 부드럽게 제거하십시오. 샘플 홀더의 기판을 제거하고 고무 팁 핀셋을 사용하여 깨끗한 기판 TCO를 옆으로 적재하십시오. 증착 영역을 피하기 위해 가장자리에 샘플을 잡습니다.
- 로드 록 도어를 닫고 조입니다. 로드 록 펌프를 켜고 질소 통풍 밸브를 닫습니다.
- 로드 잠금 압력 게이지가 5.0 x 10-2 Torr 미만으로 판독될 때까지 로드 잠금을 펌프합니다. 그런 다음 로드 잠금 펌프를 끄고 로드 잠금 게이트를 엽니다 (압력이 7 mTorr 이상으로 급증해서는 안됩니다). 압력이 수평이 될 때까지 기다렸다가 샘플이 셔터된 음극 위에 위치하도록 전사 암을 수동으로 삽입합니다.
- 타이머에서 원하는 증착 시간을 설정하고 셔터를 수동으로 열 때 타이밍을 시작합니다. 타이머가 꺼지면 즉시 셔터를 닫습니다.
- 수동으로 이송 암을 완전히 후퇴시키고 로드 잠금 게이트를 닫습니다.
- 2.2.2-2.2.5 단계 의 샘플을 제거하거나 교환하십시오.
- MgZnO 증착 속도를 얻으려면, 메탄올에 담근 면 팁 어플리케이터를 사용하여 증인 샘플에서 영구 마커를 제거하십시오. profilometer17을 사용하여 두께를 측정하고 원하는 MgZnO 두께에 대한 후속 증착 시간을 설정합니다 (이 작품에 제시된 샘플에 대한 100 nm).
- 원하는 만큼 의증을 반복합니다.
참고 : MgZnO 증착 후, 샘플은 몇 시간 동안 저장 될 수있다. 산화의 위험이 있으므로 최상의 결과를 위해 1 주일 이상 진공 상태에서 건조기에 보관하는 것이 좋습니다.
3. 흡수기 층의 밀착 공간 승화 증착 및 치료
- CSS 시스템 시동
- 1) 시스템이 진공 상태인지, 2) 기계 및 확산 펌프가 켜지고, 3) 로드 잠금 게이트 밸브가 챔버에 열려 있고 4) 압력이 40 mTorr로 설정되어 있는지 확인하십시오.
- 가스 흐름 밸브(98% N2 및 2%O2)를수동으로 열고 컴퓨터 소프트웨어에서 "가스 사용"을 선택합니다. 압력은 약 40 mTorr 를 안정화해야합니다.
- RGA 밸브를 열고 소프트웨어 프로그램에 연결하여 잔류 가스 분석기(RGA)를 켭니다. 이것은 시스템의 물, 산소, 질소 및 수소 수준을 추적하는 데 필요합니다. 이러한 수준은 전형적으로 약 4.5 x 10-9,2.5 x 10-8,2.3 x 10-6,및 각각 8.0 x 10-10 Torr입니다.
- CSS 시스템의 상부 및 하부 소스를 컴퓨터 프로그램의 작동 온도까지 끌어올 수 있습니다. 최고 소스 온도는 예열의 경우 620°C, CdTe의 경우 360°C, CdSe20 Te80의경우 420°C, CdCl2의경우 387°C, 어닐의 경우 400°C, 베이크오프의 경우 620°C로 설정됩니다. 하단 소스 온도는 예열의 경우 620°C, CdTe의 경우 555°C, CdSe20Te80의경우 545°C, CdCl2의경우 439°C, 어닐의 경우 400°C, 베이크오프의 경우 620°C로 설정됩니다. 이러한 온도 차이는 재료가 소스 사이에 있는 샘플에 승화되도록 바닥에서 상단 소스로 승화를 촉진합니다.
- 소스가 작동 온도에 도달하면 베이크오프 레시피를 통해 샘플 홀더를 실행합니다: 소프트웨어에서 레시피 목록에서 "Bakeoff"를 선택하고 "실행"을 클릭합니다. 이렇게 하면 샘플 홀더가 480초 동안 베이크오프 소스에 유지되도록 전사 암이 자동으로 이동합니다. 이렇게 하면 샘플 홀더가 가열되고 여분의 재료가 구워집니다.
- 전사 암이 샘플 홀더를 자동으로 홈 위치로 후퇴시키고 게이트 밸브를 닫은 후 UHP 질소 벤트 밸브를 열어 로드 록을 배출합니다. 환기시 로드 록 도어를 열고 통풍 밸브를 닫습니다.
- 흡수제의 CSS 증착 및 패시베이션 처리
- 핸드헬드 에어 블로어를 사용하여 깨끗한 MgZnO/TCO 코팅 기판에서 먼지 입자를 부드럽게 제거하고 기판을 샘플 홀더(MgZnO 측면 아래로)에 로드합니다.
- 로드 잠금 도어를 닫고 로드 잠금 가공 스위치를 켜서 로드 잠금 장치를 펌프다운합니다.
- 아래로 펌핑하는 동안 CSS 증착에 필요한 레시피를 컴퓨터 프로그램에 입력합니다. CdTe 및 CdSeTe/CdTe 구조를 준비하는 데 사용되는 레시피는 이 단계에서 다르며 다음과 같습니다.
- CdTe 미러링 모니터 샘플(CdTe 증착 속도 측정, CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치 제작에 모두 필요한 경우)의 경우 다음을 사용하십시오.
예열원에서 110s(이것은 유리를 ~480°C로 상승시켜 CdTe가 기판 상에 제대로 승화되도록);
CdTe 소스에서 110 s (이것은 기판 상에 CdTe를 승화);
CdCl2 소스에서 180 s [CdCl2 증착은 좋은 CdTe 장치 성능을 위해 필요하다 (그것은 곡물 경계와 매달려 결합을 통과하고 다결정 CdTe 흡수기에서 곡물 성장 및 정렬을 촉진하는 것으로 나타났다12,13,14,15, 16];
240 s 의 어닐링 소스 (이것은 흡수제 물질로 CdCl2를 구동); 및
냉각 소스에서 300s (이것은 하역시 시료를 냉각 할 수 있습니다). - 면도날을 사용하여, CdTe 물질의 작은 영역을 기판에서 떨어져 서재하고 표면 profilometer를 사용하여 CdTe 필름 두께를 측정하여증착속도(17)를결정한다.
- CdSeTe 미러링 모니터 샘플(CdSeTe 증착 속도 측정용, CdSeTe/CdTe 장치 제작에만 필요) 다음을 사용하십시오.
예열원에서 140s (이것은 유리를 ~ 540 °C로 상승시켜 CdSeTe가 기판 상에 적절하게 승화되도록);
CDSeTe 소스에서 300 s (이것은 기판상에 CdSeTe를 승화); 및
냉각 소스에서 300 s. - 면도날을 사용하여, CdSeTe 물질의 작은 영역을 기판에서 떨어져 서재하고 표면 profilometer를 사용하여 CdSeTe 필름 두께를 측정하여 증착율17을결정한다.
- 얇은 단일 흡수제(CdTe 샘플)의 경우 다음을 사용하십시오.
예열 원에서 110 s;
CdTe 소스에서 xx s [거주 시간은 CdTe 증착 속도 및 원하는 두께에 따라 달라집니다 (여기에 사용되는 1.5 μm 단일 CdTe 흡수제의 경우, 거주 시간은 60 s입니다);
CdCl2 소스에서 150s [CdCl2 처리는 흡수기 두께에 의존한다; 따라서, 실험은 처리 조건을 최적화하기 위하여 실시되어야 한다 (나열된 거주 시간은 얇은, 1.5 μm 흡수제18];
240 s에서 어닐소스; 및
냉각 소스에서 300 s. - 얇은 이중층 흡수제(CdSeTe/CdTe 샘플)의 경우 다음을 사용하십시오.
예열 원에서 140 s;
CdSeTe 소스에서 xx s [다시, 거주 시간은 CdSeTe 증착 속도 및 원하는 두께에 따라 달라집니다 (여기에 사용되는 0.5 μm CdSeTe 층의 경우, 거주 시간은 231 s입니다);
CdTe 소스의 xx s [거주 시간은 CdTe 증인 샘플의 측정 된 두께로부터 계산 된 원하는 CdTe 두께 및 증착 속도에 따라 달라집니다 (여기에 사용되는 1.5 μm 이중층 CdSeTe / CdTe 흡수제의 경우, 거주 시간은 1.0 μm CdTe 층에 대해 50s입니다);
CdCl2 소스에서 150 s;
240 s에서 어닐소스; 및
냉각 소스에서 300 s. - 로드 잠금 압력이 컴퓨터 소프트웨어에서 40mTorr 미만으로 판독되면 소프트웨어를 사용하여 로드 잠금 게이트 밸브를 열고 "시작"을 선택합니다. 프로그램은 선택한 레시피를 자동으로 실행하고 냉각 단계10을완료하면 홈 위치로 돌아갑니다.
- 전체 증착이 완료되면 로드 록 벤트 밸브를 열고 대기로 환기하고 최종 기판 냉각을 위해 로드 잠금 도어를 엽니다. ~ 60 s 후, 기판은 보풀이없는 천으로 샘플 홀더에서 제거 할 만큼 충분히 차가워야합니다.
- 샘플이 제거되면 로드 잠금 도어를 닫고 황삭 스위치를 켜서 로드 잠금 장치를 펌프하고 3.1.5 단계를 따라 베이크오프 레시피를 실행합니다. 샘플 홀더를 청소하려면 각 샘플 증착 간에 베이크오프를 실행해야 합니다.
- 처리된 샘플은 CdCl2 처리로부터 필름 상에 백색 흐릿한 층을 가져야 한다. 안개 패턴을 기록하기 위해 필름사진을 찍습니다. CdCl2 치료에서 눈에 보이는 물질이 거의 없거나 전혀 없는 경우, 이 치료는 최적화가 필요할 수 있습니다.
- DI 물을 사용하여 필름의 과잉 CdCl2 물질을 그라디비커로 헹구고 압축 아르곤으로 필름을 건조시다.
주의: 이 CdCl2 헹죄는 포함된 인클로저에서 수행해야 합니다. 완료되면 CdCl2/DI물 혼합물을 적절한 유해 폐기물 용기에 폐기하십시오.
참고 : CSS 증착 후, 샘플은 몇 시간 동안 저장할 수 있지만 최상의 결과를 위해 1 주일 이상 진공 상태의 건조기에 보관하는 것이 좋습니다. 자동화된 인라인 CSS 증착 시스템의 회로도는 그림 2에나와 있습니다.
4. 밀착 공간 승화 구리 처리
- CSS 시스템 시동
- 기계 식 및 확산 펌프가 있는지 확인하십시오.
- 공정 가스 밸브를 열고 압력 게이지에 40 mTorr 작동 압력이 표시 될 때까지 가스 흐름 제어 노브를 수동으로 조정합니다.
- 비례 적분 유도체(PID) 컨트롤러를 사용하여 CSS 소스를 수동으로 설정하고 켭니다. 본 실험에 사용된 최고 공급원 온도는 예열 소스의 경우 330°C, CuCl 소스의 경우 170°C, 어닐링 소스의 경우 200°C입니다. 하단 소스 온도는 예열 소스의 경우 330°C, CuCl 소스의 경우 190°C, 어닐링 소스의 경우 200°C입니다.
- 확산 펌프 밸브를 열고 로드 잠금 게이트 밸브를 수동으로 닫습니다.
- 흡수기 구조에 대한 CuCl 처리
- 소스가 작동 온도에 도달하면 샘플을 샘플 홀더에 로드할 수 있습니다.
- 로드 잠금 도어의 노브를 느슨하게 합니다.
- UHP 질소 벤트 밸브의 분기 회전으로 로드 록을 배출합니다.
- 로드 록 도어를 열고 핸드헬드 에어 블로어를 사용하여 시료에서 먼지 입자를 부드럽게 제거합니다. 샘플 필름 측면을 고무 팁 핀셋 쌍을 사용하여 샘플 홀더에 내려 놓고 샘플을 가장자리에 고정하여 증착 영역을 피합니다.
- 통풍구 밸브를 닫고 로드 잠금 도어를 닫고 조입니다.
- 로드 록 펌프를 수동으로 열고 로드 록 펌프를 크로스오버 압력(40mTorr) 이하로 하십시오.
- 크로스오버 압력이 발생하면 로드 록 펌프를 수동으로 닫고 로드 잠금 게이트 밸브를 수동으로 엽니다.
- 수동으로 전열, CuCl 및 어닐 링 위치로 전송 암을 이동합니다. 타이머는 각 위치의 거주 시간에 사용됩니다. 기재된 샘플의 경우, 거침취 시간은 각각 예열, CuCl 및 어닐링 소스에 대해 75 s, 5 s 및 250s이다.
- 어닐링 단계 후 수동으로 전사 암을 홈 위치로 가져와 로드 잠금 게이트 밸브를 닫습니다.
- 4.2.1 단계를 따라 샘플을 교환하십시오.
참고: 이전 샘플을 언로드할 때 여전히 뜨거울 수 있습니다. 고무 팁 핀셋으로 샘플을 제거하고 금속 블록에서 식히십시오 (필름 측면 위쪽). Cu 처리 후, 샘플은 얼마 동안 저장 될 수 있지만 최상의 결과를 위해 1 주일 이상 진공 상태에서 건조기에 보관하는 것이 좋습니다.
- 소스가 작동 온도에 도달하면 샘플을 샘플 홀더에 로드할 수 있습니다.
5. 얇은 텔루륨의 증발 증착
- 증발기 시스템의 스위치를 사용하여 기계식 펌프, 포라인 밸브 및 확산 펌프를 켭니다. 확산 펌프를 20분 동안 데우도록 합니다.
- 질소 벤트 밸브를 열고 증발기 챔버를 들어 올려 챔버를 환기시키고 엽니다. 테를 알루미나 코팅 몰리브덴 보트에 싣는다. 재료가 적재된 후 증발기 챔버를 제자리에 다시 이동합니다.
- 석영 크리스탈 모니터 (QCM) 패널 (밀도 = 6.25 g / cm3 및 음향 임피던스 = 9.81 g /cm2s)에서 알루미나 코팅 몰리브덴 보트에서 Te 증착에 대한 적절한 설정을 입력합니다.
- 챔버 상단을 열어 샘플 홀더에 액세스합니다. 휴대용 에어 블로어를 사용하여 샘플에서 먼지 입자를 부드럽게 제거합니다. 샘플 필름 측면을 샘플 홀더에 아래로 로드하고 챔버 상단을 닫습니다.
- 레버를 황삭 위치로 수동으로 이동; 황삭 및 챔버 압력 판독값모두 떨어지기 시작해야 합니다. 압력이 10 mTorr 이하로 떨어질 수 있습니다.
- 포라인 밸브를 포라인 위치로 되돌립니다. 압력이 해결될 순간의 스파이크가 해결될 때까지 ~30s를 기다린 다음 고진공 밸브를 엽니다. 챔버 압력 판독기가 기초화되면, 1.0 x 10-5 Torr의 적절한 증착 압력에 도달했습니다.
- 전원 스위치를 켜고 셔터를 열고 전류 컨트롤을 켜서 증착을 시작합니다. 최적의 전류 작동 범위는 90-100 AC 암페르로 증착 속도가 ~5-10 Å/s가 됩니다. QCM 판독에 표시된 증착 속도는 빠르게 변경될 수 있습니다. 따라서 5-10 Å/s 사이의 속도를 유지하기 위해 증착 중에 전류를 지속적으로 조정해야 합니다.
- QCM이 원하는 Te 두께(여기에 사용된 샘플의 경우 40nm)를 표시하면 전류를 신속하고 동시에 0으로 돌리고 전원 스위치를 끄고 셔터를 닫습니다.
- 고진공 밸브를 닫고 질소 통풍 밸브를 열고 샘플 홀더에서 샘플을 제거합니다. 추가 시료에 증착을 위해 5.4-5.8 단계를 반복합니다.
참고 : Te 증착 후, 샘플은 몇 시간 동안 저장할 수 있지만 최상의 결과를 위해 1 주일 이상 진공 상태의 건조기에 보관하는 것이 좋습니다.
6. 니켈 백 접촉 응용 프로그램
주의: Ni 페인트와 메틸 에틸 케톤(MEK)의 연기로 인해 항상 오버헤드 팬을 실행하여 이 과정에서 공기를 순환시킵니다.
- 샘플(필름 측면이 앞으로 향하도록) 수직 장착 선반에 장착합니다.
- Ni 어플리케이터 건이 전체적으로 깨끗한지 확인하십시오. 그렇지 않은 경우 MEK로 청소하십시오.
- 후면 접촉은 2:1 비율로 전도성 Ni 페인트와 얇은 의 혼합물이다. 페인트를 적용하기 전에 백 컨택 트 용액을 흔들어 완벽한 혼합을 보장하십시오.
- Ni 백 접착용액을 어플리케이터 건에 붓고 부착된 공기 압축기 호스를 켭니다. 페인트가 균일하게 적용되도록 테스트 피스(즉, 판지)에 스프레이하십시오. 균일한 경우 느린 측면 동작으로 샘플 세트에 용액을 분사하여 시료에 후면 접촉을 적용합니다. 백 접촉이 약간 건조되도록 하고 완전한 커버리지에 필요한 만큼 여러 번 적용하십시오(일반적으로 5회 패스가 잘 작동).
참고 : Ni 용액은 어플리케이터 건을 건조시키고 막을 수 있습니다. 따라서 백 컨택 적용 중에 막힘 방지 공정을 피하려면 스프레이 세트 사이에 60s 를 넘지 않도록 하는 것이 중요합니다. - 공기 압축기를 끄고 뒤쪽 접촉이 시료에서 적어도 1시간 동안 건조되도록 하십시오.
7. 25 개의 작은 영역 장치로 의한 묘사
참고: 박막 구조를 전기 접촉 가능 장치로 마무리하려면 필름 스택을 TCO 전면 접점 및 Ni 백 접점에 전기적으로 액세스할 수 있도록 작은 영역 장치로 묘사해야 합니다. 이것은 반도체의 기계적 제거와 금속 마스크를 사용하여 수행된다.
- 샘플을 금속 마스크에 넣습니다.
- 마스크된 샘플을 글로브박스에 넣고 사이펀 호스를 사용하여 유리, 구슬미디어를 시료의 마스크되지 않은 부분에 적용합니다. 마스크 창이 거의 투명해질 때 적절한 재료 제거가 수행됩니다.
- 묘사를 완료하면 25개의 작은 영역 정사각형 장치가 샘플의 5 x 5 패턴으로 표시되도록 두 번째 마스크로 이 프로세스를 반복합니다. 완성 된 지역은 ~ 0.6 cm2입니다.
- DI 물에 담근 면 팁 어플리케이터로 샘플의 필름 측면을 청소합니다.
- 완성된 장치의 전기 측정에서 측면 저항을 최소화하려면 인듐 솔더가 있는 장치 간에 그리드 패턴을 솔더합니다.
참고: 완성된 장치 구조는 CdTe 및 CdSeTe/CdTe 흡수 장치용 그림 1A 및 그림 1B에 각각 제공됩니다.
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Representative Results
얇은 CdTe 흡수제에 CdSeTe를 추가하여 우수한 흡수재 품질과 더 높은 단락 전류 밀도(JSC)를통해 장치 효율을 향상시킵니다. 도 3A 및 도 3B는단일 CdTe 흡수제 및 CdSe/CdTe 바이레이어 흡수 장치에 대해 각각 PL 및 TRPL을 나타내고 있다( Bothwell등에서 8). PL 및 TRPL 측정모두 CdSeTe/CdTe 바이레이어 흡수제를 통해 향상된 광발광을 명확하게 보여줍니다. PL 강도는 6의 인자에 의해 향상되고, TRPL 꼬리 수명은, 붕괴의 느린 부분에 대한 단일 지수에 적합하며, 이중층 구조에 대해 12.6±0.1 ns이다(단층 구조에 대한 1.6±0.02 ns에 비해), 이는 더 나은 CdSeTe 재료 품질을 나타낸다. PL 측정은 또한 CdSeTe 층의 성공적인 통합을 확인합니다. 흡수 대역 갭에 해당하는 피크 PL 강도의 변화는 1.50에서 1.42 eV까지, 더 낮은 밴드 갭 CdSeTe 물질이 흡수층에서 작동한다는 것을 확인한다.
이중층 흡수기에서 더 높은 JSC는 각각 도 4 및 도 5에나타난 전류 밀도 전압(J-V) 및 양자 효율(QE) 측정에 의해 입증된다. 그림 4에 표시된 전류 밀도 축을 따라 라이트 J-V 곡선의 변화는 각각 성능이 가장 우수한 CdTe 및 CdSeTe/CdTe/CdTe 장치의 경우 JSC가 24.0mA/cm2에서 25.5mA/cm2로 변경된 것과 일치합니다.
CdTe 및 CdSeTe/CdTe 디바이스의 QE측정(도 5A 및 도 5B,각각)은 긴 파장 범위에서 이중층 디바이스의 추가적인 광자 변환을 보여주고 해당 장치에 대한 JSC의 증가를 확증한다. 파장 범위19에 걸쳐 QE 데이터를 통합하여 결정된 JSC 값은 CdTe 장치의 경우 24.6 mA/cm2, CdSeTe/CdTe 장치의 경우 25.9mA/cm2입니다. 0.5 μm CdSeTe 필름상에서 측정된 광학 전송 데이터를 채택하여, 이중층 장치에 대한 QE 데이터는 CdSeTe 및 CdTe 층8에서수집된 전류로 분리된다. 이것은 CdSeTe가 흡수에서 하는 지배적인 역할을 강조합니다. CdSeTe 층에서 수집된 전류 밀도는 CdTe 층의 3.0mA/cm2에 비해 22.9 mA/cm2이며, 이러한 경우 CdSeTe는 이중층 흡수제에서 현재 수집물의 ~90%를 차지합니다.
이중층 흡수제의 효과는 제조 공정의 최적화에 달려 있습니다. 그림 6의 조명된 J-V 데이터는 CdSeTe:CdTe 두께 비율을 최적화하는 것의 중요성을 보여줍니다: 데이터는 비최적 1.25-μm CdSeTe/0.25-μm CdTe 디바이스에서 상당한 꼬임을 보여줍니다. 백 배리어 효과로 인해 꼬임이 발생하면 장치 효율이 11.0%로 눈에 띄는 감소합니다. 최적화된 CdCl2 패시베이션은 또한 좋은 장치 성능에 매우 중요합니다. 얇은 CdTe 장치는 CdCl2 증착 시간18에민감한 의존성을 나타내며 CdCl2 패시베이션이 없는 경우 장치 효율성이 ~2%11로떨어질 수 있습니다. 저자는 CdCl2 패시베이션과 CdSeTe:CdTe 두께 비를 가장 중요한 공정 조건 중 하나라는 것을 발견했지만 모든 제조 단계와 매개 변수의 최적화가 필요합니다.
그림 1: 완성된 CdTe 기반 태양광 장치의 장치 구조입니다. (a)1.5 μm CdTe 흡수장치 구조를 이중층 구조와의 비교를 위한 기준으로 사용하였다. (B)0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe 장치 구조를 제조하여 태양광 효율을 향상시켰다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 자동화된 인라인 진공 밀착 공간 승화 증착 시스템. 샘플 홀더, 로드 잠금, 진공 인클로저 및 개별 소스의 구성 세부 정보를 제공하는 2D 회로도가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치의 광발광 비교. (a)피크 PL 강도는 CdSeTe의 혼입에 따라 6배 증가하고, 피크 위치는 더 낮은 대역 간격으로 이동하여 CdSeTe의 성공적인 통합을 나타냅니다. (B)TRPL 꼬리 수명은 붕괴의 느린 부분에 대한 단일 지수에 적합하며, CdSeTe/CdTe 장치는 CdSeTe 층의 더 나은 재료 특성을 나타내는 CdTe 장치보다 특히 더 길다. 이 그림은 Bothwell 외8에서재인쇄되어이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치의 J-V 비교. 조명 아래의 J-V 데이터는 CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치의 경우 제로 전압 포인트에서 24.0mA/cm2에서 25.5mA/cm2로 측정된 JSC의증가를 보여줍니다. 다크 J-V 데이터도 비교를 위해 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: CdTe 및 CdSeTe/CdTe 장치의 QE 비교. CdTe장치 및 (B) CdSeTe/CdTe 장치의 QE 데이터는 파장 범위에 걸쳐 QE 데이터를 통합하여 결정된 바와 같이 24.6 mA/cm2에서 25.9 mA/cm2로JSC의 증가를 보여줍니다. 0.5 μm CdSeTe 필름상에서의 전송 측정은 (B)에서 QE 신호를 CdTe 및 CdSeTe 층에서 수집된 전류로 분리하는 데 사용되었다: CdSeTe 층은 1.5 μm 이중층 장치에서 현재 수집의 ~90%를 구성한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 최적화및 최적화되지 않은 CdSeTe/CdTe 장치의 J-V 비교. 최적화되지 않은 CdSeTe:CdTe 두께 비율을 가진 CdSeTe/CdTe 장치의 조명에서 J-V 데이터는 곡선의 꼬임과 장치 효율의 감소를 보여 주며, 이는 CdSeTe:CdTe 두께 비율을 최적화하는 것의 중요성을 강조합니다. 다크 J-V 데이터도 비교를 위해 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
얇은 이중층 CdSeTe/CdTe 태양광 장치는 더 나은 재료 품질과 증가된 전류 수집으로 인해 CdTe 에 비해 효율성이 향상되었습니다. 이러한 향상된 효율성은 3 μm5,7보다큰 이중층 흡수제에서 입증되었으며, 이제 최적화된 제조 조건으로, 더 얇은 1.5μm 이중층 흡수제에 대해서도 증가된 효율이 달성된다는 것이 입증되었습니다.
얇은 이중층 흡수제제조 공정의 최적화는 기판 예열 온도, CdSeTe:CdTe 두께 비 및 CdCl2 패시베이션의 세 가지 주요 변형에 뿌리를 두고 있습니다. 적절한 CdSeTe 승화를 위해, 기판의 예열 온도는 예열 소스에서 기판 숙주 시간을 변화시킴으로써 달성되는 CdTe 승화에 대해 ~480°C에 비해 ~540°C이어야 한다. 양호한 개방 회로 전압(VOC)을유지하면서 장치의 접촉 장벽을 방지하기 위해, 도 6에도시된 바와 같이 0.5 μm CdSeTe/1.0 μm CdTe가 얇은 이중층 장치에서 최적의 비율이라는 것을 알 수 있었다. CdCl2 의 이중층 흡수제 의 치료는, 곡물 경계의 통과 및 곡물 성장 및 정렬촉진에 필수적이다 12,13,14,15,16,얇은 흡수제(18)에서특히 민감할 수 있다. 소스 온도 및 거주 시간을 모두 포함하는 훨씬 덜 공격적인 CdCl2 처리가 두꺼운 이중층 흡수제5에비해 얇은 이중층 흡수제(18)를 적절히 전달하기 위해 필요하다고 판단되었다.
CSS자동 인라인 진공 시스템과 다층 다단계 제작 공정은 장치 구조 전반에 걸쳐 수정할 수 있는 기회를 제공합니다. 이 연구에서 CdSe20Te80 소스로부터 승화-증착된 CdSe 층은 CdSe 및 CdTe 소스로부터 공동 승화로 증착될 수도 있습니다. 일부 초기 작업은 제한된 성공과 CdSeTe의 공동 승화 증착과 관련된 콜로라도 주립 대학에서 실시되었습니다20. CdSeTe/CdTe 인터페이스는 CdSeTe 및 CdTe 층의 상호 통합을 제어하여 조정할 수도 있습니다.
제시된 얇은 이중층 장치에는 의도적인 상호 융합이 없습니다. 그러나, 층의 상호융합은 두꺼운 이중층에서 촉진되고 열구동 혼재 공정에 대한CdCl2 증착 후 어닐링 시간을 증가시킴으로써 달성된다5. 혼재의 정도를 제어하면 이중층 흡수기의 일부 밴드 갭 엔지니어링을 허용하고 완성된 장치에서 광자 흡수 프로파일 및 전류 수집을 조정하는데 사용할 수 있습니다. 그룹-V 도펀트6,21,22와같은 다른 도펀트는 또한 역사적으로 사용되는 Cu 도펀트를 대체하기 위해 통합될 수 있다. Group-V 도핑은 1.0E17cm-3의더 높은 달성 가능한 흡수제 도핑 수준을 제공하며, 장기 안정성6을나타내며, 승화를 위해 도핑된 소스 재료를 사용하여 CSS 증착 과정에 원활하게 통합될 수 있다(현재 콜로라도 주립 대학의 동료들에 의해 탐구되고 있음)23,24. 박막 구조의 추가 층은 원하는 경우 크거나 작은 방법으로 변형될 수도 있다. 옵션에는 완전한 재료 제거 또는 교체, 제조 방법 변경 또는 증착 조건 또는 증착 후 처리의 변화가 포함됩니다.
CdSeTe/CdTe 흡수기를 CdTe 흡수제에 비해 유리하게 만드는 하나의 이중층 특성도 한계로 작용합니다. 이중층 흡수기의 하부, 1.42 eV 대역 간격 대. 단층 CdTe 흡수기의 1.50 eV 대역 갭은 향상된 JSC를위해 광자 수집을 증가하지만, 낮은 대역 갭은 본질적으로 달성 가능한 최대 개방 회로 전압 (VOC)을제한하므로 장치 효율을 제한합니다. 이러한 제한을 완화하기 위해, 얇은 CdSeTe/CdTe 디바이스 구조를 개선하는 다음 단계는 VOC를증가시키기 위해 디바이스의 후면에 더 높은 대역 갭 재료를 통합하는 것이다.
모델링은 CdTe 층 이후에 얇은 ~ 100 nm, 1.8 eV 물질의 혼입이 후 전도 밴드 장벽을 생성하고 재조합이 취약한후면(25,26)으로부터광전자 및 전방 전류 전자를 반사시킴으로써 후면 재조합을 감소시키는 것을 입증하였다. 이러한 "전자 반사판" 구조는 흡수기 두께가 2 μm25미만으로 제한되도록 완전히 고갈된 흡수기를 필요로 하며, 이러한 구성에 적합한 얇은 이중층 흡수기를 만드는 것이다. 카드뮴 마그네슘 텔루라이드 (CdMgTe), 높은 밴드 갭 CdTe 합금 재료, 때문에 공동 승화 또는 스퍼터 증착에 의해 기존의 장치 제조 공정에 조정 밴드 갭과 간단한 통합이이 층에 대한 이상적인 후보입니다.
얇은 CdSeTe/CdTe 이중층 장치의 향상된 전류 수집 및 광 발광 특성을 통해 장치 효율성을 높이는 것은 제조 시간과 비용 절감, 그리고 장치 구조 및 VOC의향후 개선에 중요합니다. 이 연구에서 흡수제 증착 및 패시베이션에 사용되는 CSS 자동 인라인 진공 시스템은 증착 속도에 주목할 만합니다. 스퍼터링 및 금속 유기 화학 적 증착 (MOCVD)과 같은 다른 제조 방법은 동일한 증착(27,28)에대해 15 배 이상 걸릴 수 있습니다.
인라인 CSS는 확장성 옵션도 제공합니다. 제시된 작은 면적 연구 장치를 만드는 데 사용되는 제조 공정은 제조 파라미터화의 손실을 최소화하면서 PV 모듈 제조를 위한 대규모 공정에서 구현될 수 있다. 이 작품에 제시된 CdSeTe/CdTe 이중층 구조는 매우 얇은 흡수기를 사용하여 성공을 거두는 데에도 큰 의미를 지니고 있습니다. 특히, 1.5μm 바이레이어 흡수기만으로 16%에 가까운 장치 효율은 초박형 흡수제에서도 CdTe에서 CdTe로의 이점을 보여줍니다. 이와 같은 얇은 흡수기 층은 제조 시간과 재료 절감을 더 제공하고, CdSeTe / CdTe 장치에 존재하는 전압 적자를 최소화하기 위해 전자 반사판 구조를 탐구 할 수있는 기회를 제공합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
저자는 그의 증착 시스템의 사용에 대한 교수 W.S. Sampath, 시스템 지원을위한 케반 카메론, 두꺼운 이중 층 세포와 인라인 자동화 CSS 진공 증착 시스템의 보충 영상과 그의 작품에 대한 아미트 문시 박사, 박사에게 감사드립니다. TRPL 측정에 대한 지원을 위한 다리우스 쿠치아우스카스. 이 자료는 미국 에너지 기술 사무소(SETO) 계약 번호 DE-EE0007543에 따라 미국 에너지 에너지 효율 및 신재생 에너지 사무소(EERE)가 지원하는 작업을 기반으로 합니다.
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).
