Summary
Este trabalho descreve o processo completo de fabricação de dispositivos fotovoltaicos de telúrio de cádmio de cádmio fino para maior eficiência. O processo utiliza um sistema de vácuo em linha automatizado para deposição de sublimação de espaço fechado que é escalável, a partir da fabricação de dispositivos de pesquisa de pequena área, bem como módulos de grande escala.
Abstract
Os desenvolvimentos em arquiteturas de dispositivos fotovoltaicos são necessários para tornar a energia solar uma fonte econômica e confiável de energia renovável em meio às crescentes demandas globais de energia e às mudanças climáticas. A tecnologia CdTe de filme fino demonstrou custo-competitividade e eficiência crescente devido parcialmente a tempos de fabricação rápidos, uso mínimo de material e introdução de uma liga CdSeTe em uma camada absorvente de ~3 μm. Este trabalho apresenta a fabricação de sublimação de espaço fechado de dispositivos bicamadas CdSeTe/CdTe de 1,5 μm usando um sistema automatizado de deposição de vácuo em linha. A estrutura de bicamadafina fina e a técnica de fabricação minimizam o tempo de deposição, aumentam a eficiência do dispositivo e facilitam o desenvolvimento futuro da arquitetura de dispositivos baseados em absorventes finos. Três parâmetros de fabricação parecem ser os mais impactantes para otimizar dispositivos absorventes CdSeTe/CdTe finos: temperatura pré-aquecimento do substrato, razão de espessura CdSeTe:CdTe e passivação CdCl2. Para a sublimação adequada do CdSeTe, a temperatura do substrato antes da deposição deve ser de ~540 °C (maior do que a do CdTe) conforme controlado pelo tempo de mora em uma fonte de pré-aquecimento. A variação na relação de espessura CdSeTe:CdTe revela uma forte dependência do desempenho do dispositivo nesta proporção. As espessuras dos absorvedores ideais são cdSeTe/1,0 μm CdTe de 0,5 μm, e as relações de espessura não otimizadas reduzem a eficiência através de efeitos de barreira traseira. Os absorventes finos são sensíveis à variação de passivação CdCl2; um tratamento cdCl2 muito menos agressivo (comparado com absorventes mais espessos) em relação à temperatura e ao tempo produz o desempenho ideal do dispositivo. Com condições de fabricação otimizadas, o CdSeTe/CdTe aumenta a densidade da corrente de curto-circuito do dispositivo e a intensidade da fotoluminescência em comparação com o CdTe de um único absorvente. Além disso, um sistema de deposição de vácuo de sublimação em espaço fechado oferece redução de material e tempo, escalabilidade e capacidade de atingimento de futuras arquiteturas de absorventes ultrafinos.
Introduction
A demanda global de energia está acelerando rapidamente, e o ano de 2018 foi o mais rápido( 2,3%) taxa de crescimento na última década1. Em pares com a crescente consciência dos efeitos das mudanças climáticas e da queima de combustíveis fósseis, tornou-se abundantemente clara a necessidade de energia renovável, econômica e econômica. Das muitas fontes de energia renovável, a energia solar é distinta para seu potencial total, pois a quantidade de energia solar que atinge a Terra excede em muito o consumo global de energia2.
Os dispositivos fotovoltaicos (PV) convertem diretamente a energia solar em energia elétrica e são versáteis em escalabilidade (por exemplo, minimódulos de uso pessoal e matrizes solares integradas à rede) e tecnologias de materiais. Tecnologias como multi-e-single-junction, single-crystal gálio arsenide (GaAs) células solares têm eficiências que alcançam 39,2% e 35,5%, respectivamente3. No entanto, a fabricação dessas células solares de alta eficiência é cara e demorada. O telúrio de cádmio policristalino (CdTe) como um material para PVs de filme fino é vantajoso para seu baixo custo, fabricação de alto preço, variedade de técnicas de deposição e coeficiente de absorção favorável. Esses atributos tornam o CdTe propício para a fabricação em larga escala, e melhorias na eficiência tornaram o CdTe econômico com o silício e os combustíveis fósseis dominantes no mercado de PV4.
Um avanço recente que tem impulsionado o aumento da eficiência do dispositivo CdTe é a incorporação de material de liga de telúrio de selênio de cádmio (CdSeTe) na camada absorvente. A integração do material CdSeTe de banda inferior ~1,4 eV em um absorvedor cdTe de 1,5 eV reduz a abertura da banda frontal do absorvedor bilayer. Isso aumenta a fração de fótons acima do gap da banda e, portanto, melhora a coleção atual. A incorporação bem sucedida do CdSeTe em absorventes de 3 μm ou mais espessos para o aumento da densidade da corrente foi demonstrada com várias técnicas de fabricação (ou seja, sublimação de espaço fechado, deposição de transporte de vapor e eletroplating)5,6,7. O aumento da espectroscopia de emissão de emissão de fotoluminescência da temperatura ambiente (PL), a fotoluminescência por tempo de resolução (TRPL) e os sinais de eletroluminescência dos dispositivos absorventes bicamadas5,8 indicam que, além do aumento da coleta atual, o CdSeTe parece ter melhor eficiência radiativa e vida útil minoritária, e um dispositivo CdSeTe/CdTe tem uma tensão maior em relação ao ideal do que apenas com CdTe. Isso tem sido atribuído em grande parte à passivação de selênio de defeitos a granel9.
Pouca pesquisa tem sido relatada sobre a incorporação de CdSeTe em absorvedores de CdTe mais finos (≤1,5 μm). Por conseguinte, investigamos as características dos finos dispositivos de absorção de bicamadas CdSeTe/1,0 μm CdTe fabricados pela sublimação de espaço próximo (CSS) para determinar se os benefícios vistos em absorvedores bicamadas espessos também são atingíveis com absorvedores finos de bicamadas. Tais absorventes CdSeTe/CdTe, mais do que duas vezes mais finos que seus contrapartes mais grossos, oferecem uma notável diminuição no tempo de deposição e material e menores custos de fabricação. Finalmente, eles têm potencial para futuros desenvolvimentos de arquitetura de dispositivos que requerem espessuras absorventes inferiores a 2 μm.
A deposição css de absorventes em um único sistema de vácuo automatizado em linha oferece muitas vantagens sobre outros métodos de fabricação10,11. Taxas de deposição mais rápidas com a fabricação de CSS aumentam o throughput do dispositivo e promovem conjuntos de dados experimentais maiores. Além disso, o ambiente de vácuo único do sistema CSS neste trabalho limita desafios potenciais com interfaces absorventes. Os dispositivos PV de filme fino possuem muitas interfaces, cada uma das quais pode atuar como um centro de recombinação para elétrons e buracos, reduzindo assim a eficiência geral do dispositivo. O uso de um único sistema de vácuo para os depoimentos de CdSeTe, CdTe e cloreto de cádmio (CdCl2)(necessário para uma boa qualidade de absorvente12,13,14,15,16) pode produzir uma melhor interface e reduzir defeitos interfaciais.
O sistema de vácuo automatizado em linha desenvolvido na Colorado State University10 também é vantajoso em sua escalabilidade e repetibilidade. Por exemplo, os parâmetros de deposição são definidos pelo usuário, e o processo de deposição é automatizado de forma que o usuário não precise fazer ajustes durante a fabricação do absorvedor. Embora dispositivos de pesquisa de pequena área sejam fabricados neste sistema, o projeto do sistema pode ser ampliado para depoimentos de áreas maiores, permitindo um elo entre a experimentação em escala de pesquisa e a implementação em escala de módulos.
Este protocolo apresenta os métodos de fabricação utilizados para fabricar dispositivos PV cdSeTe/1,0 μm CdTe de 1,0 μm. Para comparação, um conjunto de dispositivos CdTe de 1,5 μm são fabricados. As estruturas de absorvedores de camadas simples e bicamadas têm condições de deposição nominalmente idênticas em todas as etapas do processo, excluindo a deposição do CdSeTe. Para caracterizar se os amortecedores finos de CdSeTe/CdTe mantêm os mesmos benefícios demonstrados por suas contrapartes mais grossas, a densidade-tensão atual (J-V), a eficiência quântica (QE) e as medições de PL são realizadas nos dispositivos de absorção de um único e bicamada. Um aumento na densidade de corrente de curto-circuito (JSC) medida por J-V e QE, além de um aumento no sinal PL para o CdSeTe/CdTe vs. Dispositivo CdTe, indicar que dispositivos CdSeTe/CdTe finos fabricados pela CSS mostram notável melhoria na coleta atual, qualidade do material e eficiência do dispositivo.
Embora este trabalho se concentre nos benefícios associados à incorporação de uma liga CdSeTe em uma estrutura de dispositivo CdTe PV, o processo completo de fabricação para dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe é descrito posteriormente na íntegra. A Figura 1A,B mostra estruturas de dispositivos concluídas para dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe, respectivamente, compostas por um substrato de vidro revestido de óxido de condução transparente (TCO) com tratamento de óxido de magnésio n-tipo magnésio (MgZnO) e conota de retorno do tratamento de cdCl2 e tratamento de doping de cobre, camada fina de Te e conota de retorno. Excluindo a deposição do absorvedor CSS, as condições de fabricação são idênticas entre a estrutura de uma única e bicamada. Assim, salvo observação em contrário, cada etapa é realizada em ambas as estruturas CdTe e CdSeTe/CdTe.
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Protocol
ATENÇÃO: As luvas devem ser usadas ao manusear substratos para evitar contaminação da filme e contato material-a-pele. Este processo de fabricação requer o manuseio de estruturas contendo compostos de cádmio; portanto, um jaleco e luvas devem ser usados em laboratório o tempo todo.
1. Limpeza de substrato
- Coloque substratos de vidro revestidos de TCO (9,1 cm x 7,8 cm) em um rack de aço inoxidável com amplo espaçamento de forma que a solução de limpeza e o ar comprimido possam ser aplicados em cada face de vidro.
- Exploda qualquer poeira dos substratos usando uma mangueira de ar comprimido de nitrogênio.
- Coloque o rack em um limpador ultrassônico (UC1) e encha com álcool isopropílico (IPA). Deixe-se sentar por 30 min para remover óleo residual e contaminantes do processo de corte de vidro industrial.
- Drene o IPA do UC1. O IPA pode ser reutilizado até 5x para a limpeza inicial dos substratos.
- Enxágüe os substratos com água deionizada (DI) e, em seguida, encha UC1 com água DI cerca de 1 cm acima da borda superior dos substratos. Adicione 200 mL de solução de limpeza concentrada uniformemente através dos substratos para remover ainda mais óleo residual, graxa, partículas ou manchas de água dura.
- Usando a potência principal, ligue UC1 para 43 kHz de frequência ultrassônica e 425 W de potência e deixe os substratos sentarem por 1 h.
- Enxágüe um segundo limpador ultrassônico maior (UC2) com água DI e encha três quartos de seu volume com água DI.
- Desligue o UC1 e remova o rack de aço inoxidável. Comece imediatamente a enxaguar substratos com água DI sobre uma pia.
NOTA: Não deixe os substratos secarem nesta fase. - Transfira o rack de aço inoxidável para UC2 e encha completamente com água DI de forma que os substratos estejam completamente cobertos. Ligue UC2 para frequência ultrassônica de 40 kHz e potência de 600 W e deixe os substratos sentarem por 30 min.
- Prepare o secador de vapor IPA caseiro.
- Garantindo que a válvula esteja fechada, conecte uma mangueira de gás ao nitrogênio de pureza ultra-alta (UHP). Abra o tanque de nitrogênio e coloque o regulador em 10 psi. Abra a válvula para o fluxo de nitrogênio e ajuste para 100 PSIG no medidor de fluxo ligado, em seguida, feche a válvula novamente.
- Encha um frasco com 150 mL de IPA fresco e corte firmemente o frasco. A rolha sela firmemente a abertura do frasco, permitindo que nitrogênio e IPA passem por dois pequenos sistemas de tubos metálicos embutidos na rolha. Estes se conectam a um pequeno sistema de tubulação metálica com furos finos, que fica acima de UC2 de tal forma que o vapor de nitrogênio/IPA é incidente nos substratos.
- Quando o ciclo de lavagem UC2 estiver pronto, desligue o calor e o UC2.
- Abra a válvula do secador de vapor para o nitrogênio e IPA e abra a válvula de drenagem em UC2 de tal forma que a água DI saia muito lentamente.
NOTA: A água DI deve ser drenada muito lentamente. Este processo substitui a água DI por vapor de nitrogênio/IPA para evitar que as manchas de água se formem nos substratos. Isto deve levar de 1 a 2 h para 30.000 cm3 de água. - Quando estiver completamente drenado, retire o rack do UC2 e feche a válvula do secador de vapor.
- Armazene em um ambiente limpo e contido para uso futuro.
NOTA: Os substratos limpos podem ser deixados neste ambiente indefinidamente, desde que permaneçam limpos. Inspecione os substratos limpos antes de usar novamente para garantir que eles não precisem passar pelo processo de limpeza novamente.
2. Depósito de camada de óxido de zinco de magnésio
NOTA: Este processo de deposição de sputter mgZnO utiliza um magnetron desequilibrado e um alvo de 4" de diâmetro, 0,25" de espessura com uma distância de alvo para substrato de 15 cm. A meta é 99,99% de pureza (MgO)11(ZnO)89 por cento de peso.
- Start-up do sistema Sputter
- Ligue a bomba mecânica e a válvula de linha de linha, seguida da bomba de difusão da câmara de sputter. Certifique-se de que a água de resfriamento alvo está sobre e que as válvulas mecânicas para a água de resfriamento alvo estão abertas.
- Ligue a bomba de bloqueio de carga usando o interruptor na bomba.
- Deixe a bomba de difusão aquecer por 15 min.
- Verifique a pressão da câmara no medidor de pressão: se estiver abaixo de 2,0 x 10-1 Torr, abra a válvula do portão da bomba de difusão. Se a pressão for maior que 2,0 x 10-1 Torr, troque a válvula de linha de corte para fechar e abra a válvula de aspereza até que a pressão caia. Em seguida, feche a válvula de roughing, abra a linha de fundo e abra manualmente a válvula do portão da bomba de difusão.
- No software do computador, defina a pressão de execução para 5 mTorr e clique em "gas enable", que permite o fluxo de gás. O fluxo deve ser de ~19-20 sccm e oxigênio definido para 3% do fluxo total com o equilíbrio como argônio no software.
- Deixe a câmara bombear por 10 min.
- Verifique se a pressão base está abaixo de 1,0 x 10-5 Torr na leitura do medidor de íons.
- Certifique-se de que o braço de transferência está totalmente retraído da câmara (olhe através da porta de visão da câmara para garantir que o suporte da amostra não esteja na câmara) e mude a válvula do portão de bloqueio de carga fechada.
- Certifique-se de que o obturador está fechado: isso pode ser verificado olhando através da janela do viewport para ver se ele está diretamente acima do cátodo sputter.
- Na fonte de alimentação, coloque a potência do gerador RF em 60 W. No software do computador aumente a pressão para 15 mTorr para ignição de plasma, ligue a energia RF e, uma vez que o plasma tenha inflamado, reduza a pressão de volta para 5 mTorr no software. A potência refletida deve ser de 1-2 W. Se for muito mais alto, a rede de correspondência RF deve ser ajustada.
- O alvo deve ser aquecido para evitar rachaduras: aumente a potência do gerador de energia RF a uma taxa de 20 W/min até atingir uma potência final de 140 W. O poder refletido deve ser idealmente <5% do poder real. Deixe o alvo pré-sputter com o obturador fechado por 15 min.
- Depoimento de sputter mgZnO
- Para calibrar a taxa de depoimento, uma amostra de testemunha deve ser fabricada. Use um marcador permanente para desenhar uma linha de ~0,2 cm (comprimento) no lado revestido de TCO de um substrato limpo.
- Certifique-se de que a válvula do portão de bloqueio de carga está fechada, depois solte e abra a maçaneta da porta de bloqueio de carga. Ventile a trava de carga com um quarto de volta da válvula de ventilação de nitrogênio UHP até que a porta de bloqueio de carga se solte. Mantenha a válvula de ventilação parcialmente aberta para limpar a trava de carga enquanto a porta estiver aberta.
- Use um soprador de ar portátil para remover suavemente quaisquer partículas de poeira do substrato limpo revestido de TCO. Remova qualquer substrato no suporte da amostra e carregue o TCO de substrato limpo para baixo usando um par de pinças com ponta de borracha. Segure a amostra na borda para evitar a área de deposição.
- Feche e aperte a porta de bloqueio de carga. Ligue a bomba de bloqueio de carga e feche a válvula de ventilação de nitrogênio.
- Bombeie o bloqueio de carga até que o medidor de pressão de bloqueio de carga esteja abaixo de 5,0 x 10-2 Torr. Em seguida, desligue a bomba de bloqueio de carga e abra o portão de bloqueio de carga (a pressão não deve subir acima de 7 mTorr). Aguarde que a pressão nivele e insira manualmente o braço de transferência de modo que a amostra fique acima do cátodo fechado.
- Defina o tempo de deposição desejado em um temporizador e comece a cronometrar à medida que o obturador estiver sendo aberto manualmente. Feche imediatamente o obturador à medida que o temporizador se apaga.
- Retraia manualmente o braço de transferência completamente e feche o portão de bloqueio de carga.
- Remova ou troque a amostra seguindo as etapas 2.2.2-2.2.5.
- Para obter a taxa de deposição mgzno, remova o marcador permanente da amostra de testemunha com um aplicador de ponta de algodão mergulhado em metanol. Medir a espessura utilizando um profilómetro17 e definir os tempos subsequentes de deposição para a espessura desejada de MgZnO (100 nm para as amostras apresentadas neste trabalho).
- Repita o depoimento para quantas amostras desejarem.
NOTA: Após o depoimento de MgZnO, as amostras podem ser armazenadas por algum tempo. o risco de oxidação, recomenda-se que sejam armazenados em um dessecador vácuo por no máximo 1 semana para obter melhores resultados.
3. Deposição de sublimação de espaço fechado e tratamento de camadas absorventes
- Start-up do sistema CSS
- Certifique-se de que 1) o sistema está vácuo, 2) as bombas mecânicas e de difusão estão ligados, 3) a válvula do portão de bloqueio de carga está aberta para a câmara, e 4) a pressão é definida para 40 mTorr.
- Abra manualmente a válvula de fluxo de gás (98% N2 e 2% O2) e selecione "Gas enable" no software do computador. A pressão deve estabilizar em torno de 40 mTorr.
- Ligue o analisador de gás residual (RGA) abrindo a válvula RGA e conectando-se ao programa de software. Isso é necessário para rastrear os níveis de água, oxigênio, nitrogênio e hidrogênio no sistema. Esses níveis são tipicamente em torno de 4,5 x 10-9, 2,5 x 10-8, 2,3 x 10-6, e 8,0 x 10-10 Torr para cada um, respectivamente.
- Leve as fontes superior e inferior do sistema CSS até as temperaturas operacionais no programa do computador. As temperaturas de fonte superior estão definidas para 620 °C para pré-aquecimento, 360 °C para CdTe, 420 °C para CdSe20Te80, 387 °C para CdCl2, 400 °C para anneal e 620 °C para bakeoff. As temperaturas de origem inferior estão definidas para 620 °C para pré-aquecimento, 555 °C para CdTe, 545 °C para CdSe20Te80, 439 °C para CdCl2, 400 °C para anneal e 620 °C para bakeoff. Esses diferenciais de temperatura promovem a sublimação da parte inferior para as fontes superiores, de tal forma que o material sublide na amostra, localizado entre as fontes.
- Quando as fontes atingirem as temperaturas de funcionamento, execute o suporte da amostra através da receita de bakeoff: no software, selecione "Bakeoff" na lista de receitas e clique em "Run". Isso moverá automaticamente o braço de transferência de modo que o suporte da amostra permaneça na fonte de bakeoff por 480 s. Isso aquece o suporte da amostra e assa qualquer excesso de material.
- Depois que o braço de transferência retrai automaticamente o suporte da amostra para a posição inicial e fecha a válvula do portão, ventile o bloqueio de carga abrindo a válvula de ventilação de nitrogênio UHP. Quando ventilar, abra a porta de bloqueio de carga e feche a válvula de ventilação.
- Tratamento de deposição e passivação de CSS de absorventes
- Use um soprador de ar portátil para remover suavemente quaisquer partículas de poeira do substrato limpo revestido de MgZnO/TCO e carregue o substrato no suporte da amostra (lado MgZnO para baixo).
- Feche a porta de bloqueio de carga e bombeie a trava de carga ligando o interruptor de bloqueio de carga.
- Enquanto bombeia para baixo, insira a receita desejada para o depoimento de CSS no programa de computador. As receitas utilizadas para preparar as estruturas CdTe e CdSeTe/CdTe são diferentes nesta fase e são as seguintes.
- Para a amostra de testemunha CdTe (para determinação da taxa de deposição de CdTe; necessária para a fabricação do dispositivo CdTe/CdTe/CdTe), use:
110 s na fonte pré-aquecimento (isso eleva o vidro para ~480 °C de tal forma que o CdTe sublimará adequadamente no substrato);
110 s na fonte CdTe (este sublimates CdTe no substrato);
180 s na fonte CdCl2 [a deposição do CdCl2 é necessária para um bom desempenho do dispositivo CdTe (foi demonstrado que ele passivaiza limites de grãos e ligações pendentes e promove o crescimento e alinhamento de grãos no absorvedor de CdTe policristalino12,13,14,15,16)];
240 s na fonte anneal (isso leva o CdCl2 para o material absorvente); E
300 s na fonte de resfriamento (isso permite que a amostra esfrie para descarregar). - Usando uma lâmina de barbear, escrete uma pequena área de material CdTe fora do substrato e meça a espessura da película CdTe usando um profilómetro de superfície para determinar a taxa de deposição17.
- Para a amostra de testemunha CdSeTe (para determinação da taxa de deposição cdSeTe; necessária apenas para a fabricação do dispositivo CdSeTe/CdTe), use:
140 s na fonte pré-aquecimento (isso eleva o vidro para ~540 °C de tal forma que o CdSeTe sublimará adequadamente no substrato);
300 s na fonte CdSeTe (este sublimates CdSeTe no substrato); E
300 s na fonte de resfriamento. - Usando uma lâmina de barbear, escrete uma pequena área de material CdSeTe fora do substrato e meça a espessura da película CdSeTe usando um profilómetro de superfície para determinar a taxa de deposição17.
- Para o absorvedor único fino (amostra de CdTe), use:
110 s na fonte pré-aquecimento;
xx s na fonte CdTe [o tempo de aprofundamento depende da taxa de deposição do CdTe e da espessura desejada (para o absorvedor de CdTe único de 1,5 μm usado aqui, o tempo de aprofundamento é de 60 s)];
150 s na fonte CdCl2 [o tratamento cdCl2 depende da espessura do absorvedor; portanto, devem ser realizados experimentos para otimizar as condições de tratamento (os tempos de admodo listados são otimizados para absorventes finos, 1,5 μm18)];
240 s em fonte anneal; E
300 s na fonte de resfriamento. - Para o absorvedor bicamada fino (amostra CdSeTe/CdTe), use:
140 s na fonte pré-aquecimento;
xx s na fonte CdSeTe [novamente, o tempo de adminência depende da taxa de deposição cdSeTe e da espessura desejada (para a camada CdSeTe de 0,5 μm usada aqui, o tempo de adminência é de 231 s)];
xx s na fonte cdTe [o tempo de adminência depende da espessura e taxa de deposição de CdTe desejada calculada a partir da espessura medida da amostra de testemunha CdTe (para o absorvedor cdSeTe/CdTe de 1,5 μm bicamada usado aqui, o tempo de adminância é de 50 s para uma camada cdTe de 1,0 μm)];
150 s na fonte CdCl2;
240 s em fonte anneal; E
300 s na fonte de resfriamento. - Quando a pressão de bloqueio de carga estiver abaixo de 40 mTorr no software do computador, usando o software, abra a válvula do portão de bloqueio de carga e selecione "Iniciar". O programa executa automaticamente a receita selecionada e retornará à posição inicial ao completar a etapa de resfriamento10.
- Depois que a deposição completa estiver completa, abra a válvula de ventilação de bloqueio de carga, desaba à atmosfera e abra a porta de bloqueio de carga para o resfriamento final do substrato. Depois de ~60 s, o substrato deve ser frio o suficiente para remover do suporte da amostra com um pano sem fiapos.
- Uma vez que a amostra seja removida, feche a porta de bloqueio de carga, soprem a trava de carga ligando o interruptor de aspereza e siga o passo 3.1.5 para executar a receita de bakeoff. Um bakeoff deve ser executado entre cada deposição de amostra para limpar o suporte da amostra.
- A amostra processada deve ter uma camada branca nebulosa no filme a partir do tratamento CdCl2. Tire uma foto do filme para notar o padrão de neblina. Se houver pouco ou nenhum material visível do tratamento CdCl2, este tratamento provavelmente precisa de otimização.
- Enxágüe o excesso de material CdCl2 do filme em um béquer graduado usando água DI e seque o filme com argônio comprimido.
ATENÇÃO: Este enxágue CdCl2 deve ser realizado em um gabinete contido. Após a conclusão, descarte a mistura de água CdCl2/DI no recipiente de resíduos perigosos adequado.
NOTA: Após a deposição de CSS, as amostras podem ser armazenadas por algum tempo, mas recomenda-se que sejam armazenadas em um dessecador vácuo por no máximo 1 semana para obter melhores resultados. Um esquema do sistema automatizado de deposição CSS em linha é mostrado na Figura 2.
4. Tratamento de cobre de sublimação de espaço fechado
- Start-up do sistema CSS
- Certifique-se de que as bombas mecânicas e de difusão estão em espaçadas.
- Abra a válvula de gás do processo e ajuste manualmente o botão de controle de fluxo de gás até que a pressão de operação de 40 mTorr seja exibida no medidor de pressão.
- Ajuste e ative manualmente as fontes CSS usando controladores de derivativos proporcionais-integrais (PID). As temperaturas de fonte máxima utilizadas neste experimento são 330 °C para a fonte pré-aquecimento, 170 °C para a fonte CuCl e 200 °C para a fonte anneal. As temperaturas de fonte inferior são de 330 °C para a fonte pré-aquecimento, 190 °C para a fonte CuCl e 200 °C para a fonte anneal.
- Abra a válvula da bomba de difusão e feche manualmente a válvula do portão de bloqueio de carga.
- Tratamento da CUCL em estruturas absorventes
- Quando as fontes atingirem a temperatura de funcionamento, a amostra pode ser carregada no suporte da amostra:
- Solte o botão para a porta de bloqueio de carga.
- Ventile a trava de carga com um quarto de volta da válvula de ventilação de nitrogênio UHP.
- Abra a porta de bloqueio de carga e use um soprador de ar portátil para remover suavemente quaisquer partículas de poeira da amostra. Coloque o lado da amostra no suporte da amostra usando uma pinça de ponta de borracha, segurando a amostra na borda para evitar a área de deposição.
- Feche a válvula de ventilação e feche e aperte a porta de bloqueio de carga.
- Abra manualmente a bomba de bloqueio de carga e deixe a bomba de bloqueio de carga abaixo da pressão de crossover (40 mTorr).
- Quando a pressão de crossover for obtida, feche manualmente a bomba de bloqueio de carga e abra manualmente a válvula do portão de bloqueio de carga.
- Mova manualmente o braço de transferência para as posições pré-aquecimento, CuCl e anneal sequencialmente. Um temporizador é usado para o tempo de habitação em cada posição. Para as amostras descritas, os tempos de aprofundamento são de 75 s, 5 s e 250 s para as fontes pré-aquecimento, CuCl e anneal, respectivamente.
- Após o passo de recozimento, traga manualmente o braço de transferência de volta para a posição inicial e feche a válvula do portão de bloqueio de carga.
- Siga o passo 4.2.1 para trocar amostras.
NOTA: Ao descarregar uma amostra anterior, ainda é provável que esteja quente. Remova a amostra com um par de pinças de ponta de borracha e deixe esfriar (lado da película para cima) em um bloco de metal. Após o tratamento de, as amostras podem ser armazenadas por algum tempo, mas recomenda-se que sejam armazenadas em um dessecador vácuo por no máximo 1 semana para obter melhores resultados.
- Quando as fontes atingirem a temperatura de funcionamento, a amostra pode ser carregada no suporte da amostra:
5. Deposição de evaporação de telúrio fino
- Ligue a bomba mecânica, a válvula de linha e a bomba de difusão usando interruptores no sistema evaporador. Deixe a bomba de difusão aquecer por 20 min.
- Ventile e abra a câmara abrindo a válvula de ventilação de nitrogênio e levantando a câmara do evaporador. Coloque o Te no barco de molibdênio revestido de alumina. Mova a câmara do evaporador de volta ao lugar depois que o material estiver carregado.
- Digite as configurações adequadas para o depoimento de Te a partir de um barco de molibdênio revestido de alumina no painel do monitor de cristal de quartzo (QCM) (densidade = 6,25 g/cm3 e impedância acústica = 9,81 g/cm2s).
- Abra a parte superior da câmara para acessar o suporte da amostra. Use um soprador de ar portátil para remover suavemente qualquer partículas de poeira da amostra. Carregue o lado da amostra de filme para baixo no suporte da amostra e feche a parte superior da câmara.
- Mova manualmente a alavanca para a posição de áspero; tanto as leituras de áspero e pressão da câmara devem começar a cair. Deixe a pressão cair abaixo de 10 mTorr.
- Gire a válvula de linha de fundo de volta para a posição de linha de linha. Espere ~30 s para que qualquer pico momentâneo de pressão seja resolvido, em seguida, abra a válvula de vácuo alto. Quando o leitor de pressão da câmara se baseou, a pressão de deposição adequada de 1,0 x 10-5 Torr foi alcançada.
- Ligue o interruptor de alimentação, abra o obturador e ligue o controle atual para iniciar a deposição. O intervalo de operação de corrente ideal é de 90-100 amperes AC, de tal forma que a taxa de deposição será ~5-10 Å/s. A taxa de depoimento, exibida na leitura do QCM, pode mudar rapidamente; portanto, a corrente deve ser continuamente ajustada durante a deposição para manter a taxa entre 5-10 Å/s.
- Quando o QCM exibir a espessura de Te desejada (40 nm para as amostras usadas aqui), girar rapidamente e simultaneamente a corrente para zero, desligue o interruptor de alimentação e feche o obturador.
- Feche a válvula de vácuo alta, abra a válvula de ventilação de nitrogênio e remova a amostra do suporte da amostra. Repita as etapas 5.4-5.8 para deposição em amostras adicionais.
NOTA: Após o depoimento de Te, as amostras podem ser armazenadas por algum tempo, mas recomenda-se que sejam armazenadas em um dessecador vácuo por no máximo 1 semana para obter melhores resultados.
6. Aplicativo de contato de volta do níquel
ATENÇÃO: Devido aos vapores da tinta Ni e da cetona de metila (MEK), sempre execute um ventilador aéreo para pedalar o ar durante este processo.
- Monte as amostras (lado da película voltada para a frente) em uma prateleira de montagem vertical.
- Certifique-se de que a pistola de aplicador Ni está limpa por toda parte. Se não, limpe com MEK.
- O contato de volta é uma mistura de tinta Ni condutora e mais fina em uma proporção 2:1. Antes de aplicar a tinta, agite a solução de back-contact para garantir a mistura completa.
- Despeje a solução ni de contato de volta na arma aplicadora e ligue a mangueira do compressor de ar anexada. Pulverize uma peça de teste (ou seja, papelão) para garantir que a tinta se aplique uniformemente. Se for uniforme, aplique o contato de volta às amostras pulverizando a solução através do conjunto de amostras com um movimento lateral lento. Permitir que o contato traseiro seque ligeiramente e aplique quantas vezes for necessário para uma cobertura completa (normalmente, cinco passes funcionam bem).
NOTA: A solução Ni pode secar e entupir a arma aplicadora; portanto, para evitar um processo de desobstrução durante o aplicativo de back-contact, é importante esperar não mais de 60 s entre os conjuntos de pulverização. - Desligue o compressor de ar e deixe o contato traseiro secar nas amostras por pelo menos 1 h.
7. Delineação em 25 dispositivos de pequena área
NOTA: Para terminar a estrutura de filme fina em dispositivos eletricamente capazes de contato, a pilha de filme deve ser delineada em dispositivos de pequena área, de tal forma que o contato frontal tco e o contato traseiro ni sejam eletricamente acessíveis. Isto é feito usando uma máscara metálica com remoção mecânica do semicondutor.
- Coloque uma amostra na máscara de metal.
- Coloque a amostra mascarada no porta-luvas e usando uma mangueira de sifão, aplique o vidro, a mídia de talos nas porções desmascaradas da amostra. A remoção adequada do material é obtida quando as janelas da máscara se tornam quase transparentes.
- Repita este processo com a segunda máscara de tal forma que ao completar a delineação, 25 dispositivos quadrados de pequena área aparecem em um padrão 5 x 5 na amostra. As áreas concluídas são ~0,6 cm2.
- Limpe o lado da filme das amostras com um aplicador de ponta de algodão mergulhado em água DI.
- Para minimizar a resistência lateral nas medidas elétricas dos dispositivos acabados, solde um padrão de grade entre os dispositivos com uma solda de índio.
NOTA: As estruturas completas do dispositivo são fornecidas nas figuras 1A e figura 1B para os dispositivos absorventes CdTe e CdSeTe/CdTe/CdTe, respectivamente.
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Representative Results
A adição de CdSeTe a um absorvedor cdTe fino melhora a eficiência do dispositivo através da qualidade superior do material absorvente e maior densidade de corrente de curto-circuito (JSC). A Figura 3A e a Figura 3B(adaptadas de Bothwell et al.8)mostram PL e TRPL, respectivamente, para os dispositivos de absorvedor de CdTe único e absorção de bicamada CdSeTe/CdTe. As medidas pl e trpl mostram claramente uma fotoluminescência melhorada com o absorvedor bicamada CdSeTe/CdTe. A intensidade do PL melhora em um fator de seis, e a vida útil da cauda TRPL, ajustada com um único exponencial à parte lenta da decomposição, é de 12,6 ± 0,1 ns para a estrutura bicamada (em comparação com 1,6 ± 0,02 ns para a estrutura da monocamada), o que indica melhor qualidade do material CdSeTe. A medição do PL também verifica a incorporação bem sucedida da camada CdSeTe. A mudança na intensidade de pico de PL, que corresponde ao gap da banda absorvente, de 1,50 para 1,42 eV, confirma que o material CdSeTe de abertura de banda inferior é operacional na camada absorvente.
O Maior JSC no absorvedor de bicamadas é demonstrado pelas medições de densidade atual -tensão (J-V) e eficiência quântica (QE), mostradas na Figura 4 e figura 5,respectivamente. A mudança nas curvas J-V de luz ao longo do eixo de densidade atual mostrado na Figura 4 corresponde a uma mudança em JSC de 24,0 mA/cm2 para 25,5 mA/cm2 para os dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe/CdTe de melhor desempenho, respectivamente.
As medições de QE dos dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe(Figura 5A e Figura 5B,respectivamente) mostram a conversão adicional de fótons do dispositivo bilayer na faixa de comprimento de onda longa e corroboram o aumento de JSC para esse dispositivo. Os valores de JSC, determinados pela integração dos dados QE sobre a faixa de comprimento de onda19 são 24,6 mA/cm2 para o dispositivo CdTe e 25,9 mA/cm2 para o dispositivo CdSeTe/CdTe. Utilizando dados de transmissão óptica medidos em uma película CdSeTe de 0,5 μm, os dados qe para o dispositivo bicamada são separados em corrente coletada nas camadas CdSeTe e CdTe8. Isso destaca o papel dominante que o CdSeTe desempenha na absorção. A densidade atual coletada na camada CdSeTe é de 22,9 mA/cm2 em comparação com 3,0 mA/cm2 na camada CdTe, de tal forma que o CdSeTe representa ~90% da coleção atual no absorvedor bicamada.
A eficácia de um absorvedor de bicamadas depende da otimização do processo de fabricação. Dados J-V iluminados na Figura 6 demonstram a importância de otimizar a razão de espessura do CdSeTe:CdTe: os dados mostram uma torção significativa no dispositivo CdSeTe/CdTe de 1,25 μm não ideal. A torção, provavelmente devido aos efeitos da barreira traseira, gera uma notável diminuição na eficiência do dispositivo para 11,0%. A passivação otimizada do CdCl2 também é vital para o bom desempenho do dispositivo. Os dispositivos Thin CdTe demonstram uma dependência sensível do tempo de deposição do CdCl2 18, e sem a passivação cdCl2, a eficiência do dispositivo pode cair para ~2%11. Embora os autores tenham encontrado a passivação cdCl2 e a razão de espessura cdSeTe:CdTe para estar entre as condições de processo mais significativas, a otimização de todas as etapas e parâmetros de fabricação é necessária.
Figura 1: Estrutura do dispositivo de dispositivos fotovoltaicos completos baseados em CdTe. (A) Uma estrutura do dispositivo absorvente CdTe de 1,5 μm foi utilizada como referência para comparação com a estrutura bicamada. (B) Uma estrutura de dispositivo CdSeTe/1,0 μm CdTe de 0,5 μm foi fabricada para melhorar a eficiência fotovoltaica. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Sistema automatizado de deposição de sublimação de vácuo em linha. Mostrado é um esquema 2D que fornece detalhes de configuração do suporte da amostra, bloqueio de carga, gabinete de vácuo e fontes individuais. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Comparação de fotoluminescência dos dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe. (A) A intensidade de PICO pl aumenta 6 vezes com a incorporação de CdSeTe, e a posição de pico muda para um intervalo de banda menor, indicando a incorporação bem sucedida do CdSeTe. (B) A vida útil da cauda TRPL, ajustada com um único exponencial à parte lenta da decomposição, é notavelmente mais longa para o dispositivo CdSeTe/CdTe do que o dispositivo CdTe, que indica melhores propriedades materiais da camada CdSeTe. Esta figura é reimpressa de Bothwell et al.8Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Comparação J-V dos dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe. Os dados J-V iluminação mostram um aumento no JSC, medido no ponto de tensão zero, de 24,0 mA/cm2 para 25,5 mA/cm2 para os dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe, respectivamente. Dados J-V escuros também são mostrados para comparação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Comparação qe dos dispositivos CdTe e CdSeTe/CdTe. Os dados(A)QE do dispositivo CdTe e (B) cdSeTe/CdTe mostram um aumento no JSC de 24,6 mA/cm2 para 25,9 mA/cm2,conforme determinado pela integração dos dados QE sobre a faixa de comprimento de onda. Medições de transmissão em uma película CdSeTe de 0,5 μm foram utilizadas para separar o sinal QE em (B) em corrente coletada nas camadas CdTe e CdSeTe: a camada CdSeTe constitui ~90% da coleção atual no dispositivo bicamada de 1,5 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Comparação J-V de dispositivos CdSeTe/CdTe otimizados otimizados e não otimizados. Os dados J-V iluminação de um dispositivo CdSeTe/CdTe com uma relação de espessura CdSeTe:CdTe não otimizada mostram uma torção na curva e redução na eficiência do dispositivo, o que enfatiza a importância de otimizar a razão de espessura do CdSeTe:CdTe. Dados J-V escuros também são mostrados para comparação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Os dispositivos fotovoltaicos CdSeTe/CdTe finos de bicamadas demonstram melhorias na eficiência em comparação com seus homólogos cdTe devido à melhor qualidade do material e ao aumento da coleta atual. Tais eficiências aprimoradas têm sido demonstradas em absorventes bicamadas maiores que 3 μm5,7, e agora com condições de fabricação otimizadas, foi demonstrado que o aumento da eficiência também é alcançável para absorvedores bicamadas mais finos e de 1,5 μm.
A otimização do processo de fabricação de absorvedores bicamadas finos está enraizada em três modificações principais: temperatura pré-aquecimento do substrato, razão de espessura cdSeTe:CdTe e passivação CdCl2. Para a sublimação adequada do CdSeTe, a temperatura pré-aquecimento do substrato deve ser de ~540 °C em comparação com ~480 °C para sublimação de CdTe, o que é realizado variando o tempo de demora do substrato na fonte pré-aquecimento. Para evitar barreiras de contato no dispositivo, mantendo uma boa tensão de circuito aberto (VOC),verificou-se que o CdSeTe/1,0 μm CdTe é a razão ideal nos dispositivos de bicamadafina, como demonstrado na Figura 6. O tratamento cdCl2 do absorvedor bicamada, essencial para a passivação dos limites dos grãos e promoção do crescimento e alinhamento dos grãos12,13,14,15,16, pode ser especialmente sensível em absorventes finos18. Foi determinado que um tratamento cdCl2 muito menos agressivo, envolvendo temperaturas de origem e tempos de habitação, foi necessário para passivaizar adequadamente os absorventes bicamadas finos18 em comparação com absorvedores bicamadas espessos5.
O sistema de vácuo automatizado CSS em linha e o processo de fabricação multi-camadas e multietapas proporcionam a oportunidade de modificações em toda a estrutura do dispositivo. A camada CdSeTe, depositada em sublimação da fonte CdSe20Te80 neste estudo, também pode ser depositada por co-sublimação de fontes de CdSe e CdTe. Alguns trabalhos iniciais foram realizados na Universidade do Estado do Colorado envolvendo a deposição de co-sublimação do CdSeTe com sucesso limitado20. A interface CdSeTe/CdTe também pode ser ajustada controlando a interdifusão das camadas CdSeTe e CdTe.
Não há interdifusão proposital nos dispositivos bicamadas finos apresentados; no entanto, a interdifusão das camadas é promovida em bicamadas mais grossas e é realizada aumentando o tempo anneal após a deposição do CdCl2 para um processo de interdifusão termicamente acionado5. O controle da extensão da interdifusão permite alguma engenharia de lacuna de banda do absorvedor bicamada e pode ser usado para ajustar perfis de absorção de fótons e coleta atual em dispositivos concluídos. Diferentes calças, como as calças de grupo V6,21,22,também podem ser incorporadas para substituir o historicamente usado dopant. O doping em grupo-V oferece níveis mais elevados de doping absorvente de 1,0E17 cm-3, demonstra estabilidade a longo prazo6, e pode ser incorporado perfeitamente ao processo de deposição de CSS usando um material de origem dopada para sublimação (atualmente sendo explorado por colegas da Universidade estadual do Colorado)23,24. Camadas adicionais na estrutura de filme fino também podem ser modificadas de formas grandes ou pequenas, se desejarem. As opções incluem remoção ou substituição completa de materiais, alterações no método de fabricação ou variações nas condições de deposição ou tratamentos pós-deposição.
Uma propriedade bicamada que torna o absorvedor CdSeTe/CdTe favorável em comparação com um absorvente CdTe também serve como uma limitação. A diferença de banda inferior, de 1,42 eV do absorvedor bilayer vs. a abertura de banda de 1,50 eV do absorvedor CdTe monocamada aumenta a coleção de fótons para JSCaprimorado, mas a abertura de banda inferior também limita inerentemente a tensão máxima do circuito aberto (VOC),limitando assim a eficiência do dispositivo. Para mitigar essa limitação, o próximo passo para melhorar a fina estrutura do dispositivo CdSeTe/CdTe é incorporar um material de abertura de banda mais alto na parte de trás do dispositivo para aumentar o VOC.
A modelagem demonstrou que a incorporação de um material fino, de ~100 nm, 1,8 eV após a camada de CdTe criará uma barreira de banda de condução na parte de trás e reduzirá a recombinação da superfície traseira refletindo fotoelétrons e elétrons de corrente para a frente longe da superfície traseira propensa à recombinação25,26. Esta estrutura "refletor de elétrons" requer um absorvedor totalmente esgotado de tal forma que a espessura do absorvedor seja limitada a menos de 2 μm25,tornando o absorvedor bicamada fino adequado para esta configuração. O telúrio de magnésio de cádmio (CdMgTe), um material de liga CdTe de alta faixa, é um candidato ideal para esta camada devido à sua lacuna de banda e incorporação direta no processo de fabricação do dispositivo existente por co-sublimação ou deposição de sputter.
O aumento da eficiência do dispositivo através da maior coleta atual e propriedades fotoluminescentes de dispositivos bicamadas CdSeTe/CdTe finos é significativo para o tempo de fabricação e redução de custos, e melhorias futuras na estrutura do dispositivo e VOC. O sistema de vácuo em linha css usado para deposição e passivação de absorventes neste estudo é notável por sua velocidade de deposição. Outros métodos de fabricação, como sputtering e metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) podem levar mais de quinze vezes mais tempo para o mesmo depoimento27,28.
O CSS em linha também oferece opções de escalabilidade. Os processos de fabricação utilizados para tornar os dispositivos de pesquisa de pequena área apresentados podem ser implementados em processos de maior escala para fabricação de módulos Fotovoltaicos com perda mínima na parametrização da fabricação. A estrutura bicamada CdSeTe/CdTe apresentada neste trabalho também tem significado com seu sucesso usando o absorvedor muito fino. Especificamente, a eficiência do dispositivo se aproximando de 16% com apenas um absorvedor bicamada de 1,5 μm demonstra o benefício do CdSeTe para o CdTe mesmo em absorventes ultrafinos. Camadas de absorvedores finos como essas oferecem mais tempo de fabricação e economia de material, e a oportunidade de explorar uma estrutura de refletor de elétrons para minimizar o déficit de tensão presente em dispositivos CdSeTe/CdTe.
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Disclosures
Os autores não têm nada para revelar.
Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer ao Professor W.S. Sampath pelo uso de seus sistemas de deposição, Kevan Cameron pelo apoio ao sistema, Dr. Amit Munshi por seu trabalho com células bicamadas mais grossas e imagens suplementares do sistema de deposição de vácuo automatizado CSS em linha, e Dr. Darius Kuciauskas para assistência com medidas TRPL. Este material é baseado no trabalho apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável (EERE) do Departamento de Energia dos EUA o Número de Acordo DEEE007543 do Escritório de Tecnologias de Energia Solar (SETO).
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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