TENKOVRSTVÁ TECHNOLOGIE HYDROGENOVANÉHO KŘEMÍKU PRO FOTOVOLTAICKÉ APLIKACE. oddělení tenkých vrstev F Y Z I K Á L N Í Ú S T A V A V Č R P R A H A

Transkript

1 TENKOVRSTVÁ TECHNOLOGIE HYDROGENOVANÉHO KŘEMÍKU PRO FOTOVOLTAICKÉ APLIKACE J I Ř Í S T U C H L Í K oddělení tenkých vrstev F Y Z I K Á L N Í Ú S T A V A V Č R P R A H A

2 Oddělení tenkých vrstev FZÚ

3 O B S A H MOTIVACE pro rozvoj tenkovrstvé technologie a-si:h metodou PECVD VAKUOVÉ SYSTÉMY - APARATURY VAKUOVÉ KOMORY pro PECVD STUDOVANÁ TÉMATA - VÝSLEDKY ZÁVĚRY

4 MOTIVACE

5 využít ekologicky čistou sluneční energii cca 1 kw/m 2

6 pro přímou přeměnu světla na elektr. en. - polovodiče - optimální šířka gapu

7 účinnost PV článků z monokrystalického Si standardní % světový rekord... 24,7 %

8 vlastnosti monokrystalického křemíku

9 spektrální závislost koeficientu absorpce metoda CPM kontrola defektů GaAs

10 přechodem od monokrystalického křemíku k amorfnímu hydrogenovanému křemíku (a-si:h) se: - zvýší koeficient absorpce α tl.vrstvy < 1 μm - rozšíří zakázaný pás E g, vzroste U oc - zhorší transport náboje ve vrstvě, I sc??? perspektiva využití tenkovrstvé technologie a-si:h pro levnou výrobu velkoplošných fotovoltaických panelů závažnou nevýhodou je - snížení účinnosti v důsledku dlouhodobého osvětlení

11 problém transportu náboje a degradace účinnosti

12 (jednoduchá a výstižná charakteristika minulých let) NEVZDÁVAT ÚSILÍ!!! o jedno-diodovou strukturu s vyšší účinností OPTIMALIZACE antireflexní vrstvy transparentního vrchního kontaktu heteropřechodů (p-i-n... na bázi a-sic:h) základní vrstvy a-si:h defekty!!! (T dep = 250 C) texturovaných povrchů zadní reflexe současný trend... SMĚSNÁ FÁZE... a-si:h a μc-si:h + rychlá depozice S. Guha et al., J. Appl. Phys. 52 (1981) 859 J. Meier et al., Appl. Phys. Lett. 65 (1994) 860 S. Vepřek et al., Solid State Electron., 11 (1968) 683

13 závislost U oc a I sc na krystalinitě vrstvy (~gapu) Parametry slunečního článku s jedním přechodem v závislosti na krystalinitě (X C ) i-vrstvy (3 μm, p-i-n,): (Takuya Matsui, PhD thesis, Osaka University, 2002) η 1.7 ev a-si:h 1.2 ev μc-si:h

14 problém transportu náboje a degradace účinnosti >>> TANDEM

15 spektrální odezva různých typů Si solárních článků

16 VAKUOVÉ APARATURY PECVD H.F.Sterling, R.C.G.Swann, R.C.Chitick 1965 / 1969

17 schéma aparatury... FZÚ

18 současný depoziční systém... FZÚ

19 současný depoziční systém... FZÚ

20 současný depoziční systém... FZÚ

21 zásady pro stavbu a provoz aparatury POUŽÍVÁME : Plyny s maximální čistotou 5.0 / Linde-Technoplyn Elektrolyticky leštěné trubky... Sandvik Ventily a šroubení VCR... Ventile & Fittings Hmotové průtokoměry, abs. měřidla tlaku... MKS Instruments Dočišťovací filtry snížení obsahu kyslíku... Micro Torr UHV depoziční komory natékání/plynění 10-8/-9 mbar.l/s... FZÚ Elektrolyticky leštěné sací roury a škrtící ventily... FZÚ Vakuový manipulátor pro vkládání podložek do komory... FZÚ 2 až 3 denní odplyňování komory před první depozicí Čerp.syst. s vysokým kompresním poměrem... Pfeiffer Vacuum Čerpání k meznímu vakuu 10-9/-10 mbar... Vakuum Praha Příprava průtoků plynů mimo vakuovou komoru

22 nečistoty Plyn průtok čistota průtok nečistot [sccm] [sccm] H x10-5 SiH x10-5 CELKEM: =7x10-5 sccm = 7x10-5 bar.cm 3 /min = 1x10-6 mbar.l/sec Natékání / plynění komory: 1. test... 2,5x test... 8,2x10-9 [mbar.l/sec] -Purifier??? - H / SiH Zpětná difuze??? kompresní poměr systému = TEST HELIEM - doc. Zb. Hůlek Pfeiffer Vacuum

23 V A K U O V É K O M O R Y induktivně buzený doutnavý výboj H.F.Sterling, R.C.G.Swann, R.C.Chitick 1965 / 1969

24 schéma dvouelektrodové - kapacitní - depoziční komory FZÚ

25 otevření příruby komory po depozici struktury targetu vidikonu

26 UHV vakuová komora FZÚ

27 vakuová komora FZÚ detail doutnavý výboj Vodík - H 2 Silan - SiH 4

28 otevření příruby UHV komory manipulátor umožňuje přesunutí vzorků in situ z depoziční komory do AFM nebo STM UHV systému

29 modifikace struktury a-si:h (100 % SiH 4 ) použitím směsi (SiH 4 + H 2 ) a magnetického pole Standardně - pomocí ředění: a-si:h μc-si:h Nově - pomocí magnetů:

30 vysokorychlostní růst speciální elektroda SPRCHA Multi Hole Cathode (přívod plynů strukturovanými otvory v katodě)

31 proč takový zájem o prach z vakuové komory???

32 nedokonalé hoření silanu ve skleněné injekční stříkačce?????

33

34 STUDOVANÁ TÉMATA vliv magnetického pole - na strukturu a vlastnosti vrstvy přechod od a-si:h k μc-si:h /MHC/ nanočástice Si struktura a vlastnosti vrstev - v matrici a-si:h nebo a-sin:h nukleace zárodků zrn μc-si:h - v souvislosti s povrchem podložky

35 vliv magnetického pole fotografie deponované vrstvy

36 vliv magnetického pole tloušťka vrstvy + detaily struktury z AFM a-si:h sm ěs (a-si:h/ μc-si:h) μc-si:h σ =19.6 nm, X =0% σ =73.7 nm, X =50% σ =10.2 nm, X =80% RMS c RMS c RMS c

37 vliv magnetického pole na teplotní závislost elektrické vodivosti

38 vliv magnetického pole na spektrální závislost koeficientu absorpce CPM

39 vliv magnetického pole na šířku zakázaného pásu

40 přechod od a-si:h k μc-si:h směsná fáze TEM pozorování μc-si:h μc-si:h μc-si:h a-si:h a-si:h sklo P.C.P. Bronsveld et al. EU PVSEC, Paris (2004) 3DV p nm

41 přechod od a-si:h k μc-si:h směsná fáze AFM pozorování 1000 nm 450 nm μc-si:h A. Fejfar et al., J. Non-Crystal. Solids, (2004) nm protahování 70 nm a-si:h 40 nm rozšiřování

42 Směsná fáze - lokální elektrické vlastnosti přechod od a-si:h k μc-si:h 5000 nm C-AFM

43 přechod od a-si:h k μc-si:h 60% celkového proudu prochází průměrem zrna, které zabírá pouze 18% povrchu elektrické vlastnosti - model Electrostatic potential Current density (along the white line) j [μa/cm 2 ] r [nm] - radial distance from the grain center

44 přechod od a-si:h k μc-si:h vysokorychlostní růst elektroda SPRCHA Multi Hole Cathod -i zde přechod od a-si:h k μc-si:h

45 přechod od a-si:h k μc-si:h hranice přechodu od a-si:h k μc-si:h a-si:h μc-si:h

46 přechod od a-si:h k μc-si:h 1.1 PŘEKVAPENÍ UHV aparatura a kyslík ve vrstvách??? Shower IV (P=104 W) - Dilution series at 250 C Transmise T sample /T ref r H = 12.2 r H =15.6 r H = 17.8 r H = 10 r H = 11.1 r H = 13 r H = r H = Wavenumber [cm -1 ]

47 nanočástice Si fotoluminiscence Si nanočástic

48 nanočástice Si vliv velikosti Si nanočástic na emitovanou vlnovou délku

49 nanočástice Si struktury diod s Si nanočásticema

50 nukleace zárodků zrn μc-si:h fotografie stimulované a potlačené nukleace

51 nukleace zárodků zrn μc-si:h Ramanova spektrometrie AFM

52 ZÁVĚRY A/ magnety problematika nukleace Jednoznačný závěr: nukleace není způsobena pouze charakterem povrchu na který je vrstva deponována je to záležitost interakce povrchu s plazmatem!!! B/ elektroda SPRCHA MHC Tato PECVD technika nanášení vrstev a/μc-si:h dává perspektivu vysoké výtěžnosti - dlouhá lišta a běžící fólie C/ Si nanočástice Otevírají nejen nové možnosti vytváření struktur, ale rovněž získávání značných finančních prostředků pro jejich výzkum D/ nukleace zárodků Si Využití materiálů nukleaci podporujících a naopak nukleaci potlačujících - nám dává možnosti - plošně modelovat amorfní a mikrokrystalickou strukturu vrstvy

53 P Ř I Ť T E P O B E J Ť

54 Investigating Large Area Fabrication of Quantum Dots in a Nitride Matrix for Photovoltaic Application G.Scandera, T.Puzzer, D.McGrouther,... And M.A.Green University of New South Vales Australia Tandemové fotovoltaické články na bázi Si nanočástic v matrici a-sin:h??? FOTOVOLTAICKÝ VTIP??? proč ne, i humor je dobře placen

55 Vzpomínka na Vietnam Transformace sluneční energie z tropů do Evropy