Δομικές και οπτικές ιδιότητες, στοιχειακή ανάλυση και εγχάραξη με laser λεπτών υμενίων CuInGaSe1-xTex για φωτοβολταϊκά στοιχεία 2ης γενιάς

Abstract

Η χρήση λεπτών υμενίων στην φωτοβολταϊκή τεχνολογία υπόσχεται μείωση του κόστους αλλά και του βάρους των ηλιακών κυψελών, ως αποτέλεσμα της ελλάτωσης των χρησιμοποιούμενων υλικών. Παράλληλα, η εγχάραξη των παραγόμενων υμενίων αποτελεί το βήμα κλειδί για τη μετάβαση από μικρές και μεμονωμένες ηλιακές κυψέλες στη μονολιθική ολοκλήρωσή τους, σε μεγάλης επιφάνειας φωτοβολταϊκά πλαίσια. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παράχθηκαν λεπτά υμένια χαλκοπυρίτη CuInGaSe(1-x)Tex με τη μέθοδο εναπόθεσης e – beam evaporation, τα οποία αποτελούν τον απορροφητή της ηλιακής κυψέλης. Αρχικά, μελετήθηκε η δομή και η μορφολογία των λεπτών υμενίων χαλκοπυρίτη, με χρήση της μεθόδου X.R.D. (X – Ray Diffraction) και το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης A.F.M. (Atomic Force Microscopy), αντίστοιχα. Επιπλέον, από της μετρήσεις που λήφθηκαν με το φασματόμετρο, μέσω της μεθόδου Tauc Plot μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες αυτών και υπολογίστηκε το ενεργειακό τους διάκενο. Στην συνέχεια, με χρήση της μεθόδου LIPS (Laser Induced Plasma Spectroscopy) πραγματοποιήθηκε στοιχειακή ανάλυση των λεπτών υμενίων. Ακόμα, με χρήση της μεθόδου Boltzmann Plot υπολογίστηκε η θερμοκρασία του εκπεμπόμενου πλάσματος. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η μικρο – επεξεργασία των λεπτών υμενίων. Για την εγχάραξή τους χρησιμοποιήθηκε η πειραματική διάταξη του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών, η οποία αποτελείται από ένα παλμικό Nd:YAG laser (μήκους κύματος ακτινιβολίας 355 nm, συχνότητας 10 Hz), διάφορα οπτικά εξαρτήματα (φακοί εστίασης, διαφράγματα) και μία κινητή βάση πάνω στην οποία τοποθετούνταν το υμένιο. Στόχος της εγχάραξης των λεπτών υμενίων ήταν η δημιουργία καναλιού πλάτους ~ 50 μm. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων διερευνήθηκε η επίδραση της ενέργειας του laser και των οπτικών εξαρτημάτων στο πλάτος και την ποιότητα του καναλιού. Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία καναλιού της τάξεως των 40 μm.

Thin film photovoltaic technology promises to reduce manufacturing costs of solar cell modules, in part due to reduced material usage and monolithic series connection of cells. The latter requires relatively simple automation compared to the lay-out and soldering used today in wafer- based technologies. The objective of the present work is to grow the absorber CIGSe and CIGTe thin films on soda lime glass substrates using electron beam evaporation and to study the structural and morphological properties of the resultant films, both as-deposited and after annealed at various temperatures. After laser scribing, the morphology of channels was studied by Atomic Force Microscopy. Further, the LIPS technique was used to optimize focal length for laser scribing as well as to investigate the stability of the ratios of chalcopyrite elements for various annealing temperatures.