Ανάπτυξη λεπτών υμενίων ZnO:M με Παλμική Εναπόθεση με Laser: Μικρο – εγχάραξη, μελέτη οπτικών και μορφολογικών ιδιοτήτων 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 ελάττωσης 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 παρουσιάζεται η ανάπτυξη και μικρο-επεξεργασία λεπτών υμενίων του Οξειδίου του Ψευδαργύρου (ZnO), που αποτελούν το διαφανές και ημιαγώγιμο διαπερατό παράθυρο (πρόσθιο n-ηλεκτρόδιο) της φωτοβολταικής κυψέλης. Η ανάπτυξη του λεπτού υμενίου του ZnO γίνεται με τη Μέθοδο της Παλμικής Εναπόθεσης με laser (PLD), πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού υπό συνθήκες κενού. Αναφέρεται ότι οι διατάξεις ηλιακών κυψελών χαλκοπυριτών CIGS, οι οποίες έχουν παρουσιάσει τις υψηλότερες εργαστηριακές αποδόσεις έως σήμερα, χρησιμοποιούν ως παράθυρα, καθαρό Οξειδίου του Ψευδαργύρου (ZnO), αλλά και με προσμίξεις αυτού, πχ.:με Ίνδιο και Αλουμίνιο, (ZnO:In), (ZnO:Al) Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η ανάπτυξη λεπτών υμενίων οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO), από μεταλλικό στόχο: Zn και κεραμικούς στόχους: In:ZnO(2%), Al:ZnO(1.5%), τα οποία παρήχθησαν στο Εργαστήριο laser του Ινστιτούτου Θεωρητικής και Φυσικής Χημείας του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών (LATA/ΕΙΕ). Για την αποδόμηση του κατά περίπτωση στόχου, χρησιμοποιήθηκε ένα παλμικό Nd:YAG laser, μήκους κύματος ακτινοβολίας 355 nm, συχνότητας 10 Hz Για τη βελτίωση των οπτικών ιδιοτήτων των λεπτών υμενίων του ZnO, με γνώμονα την περαιτέρω αύξηση της απόδοσης της ηλιακής κυψέλης, εξετάστηκε η εναπόθεση νανοσωματιδίων χρυσού (Au). Εγιναν δοκιμές για διάφορες συνθήκες εναπόθεσης των νανοσωματιδίων του Au πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού και αφού ταυτοποιήθηκαν οι καταλληλότερες συνθήκες σύμφωνα με τις προδιαγραφές (μικρού μεγέθους νανοσωματίδια, υψηλής ανακλαστικότητας), πραγματοποιήθηκε εναπόθεση αυτών πάνω στα προπαραχθέντα λεπτά υμένια ZnO. Σε όλα τα λεπτά υμένια πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις για τον οπτικό και μορφολογικό χαρακτηρισμό τους. Συγκεκριμένα, μετρήθηκε η διαπερατότητα και η ανακλαστικότητα όλων των λεπτών υμενίων με τη χρήση του φασματόμετρου(UV-VIS) του Ινστιτούτου Θεωρητικής & Φυσικής Χημείας του Ε.Ι.Ε., και μέσω αυτών υπολογίστηκε θεωρητικά το πάχος σε κάποια από τα υμένια. Επίσης, η μορφολογία, το ανάγλυφο των επιφανειών των λεπτών υμενίων και η τραχύτητά τους εξετάστηκε με οπτικό μικροσκόπιο(Optical Microscope) του Ε.Ι.Ε και Μικροσκόπιο Ατομικής Δύναμης (A.F.M.) του Τομέα Τεχνολογίας των Κατεργασιών της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π . Επιπλέον, σε βιομηχανικά δείγματα ZnO της εταιρείας παραγωγής φωτοβολταϊκών Heliosphera, λήφθηκαν οπτικές μετρήσεις για τη μελέτη των οπτικών τους ιδιοτήτων και σύγκριση τους με τα υμένια που εναποθέσαμε στο εργαστήριο LATA/EIE. Από τις οπτικές μετρήσεις, υπολογίστηκε θεωρητικά το πάχος του ZnO με την μέθοδο του Manifacier και διαπιστώθηκε ότι ταυτίζεται με το πάχος που μας είχε δοθεί από την εταιρεία. Τέλος, πραγματοποιήθηκε η μικρο - επεξεργασία του εν λόγω βιομηχανικού δείγματος ZnO της εταιρείας Heliosphera. Για την εγχάραξή του αναπτύχθηκε πειραματική διάταξη αποτελούμενη από ένα παλμικό Nd:YAG laser (μήκους κύματος ακτινοβολίας 355 nm, συχνότητας 10 Hz και ενέργειας που κυμάνθηκε από 0.7 έως 2.0 mJ/p κατά περίπτωση), διάφορα οπτικά εξαρτήματα (διαφράγματα, φακοί) για τη μορφοποίηση και εστίαση της δέσμης του laser και μία κινούμενη βάση πάνω στην οποία προσαρμοζόταν το υμένιο. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων διερευνήθηκε συστηματικά η επίδραση της ενέργειας του laser, των οπτικών εξαρτημάτων και της ταχύτητα πρόωσης της κινούμενης βάσης, στην ποιότητα και το πλάτος των παραγχθέντων καναλιών. Το αποτέλεσμα ήταν η δημιουργία καναλιού πλάτους 25 – 35 μm, πλήρως αποδομημένο.

The use of thin films in photovoltaic technology promises the decrease of the production costs and weight of solar cells, as a result of the reduction in material used. Moreover, film microscribing is the key factor for the transition of small individual solar cells, into their monolithic integration, in large area photovoltaic panels. In this diploma thesis the production and microprocessing of zinc oxide (ZnO) thin films is presented, because ZnO is the transparent, n-type semiconductive window of the photovoltaic cell. The growth of the ZnO thin film is achieved by pulsed laser deposition (PLD), on glass substrates under low pressure oxygen gas conditions. It is mentioned that in chalcopyrite-based (CIGS) solar cells configurations, which have presented the highest laboratory efficiencies until today, pure zinc oxide (ZnO) or doped with, e.g. Indium or Aluminum (ZnO:In), (ZnO:Al) , are used as windows. First, thin films of zinc oxide (ZnO) were produced, by using either metallic Zn targets or ceramic targets In:ZnO(2%w), Al:ZnO(1.5%w), in the Laser Laboratory (LATA) of the Institute of Theoretical and Physical Chemistry at the National Hellenic Research Foundation (NHRF). For the ablation of each target, a pulsed Nd:YAG laser at 355 nm and frequency 10 Hz was used. In order to improve the optical properties of thin ZnO films, with the purpose to further increasing the efficiency of solar cells, we investigated the gold nanoparticles deposition (Au). Several tests for different deposition conditions on glass substrates were carried out. The best conditions according to requirements (small nanoparticles, high reflectivity) were identified, and these were then applied to deposit Au nanoclusters on the ZnO/glass substrates. All thin films were analyzed in terms of their optical and morphological properties. Specifically, the transmittance and reflectivity of all thin films were recorded, with the aid of the spectrometer (UV- VIS) of the Institute of Theoretical and Physical Chemistry at the NHRF. We also have estimated the thickness of several films theoretically. Furthermore, the morphology, topography of thin films’ surface and their roughness were investigated with the aid of an optical Microscope of NHRF and an Atomic Force Microscope of the Department of Manufacturing of the School of Mechanical Engineering at NTUA. Moreover, optical measurements on industrial ZnO samples delivered by the photovoltaic production company “Heliosphera” were performed in order to compare them with the thin films that we deposited in the LATA laboratory. From the optical measurements, the thickness of the commercial ZnO was theoretically estimated by applying the Manifacier method: it was found that the thickness was very close to that given by the company. Finally, the laser microprocessing of the industrial ZnO sample of the “Heliosphera” company was performed. For their laser scribing, an experimental setup was developed, which consisted of a pulsed Nd:YAG laser (at 355 nm, repetition rate 10 Hz and energy 0.7- 2.0 mJ/p), various optical components (prisms, apertures, lenses) for shaping and focusing of the laser beam and a moving table where the thin films were placed. During the experiments, the effect of the energy laser, the focusing distance, the optical apertures and the velocity of the moving table on the quality and the width of the produced micro-channels, were systematically investigated. They resulted into a fully ablated ZnO thin film with a scribe channel with a width of 25-35 μm.