Φωτοβολταϊκή τεχνολογία λεπτών υμενίων: Εγκατάσταση και έλεγχος της λειτουργίας θερμαντικού στοιχείου σε Σύστημα Εξάχνωσης με Ηλεκτρονιοβολή (ΕΒΕ)

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ήταν η προετοιμασία πειραματικής διάταξης Εξάχνωσης με Δέσμη Ηλεκτρονίων (EBE =Electron-Beam Evaporator), ώστε να αξιοποιηθεί στην ανάπτυξη και μελέτη λεπτών υμενίων για χρήση στη φωτοβολταϊκή τεχνολογία χαλκοπυριτικών ετεροκυψελών. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη και προσαρμογή θερμαντικού στοιχείου στο δειγματοφορέα της διάταξης ώστε να υποστηριχθεί η διαδικασία της επίστρωσης. Η εργασία χωρίζεται σε 2 μεγάλες ενότητες: Η A’ ενότητα (κεφάλαια: 1ο ως 3ο ) αναφέρεται στους χαλκοπυρίτες, στη δομή και στα φυσικά τους χαρακτηριστικά. Εν συνεχεία, στο κεφ.2 παρουσιάζεται η «Τεχνολογία των Λεπτών Υμενίων», όπου γίνεται μία προσπάθεια συσχετισμού της «τεχνολογικής εφαρμογής» με την «δυναμική και κινητική της διαδικασίας εναπόθεσης λεπτών υμενίων» μέσω θερμοδυναμικής θεώρησης. Η συγκεκριμένη ενότητα περιλαμβάνει θεωρητικά τη φυσική που «κρύβεται» πίσω από τις τεχνικές εναπόθεσης. Η Α’ ενότητα κλείνει με το κεφ.3, όπου περιγράφονται αναλυτικά «συμβατικές» μέθοδοι Ανάπτυξης Λεπτών Υμενίων με Τεχνικές Εναπόθεσης «υπό κενό» (vacuum techniques) που εφαρμόζονται και σε βιομηχανικές γραμμές παραγωγής. Στη Β’ ενότητα, περιγράφεται η πειραματική διάταξη, συγκεκριμένα, τα χαρακτηριστικά της και ο τρόπος λειτουργίας της. Περιγράφονται επιπλέον οι εργασίες συντήρησης και επισκευής που πραγματοποιήθηκαν.Σημαντικό τμήμα της εργασίας αποτελεί η μελέτη και συναρμολόγηση συστήματος θερμαντικού στοιχείου - ελεγκτή θερμοκρασίας (heater - temperature controller), τα οποία περιγράφονται στο κεφ.5. Παρουσιάζονται τα διαγράμματα χαρακτηριστικών καμπυλών θερμοκρασίας, όπως προκύπτουν από την επεξεργασία των μετρήσεων. Με βάση τα διαγράμματα αυτά εξάγονται συμπεράσματα ως προς την (σταθερή) λειτουργία του θερμαντικού στοιχείου, που αποτελεί και τον κύριο στόχο της εργασίας αυτής. Στο κεφ. 6, ακολουθούν τα συνολικά συμπεράσματα και οι προτάσεις για τη συνέχεια. Στο παράρτημα, παρουσιάζονται για λόγους πληρότητας, μέθοδοι χαρακτηρισμού που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των λεπτών υμενίων με βάση τις υπάρχουσες υποδομές του ΕΜΠ, ενώ παραβάλλονται οι πίνακες των μετρήσεων καθώς και σχέδια και στοιχεία για την πειραματική διάταξη.

The scope of the present thesis is focused on the preparation of an Electron-Beam Evaporator (EBE) experimental setup, for photovoltaic thin-film chalcopyrite hetero-cells growth and study. The sampler’s thermal element evaluation and calibration forms the key objective of the thesis, an essential development step for supporting the evaporation procedure. The thesis consists of two parts: The first part refers to chalcopyrites and describes their structure and natural characteristics. Consequently, Chapter 2 presents several aspects of the “Thin-film Technology”, where an “application in technology” and “evaporation procedure dynamics and kinetics” thermodynamic correlation is being attempted. This specific Chapter includes the “hidden” physics behind evaporation techniques. In Chapter 3 closes the first part and extensively presents the “conventional” Evaporation Thin-Film Vacuum Techniques which are being applied in industrial production lines. The experimental setup is described in the second part, which is focused on its operation and specifications with the maintenance and repair work that additionally took place. The study and assembly of the heater – temperature controller occupies an important part of the thesis; they are presented in Chapter 5 along with diagrams and the characteristic temperature curves, as they occur by the measurement data processing. Based on them, several conclusions about the controller stability are being deducted, indicating the key objective of the present thesis. Chapter 6 consists of the thesis conclusion and suggestions about future aspects of the research. In the appendix, a presentation of the characterization methods capable for thin-film study and compatible with the existing NTUA infrastructure is being included for complement, along with the measurement data tables and the experimental setup blueprints.