Příprava a analýza vlastností tenkovrstvých Cu(In,X)Se2 solárních článků připravovaných metodami plazmatické depozice a sprejového naprašování

Abstract

Tenkovrstvé solární články jejichž absorpční vrstva je tvořena chalkopyrity Cu(In,X)Se2 (kde X=Ga, In, B, přičemž nejčastějším substituentem je Ga a chalkopyrit je označován jako CIGS) jsou usilovně studovány již více než 20 let a patří mezi nejslibnější kandidáty pro alternativní zdroje energie velmi blízké budoucnosti. Je to dáno zejména fyzikálními vlastnostmi zmíněného chalkopyritu. Mezi ty nejdůležitější patří variabilita zakázaného pásu v širokém intervalu kolem optimální hodnoty 1.4 eV a vysoká hodnota absorpčního koeficientu (více než 105 cm-1), což v porovnání v křemíkovými články extrémně snižuje tloušťku absorpční vrstvy na méně než 2 ?m. Moderní výzkum CIGS článků se ubírá dvěma zásadními směry:

1) Maximalizace účinnosti (Současný světový rekord ohlášený 23.srpna 2010 německým Institutem pro solární energii (Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg) činí 20.3%.) 2) Minimalizace výrobních nákladů (nejčastěji cestou levné nevakuové depozice nanokrystalických vrstev i za cenu výrazně nižší účinnosti)

Mezi nejčastější laboratorní metody užívané k přípravě CIGS solárních článků patří plazmatické depozice či elektrodepozice prekurzorů Cu, In a Ga a jejich následná selenizace či sulfurizace, dále pak koevaporace prvků Cu, In, Ga, Se na předehřívaný substrát, či metody chemické depozice z plynné fáze (CVD). Vlastní heteropřechod a celý solární článek je pak dokončen nadeponováním tenké vrstvy sulfidu kademnatého CdS (pomocí CBD) a vrstvy oxidu zinečnatého ZnO dopované hliníkem. Účinnost syntetizovaného článku silně závisí na technologii výroby a s tím souvisejí kvalitou jednotlivých vrstev. Laboratoř Oddělení nízkoteplotního plazmatu Fyzikální ústavu AVČR disponuje unikátními přístroji, umožňujícími depozici tenkovrstvých solárních článků technologiemi, jež dosud nebyly testovány. Stejně tak laboratoř spolupracujícího pracoviště University of Nebraska v Kearney, prezentovala v roce 2010 unikátní metodu depozice CIGS pomocí RTA (rapid thermal annealing) z vícevrstvé struktury nanokrystalů CuIn1-xGaxS2/Se připravených pomocí CBD. V rámci předkládaného projektu bude proto studována depozice jednotlivých vrstev a výroba CIGS a CIAS solárních článků dvěma hlavními způsoby:

1) Depozice kovových prekurzorů pro absorpční vrstvy CuIn1-xGaxSe2 a CuIn1-xAlxSe2 pomocí pulzního magnetronového naprašování v režimech DC, RF a HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering) a depozice pomocí výboje v duté katodě, či pomocí systému dvou a více dutých katod (se stejným buzením jako v předchozím případě). Spolupracující laboratoř v USA provede selenizaci prekurzorů, dopozici CdS a charakterizaci již hotových vrstev. Článek bude dokončen v Praze depozicí ZnO a ZnO:Al. Cílem tohoto postupu je dosažení vyšší účinnosti u článků naprašovaných v režimu HIPIMS, což by odpovídalo jak teoretickým očekáváním, tak výsledkům předběžných experimentů. 2) Depozice nanokrystalických vrstev CIGS pomocí sprejového naprašování chemického roztoku připraveného metodou CBD, depozice CdS metodou CBD (ani jedna část nevyžaduje vakuum, bude provedeno v USA) a následně depozice ZnO a ZnO:Al pomocí atmosférického pochodňového výboje (nevyžaduje vakuum, bude provedeno v ČR). Cílem tohoto postupu je vytvořit funkční prototyp solárního článku vytvořený výhradně technologiemi nevyžadujícími vakuum a optimalizovat depoziční podmínky za účelem maximalizace účinnosti.

V případě prvního postupu budou vlastnosti depozičního plazmatu studovány přímo v průběhu depozice pomocí optické emisní spektroskopie (OES), časové rozlišené laserové absorpční spektroskopie, Langmuirovy sondy, iontového analyzeru SEMION a dalšími pokročilými technikami. Pozornost bude zaměřena zejména na srovnání kvality jednotlivých vrstev deponovaných různými způsoby a jejich vliv na celkovou účinnost solárního článku. Jednotlivé vrstvy budou analyzovány řadou sofistikovaných metod zejména prostřednictvím rentgenové difrakce (XRD), Ramanovské spektroskopie, optické elipsometrie, rastrovací elektronové mikroskopie (SEM), mikroskopie atomárních sil (AFM), UV/VIS absorpční spektroskopie, profilometrie, RBS, XPS, GDOES a dalších. Naměřené hodnoty parametrů technologického plazmatu, naměřené parametry vrstev a celková účinnost solárního článku budou vzájemně korelovány a sledován vliv jednotlivých parametrů na vlastnosti celé vícevrstvé struktury.