ГЛАВА 2
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО ПОДХОДА К ОПТИМИЗАЦИИ TЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛЕНОЧНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ CdS/CdTe
2.1. Технология получения пленочных солнечных элементов
на основе CdS/CdTe
Пленочные солнечные элементы изготавливают либо во фронтальной, либо в тыльной конфигурации [320- 323]. Тыльные СЭ на основе CdS/CdTe обычно формируют на стеклянной подложке с прозрачным проводящим электродом. (Рис. 2.1, а). Фронтальные СЭ на основе CdS/CdTe формируют на металлической подложке, которая одновременно является нижним токосъемным электродом.
Рис. 2.1. Тыльная (а) и фронтальная (б) конфигурации пленочных
солнечных элементов на основе CdS/CdTe.
Освещение фронтального СЭ осуществляется с противоположной подложке поверхности базового слоя приборной структуры. На этой поверхности формируется прозрачный верхний токосъемный электрод, через который фотоны поступают в базовый слой (Рис. 2.1, б).
Как следует из проведенного литературного анализа для создания экономичной промышленной технологии получения СЭ на основе CdS/CdTe перспективно использовать метод термического испарения. Для получения этим методом стехиометрических базовых слоев теллурида кадмия температура осаждения не должна превышать превышает 300оС, что позволяет в качестве прозрачных подложек применять не только экономичные натрийсодержащие стекла, а и полиимидные пленки, термостабильность которых в настоящее время достигает 450оС. Кроме того, увеличение размеров испарителей при реализации метода термического испарения позволяет получать базовые слои на значительной площади (~1м2), что крайне затруднительно для другого низкотемпературного вакуумного метода получения СЭ на основе сульфида и теллурида кадмия - магнетронного распыления. Важным технологическим преимуществом вакуумного испарения при организации широкомасштабного производства является то, что этот метод хорошо освоен электронной промышленностью Украины. Необходимо также отметить, что метод термического вакуумного испарения позволяет реализовать высокопроизводительный промышленный способ подачи гибкой подложки в зону конденсации - "рулонную" технологию.
В работе получение приборной гетероструктуры CdS/CdTe методом термического вакуумного испарения осуществлялось в вакуумной установке, которая представляет собой прототип промышленных установок (рис. 2.2, а). Исходный вакуум на уровне 1?10-4Па создавался форвакуумным и турбомолекулярными насосами. Такой вакуум вполне достижим для предприятий электронной промышленности Украины. Испарение пленок теллурида и сульфида кадмия осуществлялось в едином технологическом цикле из графитовых испарителей длиной 15 см и шириной 1 см (рис. 2.2, б), что позволяло получать однородные приборные структуры размером 15 см на 15 см. С нашей точки зрения, при реализации "рулонной" технологии такой размер является достаточным и при промышленном производстве.
а)
a)
б)
Рис. 2.2. Вакуумная установка для получения гетеросистем
CdS/CdTe методом термического испарения:
а) общий вид вакуумной установки с держателем подложки
б) фотография графитовых испарителей CdTe и CdS.
Изготовление СЭ на основе CdS/CdTe (рис. 2.1, а) тыльной конфигурации осуществлялось следующим образом:
1. В начале проводилась химическая очистка стеклянных или полиимидных подложек.
2. На очищенных подложках методами магнетронного распыления формировались слои ITO. При выборе оптимальной технологии магнетрон-ного распыления проводились сопоставительные исследования оптических и электрических свойств пленок ITO, полученных высокочастотным распылением и распылением на постоянном токе. Высокочастотное нереактивное магнетронное распыление слоев ITO было реализовано в промышленной установке MRC-6031. При распылении использовалась мишень, представляющая собой спрессованную механическую смесь порошков In2O3 (90 вес. %) и SnO2 (10 вес. %) полупроводниковой чистоты. Исходное парциальное давление, которое создавалось абсорбционным насосом, составляло 1?10-4 Па. Удельная мощность магнетрона варьировалась от 1,2 Вт/см2 до 2,2 Вт/см2, что соответствует диапазону значений, обычно применяемых для получения прозрачных и проводящих пленок ITO [189-191]. Распыление ITO осуществлялось в аргоно-кислородной смеси при давлении 8?10-1Па. Конструкция системы напуска газов позволяла варьировать концентрацию кислорода (С0) в диапазоне [0-3] об. %.
Методом магнетронного распыления на постоянном токе пленки ITO осаждались в промышленной вакуумной установке Cryovac. При распылении на постоянном токе использовалась мишень такого же состава, как при высокочастотном магнетронном распылении. Исходное парциальное давление, которое создавалось абсорбционным насосом, составляло 1?10-4 Па. Удельная мощность магнетрона варьировалась в тех же интервалах, что и для метода высокочастотного магнетронного распыления. Рабочее давление в камере и интервалы варьирования концентрации кислорода в составе газовой смеси также были аналогичными.
3. На подложку из стекла со слоем ITO при исходном вакууме 1?10-4 Па, который создавался форвакуумным и турбомолекулярным насосами, термическим испарением осаждались пленки CdS. Температура подложки составляла 2000С. Затем производился вакуумный отжиг при температуре 450оС в течение 30 минут. Это было необходимо для того, чтобы в процессе последующего нанесения теллурида кадмия не формировались не стабильные твердые растворы CdSxTe1-x, которые при финишной высокотемпературной "хлоридной" обработке свежеизготовленной базовой ге