Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Оптимизация характеристик пленок CdTe, CdS и солнечных элементов CdTe/CdS, полученных методами вакуумного испарения и магнетронного распыления

Ахоян, Левон Ашотович (2017) Оптимизация характеристик пленок CdTe, CdS и солнечных элементов CdTe/CdS, полученных методами вакуумного испарения и магнетронного распыления. PhD thesis, Ереванский государственный университет.

[img] PDF (Thesis)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (3077Kb)
    [img] PDF (Abstract)
    Available under License Creative Commons Attribution.

    Download (1187Kb)

      Abstract

      В 2010 году солнечными электростанциями была произведена 0.2% от общего объема производства электроэнергии, а в 2014 году оно составило ~0.8%. Несмотря на небольшой вклад солнечной энергетики в мировую энергетику ожидается, что солнечная энергетика будет поставлять значительную часть мирового производства электроэнергии в течение ближайших 10 или 20 лет. Кроме того, ожидается, что солнечная энергетика наряду с гидроэнергетикой, станут одним из важнейших возобновляемых источников энергии. В последнее десятилетие теллурид кадмия (CdTe) представляет большой интерес как один из наиболее перспективных материалов для создания низкозатратных, химически стабильных и эффективных солнечных элементов (СЭ) в промышленных масштабах. Кроме этих преимуществ СЭ на основе CdTe обладают высокой радиационной стойкостью, что делает их перспективными для использования не только в наземных условиях, но и в космосе. С учетом большей экономичности и радиационной стойкости весьма актуальными и значимыми являются исследования пленочных СЭ на основе CdTe, представляющих альтернативу СЭ на основе монокристаллического Si. CdTe является одним из наиболее привлекательных полупроводниковых материалов, для использования его в качестве активного поглощающего слоя в тонкопленочных СЭ. Это обусловлено тем, что CdTe является прямозонным полупроводниковым материалом с оптимальной для СЭ шириной запрещенной зоны 1.5 эВ при комнатной температуре и высоким (более 5∙104 см-1) коэффициентом поглощения света. Теоретический предел КПД одноэлементных СЭ на основе CdTe составляет более 30% для неконцентрированного солнечного света AM1.5. Характеристики тонких пленок CdTe сильно зависят от метода их получения, что играет важную роль в эффективности фотовольтаических преобразователях солнечной энергии. Для осаждения тонких пленок CdTe используются различные технологические методы: метод физического вакуумного напыления, электроосаждения, молекулярно-лучевой эпитаксии, металлоорганического химического осаждения из газовой фазы, сублимации в закрытом объеме (CSS) и методы трафаретной печати. Компания First Solar, Inc. достигла рекордного уровня эффективности 21.5% СЭ, и 18.2% эффективности для солнечных модулей (СМ). Однако, в открытых публикациях отсутствует информация о методах, которые использует First Solar, Inc. для формирования СЭ. Максимальное значение эффективности СЭ на основе данных, опубликованных в научных журналах составляет 16.5% для СЭ с малой активной площадью 1см2. СЭ с такой эффективностью получаются с использованием технологии CSS. Основной недостаток, присущий технологии CSS связан с высокой (550-650°С) температурой процесса осаждения. Это требует высокой энергоемкости процесса и дорогостоящих специальных термостойких стеклянных подложек. Поэтому дальнейшее развитие и изучение низкотемпературных методов осаждения качественных слоев CdTe актуально не только с точки зрения снижения стоимости солнечных элементов за счет снижения энергопотребления, но и с точки зрения их использования для производства СЭ на недорогих стеклянных и гибких полимерных подложках. В качестве таких подложек могут использоваться обычные натриево-кальциево-силикатные стекла и полиимидные пленки, допускающие нагрев до 400-450°C, например полимерные пленки компании DuPont.Վերջին տասնամյակում կադմիումի տելլուրիդը (CdTe) մեծ հետաքրքրություն է ներկայացնում որպես հեռանկարային կիսահաղորդչային նյութ՝ ցածրարժեք, կայուն և արդյունավետ բարակթաղանթային արևային էլեմենտների (ԱԷ) պատրաստման համար: CdTe-ի վրա հիմնված ԱԷ-ներին բնորոշ է բարձր ռադիոակտիվ կայունությունը, ինչը դարձնում է դրանց կիրառումը հեռանկարային ոչ միայն երկրային պայմաններում, այլ նաև տիեզերքում: Շնորհիվ CdTe-ի հիման վրա պատրաստված ԱԷ-ների վերոնշյալ առանձնահատկությունների կարևոր և արդիական է դրանց հետագա ուսումնասիրությունը որպես այլընտարանք սիլիցիումային (Si) մոնոբյուրեղային ԱԷ-ին: CdTe-ի նկատմամբ նման հետաքրքրությունը պայմանավորված է նրա այնպիսի հատկություններով, ինչպիսիք են. ուղիղ գոտիական կառուցվածքը, ԱԷ-ների համար օպտիմալ 1.5 էՎ արգելված գոտու լայնույթը և բարձր (ավելի քան 5 ∙ 104 սմ-1) կլանման գործակիցը: Ատենախոսությունը նվրված է վակուումային դիսկրետ (ՎԴՓ) և մագնետրոնային փոշեցրման (ՄՓ) եղանակներով CdTe-ի, CdS-ի բարակ թաղանթների ստացմանը և n-CdS/p-CdTe հետերոանցման հիման վրա պատրաստված ԱԷ-ի բնութագրերի օպտիմալացմանը: Նախագծվել և պատրաստվել է ՎԴՓ իրականացնելու համար կատարելագործված փորձարարական սարք՝ CdS և CdTe թաղանթների ստացման համար: Առաջին անագամ ՎԴՓ եղանակով ստացվել են բարձր բյուրեղական կատարելությամբ CdS և CdTe հալկոգենիդային միացությունների բարակ թաղանթներ: CdS և CdTe թաղանթների կառուցվածքային, օպտիկական, էլեկտրա-ֆիզիկական և մորֆոլոգիական հատկությունների հետազոտությունների ուսումնասիրության արդյունքների հիման վրա օպտիմալացվել են ՎԴՓ եղանակով բարձր բյուրեղական կատարելությամբ թաղանթներ ստանալու տեխնոլոգիական պարամետրերը: Ցույց է տրվել, որ ՎԴՓ եղանակն ապահովում է այնպիսի CdS և CdTe թաղանթների ստացում, որոնցում կրկնվում է փոշեցրվող նյութի ստեխիոմետրիկ բաղադրությունը և բացակայում են մի շարք ֆոնային խառնուրդներ, որոնք նախապես հայտնաբերվել են փոշեցրվող նյութում: Մշակվել է ՄՓ եղանակը՝ ITO-ի թաղանթների պատրաստման համար: Հետազոտվել է ջերմամշակման պայմանների ազդեցությունը ՄՓ եղանակով ստացված ITO-ի բարակ թաղանթների օպտիկական և էլեկտրական հատկությունների վրա: Ցույց է տրվել, որ վակուումային ջերմամշակման շնորհիվ կարելի է զգալիորեն (մի կարգով) բարձրացնել ստացված ITO թաղանթների էլեկտրահաղրորդականությանը: In the last decade, cadmium telluride (CdTe) is of great interest as one of the most promising material for manufacturing low-cost, chemically stable and effective solar cells on an industrial scale. CdTe solar cells have high radiation resistance, which makes them promising for use not only in terrestrial conditions, but also in space. Taking into account the more effectiveness and radiation resistance very relevant and meaningful is the research of CdTe thin-film solar cells, which representing an alternative to the silicon (Si) solar cells. The interest to the CdTe solar cells is dictated by such features of this semiconductor as: the direct bandgap structure, an optimal 1.5 eV bandgap value for solar cell application and high (more than 5 ∙ 104 cm-1) absorption coefficient. The presented thesis is devoted to the fabrication of CdS, CdTe thin-films by vacuum flash evaporation and magnetron sputtering techniques, investigation of their properties, formation of thin-film solar cells based on n-CdS/p-CdTe heterojunction and optimization of their characteristics. Developed and implemented a modified experimental setup of vacuum flash evaporation technique for deposition CdS and CdTe thin-films. For the first time by vacuum flash evaporation technique deposited thin-films of CdS and CdTe chalcogenide compounds. The effect of technological conditions, namely the substrate temperature, annealing and flash exchanger temperatures on the structural, optical and morphological properties of CdS and CdTe films has been investigated. Based on these investigations it was found an optimal technological conditions providing deposition of CdS and CdTe thin-films with high crystalline perfection. It has been found that the vacuum flash evaporation technique provides deposition of CdS and CdTe thin-films with the same as the source material stoichiometric composition. Found that in the deposited films are absent background impurities which were initially present in the source material. Developed the magnetron sputtering technique for deposition of ITO thin-film. Investigated the effect of thermal annealing on the optical and electrical properties of ITO thin-films. It was shown that the vacuum thermal annealing increases (by order of magnitude) the conductivity of these thin-films. Developed and optimized the methodology of ITO/CdS/CdTe/Cu-Au thin-film solar cells formation. Investigated the light and dark volt-current characteristics of manufactured CdTe/CdS solar cells. It was shown that the efficiency of these solar cells, without additional "CdCl2 heat treatment", is substantially greater than the efficiency of similar solar cells obtained by the other low-temperature physical vapor deposition (PVD) techniques.

      Item Type: Thesis (PhD)
      Additional Information: Վակուումային և մագնետրոնային փոշեցրման եղանակներով ստացված CdTe, CdS թաղանթների և CdTe/CdS արևային էլեմենտների բնութագրերի օպտիմալացում:
      Uncontrolled Keywords: Հախոյան Լևոն Աշոտի, Hakhoyan L. A.
      Subjects: Physics
      Divisions: UNSPECIFIED
      Depositing User: NLA Circ. Dpt.
      Date Deposited: 22 Nov 2017 18:52
      Last Modified: 23 Nov 2017 16:20
      URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/5999

      Actions (login required)

      View Item