بخشی از مقاله
چکیده:
در این مقاله ساخت و بهینهسازی لایههای نازک مولیبدن و اکسید روی آلائیده شده به آلومینیوم با استفاده از دستگاه کندوپاش متناوب مورد بررسی قرار گرفته است. پارامترهای مهم در لایهنشانی مولیبدن شامل مقاومت سطحی کم و چسبندگی بالا به زیرلایه و در لایهنشانی اکسید رسانای شفاف شامل رسانندگی و شفافیت بالا میباشند. با تغییر پارامترهایی همچون فشار محفظه، توان دستگاه و ضخامت لایهها به بهینه مشخصات دست یافتیم.
بهینه مشخصات با لایهنشانی مولیبدن به صورت دو مرحلهای در دو فشار متفاوت 3×10-3 و 6×10-3 میلیبار و توان 300 وات، برای ضخامت 500 نانومتر بدست آمد و مقاومت سطحی به مقدار 0/3 Ω رسید که برای ا ستفاده به عنوان ات صال یک سلول خور شیدی ایدهال ا ست. بهینه شرایط برای لایه ZnO:Al در توان 150 وات، ف شار کاری 3×10-3 میلیبار و ضخامت 600 نانومتر حاصل شد. لایه AZO بدست آمده دارای مقاومت سطحی 30 Ω و شفافیت بالای 75 درصد میباشد.
مقدمه:
امروزه با توجه به نیاز بشر به انرژیهای پاک، سلولهای خورشیدی از اهمیت ویژهای برخوردار شدهاند. در اغلب سلولهای خورشیدی نیاز به دو ات صال داریم که یکی از آنها در پشت سلول - لا یه آخر - قرار میگیرد و دیگری در روی سلول - اولین لا یه - استفاده می شود. برای اتصال پشتی، اغلب از فلزاتی با استحکام و رسانندگی بالا مانند آلومینیوم، پلاتین و مولیبدن استفاده میشود. مقاومت ات صال پ شتی بر روی مقاومت سری سلول در مدار تاثیر داشته و باعث کاهش فاکتور پرشدگی سلول میشود .[1] به منظور اتصال در جلوی یک سلول خورشیدی نیاز به یک اکسید رسانای شفاف داریم که بدون آنکه برای ر سیدن پرتو خور شید به سلول مزاحمتی ایجاد کند، دارای رسانندگی لازم برای انتقال الکترونها و حفرهها باشد .
[2] ازجمله مواد رسانای شفاف میتوان به اکسیدهای فلزی مانند اکسید قلع ایندیوم و اکسید روی آلایش شده اشاره کرد. اکسید روی ذاتا دارای گاف انرژی به بزرگی 3/3 الکترونولت است که بوسیله آلایش با فلزات مختلف خواص الکتریکی و اپتیکی آن بهبود مییابد. اکسید روی آلائیده به آلومینیوم - ZnO:Al - یکی از متداولترین اکسید رسانای شفاف مورد استفاده است و از آنجا که معمولا در ساختار سلول خورشیدی در کنار یک لایه اکسید روی ذات - i-ZnO - قرار میگیرد همواره موجب افزایش بازدهی می شود.
[3] دا شتن کمینه مقاومت در کنار یک اتصال اهمی از مهمترین ویژگیهای یک لایه اتصال پشتی ا ست. از سوی دیگر دا شتن ر سانندگی بالا در کنار شفافیت قابل توجه از جمله پارامترهای مورد نظر برای یک ات صال جلویی ا ست که خود چالشهایی بسیار زیادی را به همراه دارد. روش های متعددی مانند انواع روشهای شیمیایی و فیزیکی برای رسیدن به این مهم تاکنون استفاده شده است که از میان آنها روشهای فیزیکی و مشخصا روش کندوپاش از بازدهی و عملکرد بهتری برخورد بودهاند.
در این مقاله تلاش شده است از روش فیزیکی کندوپاش مغناطیسی با امواج رادیویی برای ساخت لایه مولیبدن به عنوان اتصال پشتی و لایه رسانای شفاف اکسید روی آلائیده به آلومینیوم به عنوان اتصال رویی استفاده شود و با تنظیم پارامترهایی همچون فشار محفظه، دمای بستر، آهنگ و توان لایهنشانی و فاصله ماده هدف تا بستر، بهینه خواص الکتریکی و اپتیکی مورد نظر را بدست آوردیم.
بخش تجربی:
در این تحقیق از شیشه به ضخامت یک میلیمتر به عنوان بستر استفاده شد. در ابتدا شیشهها با اسید کلریدریک و اتانول در حمام مافوق صوت شسته شده و سپس با آب بدون یون آبکشی میشوند و توسط گاز نیتروژن خشک میشوند. در نهایت در دمای 220 درجه به مدت 20 دقیقه در آون قرار میگیرند تا عاری از هرگونه آلودگی شوند. لایهنشانی مولیبدن به عنوان اتصال پشتی و اکسید رسانای آلاییده با آلومینیوم با استفاده از یک دستگاه کندوپاش متناوب - با فرکانس رادیویی - تمام اتوماتیک انجام شد.
هدفهای مورد استفاده در این دستگاه به قطر 3 اینچ و خلوص 99/999 بودند. با توجه به مقالات تارگت ZnO:Al با درصد وزنی 98:2 به منظور بهینه عملکرد انتخاب شد. لایهنشانی مولیبدن در توانهای 150، 200 و 300 وات، ضخامت 1 میکرومتر و در فشار 3×10 -3 میلیبار انجام شد. سپس به منظور بهبود چسبندگی لایه مولیبدن، لایهنشانی در توان 300 وات طی دو مرحله و هر بار با ضخامتهای 500 نانومتر و در دو فشار متفاوت انجام شد.
در مرحله اول لایهنشانی در فشار 6×10 -3 میلیبار و سپس در فشار 3×10-3 میلیبار انجام شد. نمونهها به ترتیب به نامهای م-1 تا م-4 نامگذاری شدند. چهار نمونه ZnO:Al نیز بر روی شیشه لایهنشانی شدند که در دو عدد از آنها توان اعمالی100 وات، فشار 3×10-3 میلیبار و ضخامتهای 300 و 600 نانومتر استفاده شد و در دو نمونه دیگر توان دستگاه به 150 وات افزایش داده شد و لایهنشانی در ضخامتهای 300 و 600 نانومتر و همان فشار قبلی صورت پذیرفت. نمونه ها به ترتیب ز-1 تا ز-4 نامگذاری شدند.
بحث و نتایج
شکل 1 طیف پراش پرتو ایکس را برای نمونه م-1 نشان میدهد. همانگونه که مشاهده میشود مولیبدن در ساختار مکعبی بلوری شده و در رشد کریستالی آن سه پیک اصلی - 111 - ، - 220 - و - 321 - به ترتیب در زوایای 2 برابر با 40/60، 58/76 و 73/99 مشاهده میشوند. بقیه نمونههای م-2 تا م-4 طیف مشابهی داشتند که از نمایش آنها اجتناب شده است. در ابتدا لایهنشانی مولیبدن در فشار و ضخامت ثابت یک میکرومتر و در توان های 150، 200 و 300 وات انجام شد.
همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است با افزایش توان دستگاه مقاومت سطحی لایه از 10 / 10به محدوده 0/5 - 1/2 /کاهش داشته است. با افزایش ضخامت لایه مولیبدن، اندازه دانهها افزایش مییابد و تعداد مرزدانههایی که حاملها باید در طول انتقال الکتریکی از آن عبور کنند کاهش مییابد که موجب کاهش مقاومت و افزایش تحرک حاملها میشود. از طرفی در لایههای مولیبدن با ضخامت زیاد، به دلیل آنکه زمان بیشتری برای لایهنشانی نیاز دارند، تنش حرارتی در لایه مولیبدن بیشتر میشود.
پس باید لایه مولیبدن با ضخامت بهینهایی که در حدود 1 میکرون است، لایهنشانی شود .[4] از آنجا که ضخامت بیشتر منجر به رشد بلوری بهتر در سطح فیلم میشود و از طرفی در توانهای بالاتر تاثیر آن مشهودتر میباشد لذا در توان 300 وات در سطح فیلم بازه مقاومتی کمتری مشاهده میگردد و مقاومت بین 0/5 تا 1/2 است. نکته قابل توجه دیگر چسبندگی مولیبدن به شیشه میباشد. در صورتی که چ سبندگی مولیبدن به شی شه کم با شد، در ادامه روند ساخت سلول تحت شرایط دمایی اعمالی، لایه از سطح شیشه جدا شده و ورقه ورقه می شود. به طور کلی در روش کندوپاش هر چه فشار کاری دستگاه بالاتر باشد، منجر به شکلگیری ساختاری متخللتر، تنش کششی باقیمانده و با چسبندگی بالاتر میشود .[5]
ازطرفی در لایهن شانی در ف شار کمتر لایه تحت تنش ف شاری بوده، بنابراین ساختاری فشردهتر را ایجاد خواهد کرد. هر چه ساختار چگالتر باشد، مسیر برای ترابرد الکترون در طول لایه مناسبتر و بنابراین رسانش افزایش مییابد. بدین منظور در مرحله نهایی لایهنشانی مولیبدن به روش دو مرحلهای انجام شد و از دو فشار کاری متفاوت 6×10-3 و 3×10-3 میلیبار استفاده شد. سمت چپ شکل 1 طیف پراش پرتو ایکس نمونه اکسید روی آلاییده را نشان میدهد. همان گونه که مشاهده می شود پیک اکسید روی به خوبی قابل مشاهده است.
