Способ синтеза гетероперехода CdTe/CdS из элементарных высокочистых прекурсоров для тонкопленочных солнечных элементов Российский патент 2024 года по МПК H01L31/18 H01L21/203 

Область техники

Заявляемое изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение при создании тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом кадмий теллур/кадмий сера (CdTe/CdS). Более конкретно изобретение относится к технологии получения гетероперехода CdTe/CdS, применяемых в качестве основного слоя для тонкопленочных солнечных элементов. Основным преимуществом технического решения является получение больших зерен и увеличение скорости роста пленок.

Уровень техники

Известен способ получения гетероперехода CdTe/CdS путем получения слоя CdS методом химического осаждения в ванне, получения слоя CdTe методом сублимации в замкнутом пространстве. (Maticiuc, N. Impact of CdS annealing atmosphere on the performance of CdS-CdTe solar cell / N. Maticiuc, N. Spalatu, V. Mikli, J. Hiie // Applied Surface Science. - 2015. - V. 350. - P. 14 - 18.)

Сущность такого способа получения заключается в погружении подложки из натриево-кальциевого стекла в ванну с раствором, состоящим из 1 мМ CdSO4, 10 мМ тиомочевины, 0,2 М NH4OH и 30 мМ (NH4)2SO4. Для легирования CdS в ванну для осаждения добавляли раствор NH4Cl низкой концентрации (0,1 мкМ). Температура и скорость перемешивания раствора составляли 85°С и 500 об/мин соответственно. Одно осаждение длилось 30 мин, но для получения более толстых пленок CdS процесс повторяли трижды. После осаждения была применена вакуумная сушка при 120°С для удаления большей части вторичных фаз воды, гидроксидов и органических примесей. Затем каждый слой отжигали в среде водорода при температуре 450°С и продолжительности 10-20 минут. Слой CdTe толщиной 3-4 мкм осаждался методом сублимации в замкнутом пространстве при температурах источника и подложки 610°C и 500°C соответственно. После осаждения слой CdTe отжигали при 420°С с нанесенным поверх CdCl2.

Недостатком данного способа является разбиение процесса получения гетероперехода на два отдельных синтеза, неполная конверсия исходных кислот, что привносит в пленку некоторые примеси, необходимость отжига после получения каждого слоя.

Известен также способ получения гетероперехода CdTe/CdS путем электроосаждения (Dharmadasa, I.M. Unravelling complex nature of CdS/CdTe based thin film solar cells / I. M. Dharmadasa, A. A. Ojo // Journal of Materials Science: Materials in Electronics. - 2017. - V. 28. - P. 16598 - 16617.)

Для электроосаждения пленки CdS используют электролит с содержанием источника кадмия и серы. Источником кадмия обычно является водный раствор CdCl2, а источником серы может быть Na2S2O3, NH4S2O3 или NH2CSNH2. Данную пленку выращивают при температуре ниже 85°С, полученные слои необходимо отжечь при температуре 400°С в течение 20 минут перед использованием в дальнейших операциях. Далее, для электроосаждения пленки CdTe используют водный раствор CdSO4 в качестве источника Cd и TeO2 в качестве источника Te. Также возможно использование Cd(NO3)2 и CdCl2 в качестве источников Cd. Рост происходит при температуре 85°С, полученные слои также необходимо отжечь при температуре не ниже 400°С в течение 10-20 минут на воздухе в присутствии CdCl2. Данный отжиг превращает CdTe в большие кристаллы размером несколько микрон (1-4 мкм).

Недостатком данного способа является рост гетероперехода CdTe/CdS в 3-электродной системе, что приводит к загрязнениям вредными примесями первой группы, такими как K и Ag. Электроды имеют внешнюю оболочку из насыщенного раствара KCl и утечка любых ионов K в электролит на уровне частей на миллиард и частей на миллион резко снижает эффективность солнечного элемента CdS/CdTe.

Известен способ получения гетероперехода CdTe/CdS методом термического испарения в вакууме. (Khrypunov, G. Recent developments in evaporated CdTe solar cells / G. Khrypunova, A. Romeob, F. Kurdesauc, D.L. Ba tznerd, H. Zogge, A.N. Tiwarie // Solar Energy Materials & Solar Cells. - 2006. - V. 90. - P. 664 - 667.)

Сущность способа заключается в использовании порошка CdS и CdTe, который нагревают до температуры сублимации. Слой CdS выращивают в камере для термического испарения при температуре подложки 150°C и затем отжигают при 450°C для рекристаллизации, затем осаждают CdTe при температуре подложки 300°C в той же камере без нарушения вакуума. Типичная толщина CdS составляет 0,1-0,5 мкм, а толщина CdTe составляет от 3 до 4 мкм. Переход CdTe/CdS активируют испарением CdCl2 нанесенную на поверхность CdTe и последующим отжигом гетероперехода на воздухе при 430°C в течение 30 мин.

Недостатком данного способа является низкая скорость роста пленки. Необходимость рекристаллизации полученных слоев из-за получения различных фаз при синтезе материала. Для активации полученного гетероперехода необходимо проводить отжиг на воздухе при 430°С в течение 30 минут после нанесения слоя CdCl2.

Данный способ выбран в качестве прототипа.

Сущность изобретения

Сущность заявленного технического решения заключается в использовании элементов, вместо бинарных смесей или кислот, для получения гетероперехода CdTe/CdS. Так же в качестве инициатора химических реакций между элементами выступает низкотемпературно индуктивно-связанная плазма, которая ускоряет рост пленки и увеличивает размер кристаллитов. Так же благодаря синтезу в одном вакуумном цикле, возможно создание квазигомоперехода с образованием слоя CdSTe.

Использование заявленного технического решения позволяет получить новую технологию производства тонкопленочных элементов на основе гетероперехода CdTe/CdS.

Описание изобретения

Технический результат настоящего изобретения достигается за счет того, что заявленный способ получения гетероперехода CdTe/CdS включает в себя загрузку исходных веществ в виде элементарного Cd, Te и S в печи, которые нагревают до температур 275°С, 430°С и 120°С для создания достаточного давления насыщенного пара. Затем пары попадают в плазмохимический реактор, инициирование реакции взаимодействия кадмия, теллура и серы в зоне реакции упомянутого реактора происходит высокочастотным плазменным разрядом в условиях неравновесной индуктивно-связанной плазмы при пониженном давлении. Новым в разработанном способе является то, что в качестве катализатора используется неравновесная индуктивно-связанная плазма, что в свою очередь увеличивает скорость роста пленки и увеличивает размер кристаллитов, а также способствует созданию квазигомоперехода.

Пример реализации изобретения:

Осаждение гетероперехода CdTe/CdS осуществляется на подложки из стекла с нанесенным сверху слоем FTO. Для осаждения тонких пленок CdS используется элементарный Cd чистотой 99.9999% и элементарная S чистотой 99.99999%. Для осаждения тонких пленок CdTe используется элементарный теллур чистотой 99.999%. Элементы загружаются в печи, снабженные внешними нагревательными элементами и термопарами для контроля температуры. В качестве газа носителя и плазмообразующего газа используется высокочистый Ar 99.999%. С помощью форвакуумного насоса в установке достигается давление 10-3 Торр. Печи нагреваются для создания давления насыщенного пара элементов 10-2 мм рт.ст. Для кадмия - это 275°С. Для теллура - это 430°С. Для серы - это 130°С. После разогрева печей до нужных температур при помощи газа носителя Ar данные элементы доставляются в плазмохимический реактор по системе подачи газа. Время осаждения составляет 6 минут. Скорость роста составляет 50 мкм в час. После завершения процесса система откачивается, для удаления остаточных материалов и безопасного извлечения тонкой пленки.

Изобретение относится к солнечной энергетике и может найти применение при создании тонкопленочных солнечных элементов с гетеропереходом кадмий теллур/кадмий сера (CdTe/CdS). Способ получения гетероперехода CdTe/CdS включает загрузку исходных веществ: элементарные кадмий, теллур и сера, нагрев в печи до температур 275°С, 430°С и 120°С, соответственно, для создания достаточного давления насыщенного пара, который попадает в плазмохимический реактор, где происходит инициирование реакции взаимодействия кадмия, теллура и серы в зоне реакции упомянутого реактора посредством высокочастотного плазменного разряда в условиях неравновесной индуктивно-связанной плазмы при пониженном давлении, при этом в качестве катализатора используется неравновесная индуктивно-связанная плазма, которая увеличивает скорость роста пленки и увеличивает размер кристаллитов, и способствует созданию квазигомоперехода. Основным преимуществом изобретения является получение больших зерен и увеличение скорости роста пленок, применяемых в качестве основного слоя для тонкопленочных солнечных элементов.

Способ получения гетероперехода CdTe/CdS, включающий в себя загрузку исходных веществ, представляющих собой элементарные кадмий, теллур и серу, которые нагревают в печи до температур 275°С, 430°С и 120°С, соответственно, для создания достаточного давления насыщенного пара, который попадает в плазмохимический реактор, где происходит инициирование реакции взаимодействия кадмия, теллура и серы в зоне реакции упомянутого реактора посредством высокочастотного плазменного разряда в условиях неравновесной индуктивно-связанной плазмы при пониженном давлении, отличающийся тем, что в качестве катализатора используется неравновесная индуктивно-связанная плазма, которая увеличивает скорость роста пленки и увеличивает размер кристаллитов, и способствует созданию квазигомоперехода.