Loading presentation...

Present Remotely

Send the link below via email or IM

Copy

Present to your audience

Start remote presentation

  • Invited audience members will follow you as you navigate and present
  • People invited to a presentation do not need a Prezi account
  • This link expires 10 minutes after you close the presentation
  • A maximum of 30 users can follow your presentation
  • Learn more about this feature in our knowledge base article

Do you really want to delete this prezi?

Neither you, nor the coeditors you shared it with will be able to recover it again.

DeleteCancel

ZnO nagyvédés

ZnO nagyvédés
by

Agoston Nemeth

on 19 January 2011

Comments (0)

Please log in to add your comment.

Report abuse

Transcript of ZnO nagyvédés

ZnO vékonyrétegek vizsgálata
Németh Ágoston
Konzulensek: Dr. Bársony István, Dr. Lábadi Zoltán
Köszönöm a figyelmet!
Célkitűzés:
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) napelemek átlátszó vezető kontaktusrétegeinek technológiai optimalizálása és a folyamat részletes tanulmányozása
ZnO rétegek
Eszközök:
tiltott sávszélessége 3.3 eV (direkt félvezető)
wurtzit rácsban kristályosodik
olvadáspontja 2200-2500K
sűrűsége 5,6 g/cm3
További publikációk

[S2.1]Á. Németh, V. Timár-Horváth, J. Mizsei: Contactless characterisation of solar cell materials and layer structures by scanning Kelvin method, NATO-ASI on Photovoltaic and Photoactive Materials, Sozopol, Bulgaria, Sept, 2001, Poster

[S2.2]Á. Németh, Z. Lábadi: Problems and results of developing a multifunctional vacuum system for CIGS solar cell production, IWTPV’04 Prague, ISBN 80-01-02973-5, Proceedings

[S2.3]Á. Németh, L. Kövér, J. Tóth , J. Balázs, A.L.Tóth, Z. Lábadi: Deposition and characteristics of ZnO transparent contacts of CIGS solar cells, NATO-ASI on Photovoltaic and Photoactive Materials, Sozopol, Bulgaria, Sept, 2004, Poster

[S2.4]Á. Németh, AL Tóth, Z Lábadi: Deposition and properties of porous non-stoichiometric ZnO layers with nanoscale porosity, First International Workshop on Semiconductor nanocrystals, SEMINANO 2005, Budapest, 2005 szeptember 10-12, Poster

[S2.5]Á. Németh, V.Rakovics, E. B. Kuthi, Z. Lábadi, Á. Nemcsics, S. Püspöki, A.L. Tóth, I. Bársony: Study of the properties of sulphide buffer layers as a function of deposition parameters and annealing, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4-8 September 2006, Poster

[S2.6]Á. Németh, I. Pinter, Z. Labadi, A. Toth, S. Püspöki, I. Bársony: Study of crystal defects in plasma doped silicon solar cells, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4-8 September 2006, Poster

[S2.7]E. B. Kuthi, Á. Németh, I. Pintér, B. Szentpáli, I. Bársony: PIII solar cell with self-doping contacts for indoor applications, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany, 4-8 September 2006, Poster

[S2.8]Németh Ágoston, Lábadi Zoltán, Rakovics Vilmos, Bársony István, Krafcsik István: Napelemtechnológiai Innovációs Centrum az MTA MFA-ban, Hiradástechnika, Volume 62, 2007/10, Pages 30-34

[S2.9]Ágoston Németh, Zoltán Lábadi, Vilmos Rakovics, István Bársony, István Krafcsik: Solar Cell Technology Innovation Center at MTA MFA, Hiradástechnika, Volume 63, 2008/1, Pages 34-38
Tézispontok alapját képező publikációk

[S1.1]Á. Németh, Z. Lábadi, J. Mizsei, V. Rakovics: Alternative processes for rf deposited ZnO thin film doping, International Workshop on Semiconductor Surface Passivation SSP'2003, Ustron, Poland September 14 - 16, 2003, Poster

[S1.2]Á. Németh, A.L. Toth, E Horvath, L. Kover, J. Toth, J. Volk, J. Mizsei and Z. Labadi: Optimisation of the manufacturing of ZnO contact layers for CIGS solar cells by reactive sputtering, 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 6-10 June 2005, Poster

[S1.3]Á. Németh, E. Horváth, Z. Lábadi, L. Fedák, I. Bársony: Single step deposition of different morphology ZnO gas sensing films, EUROSENSORS XX, Göteborg, Sweden, 17-20 September, 2006, Poster; Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 127, Issue 1, 20 October 2007, Pages 157-160 (Impakt faktor: 2,934)

[S1.4]E. Horváth, Á. Németh, A.A. Koós, A.L. Tóth, L.P. Bíró, J. Gyulai: Focused ion beam based sputtering yield measurements on ZnO and Mo thin films, E-MRS 2006 Fall Meeting, Warsaw, Poland, 4-8 September, 2006, Poster; Superlattices and Microstructures, Volume 42, Issues 1-6, July-December 2007, Pages 392-397 (Impakt faktor: 1,344)

[S1.5]Á. Németh, Z.Lábadi, B. Pécz, I. Bársony: Study of the effect of technolgical parameters on the plasma spectra during reactive ZnO sputtering, 22st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Milano, Italy, 3-7 September 2007, Poster

[S1.6]Á. Németh, Cs. Major, M. Fried, Z. Lábadi, I. Bársony: Spectroscopic ellipsometry study of transparent conductive ZnO layers for CIGS solar cell applications, Thin Solid Films 516 (2008) 7016-7020 (Impakt faktor: 1,693)

[S1.7]Á. Németh, Z. Lábadi, L. Tóth, I. Bársony, Oscillation in the reactive plasma during Al doped ZnO deposition, Accepted for publication in Thin Solid Films (Impakt faktor: 1,693)

[S1.8]Á. Németh, Z. Lábadi, L. Tóth, I. Bársony, Oscillations and Power dependent hysteresis in reactive zno plasma, Vacuum, In Press, Corrected Proof, Available online 27 May 2009 (Impakt faktor: 0,881)

[S1.9]C. Major, A. Nemeth, G. Radnoczi, Zs. Czigany, M. Fried, Z. Labadi, I. Barsony, Optical and electrical characterization of aluminium doped ZnO layers, Applied Surface Science, In Press, Accepted Manuscript, Available online 26 June 2009
1.A nemzetközi irodalomban dokumentált gyakorlattal szemben megmutattam, hogy lehetséges 10e-4 Ohmcm nagyságrendű és 85%-nál nagyobb transzmissziójú aluminiummal adalékolt cinkoxid (AZO) átlátszó vezető oxid (TCO, Transparent Conductive Oxide,) rétegeket előállítani plazma emisszió monitorozásról (PEM, Plasma Emission Monitoring) visszacsatolt szabályozókör és hordozó-fűtés nélkül. [S1.2], [S1.3], [S1.5], [S1.7]

2.Feltérképeztem az Ar/O plazmában porlasztott Al-mal adalékolt Zn target teljesítmény-feszültség karakterisztikáját és meghatároztam annak különböző elektromos és optikai paraméterű rétegeket eredményező tartományait. Meghatároztam, a vezető átlátszó, napelemek szempontjából kedvezőtlen elektromos paraméterű, oszcillatív és hiszterézises, valamint fémes tartományokat a teljesítmény gázarány koordinátarendszerben. [S1.5]

3.Először mutattam ki, hogy a Zn/Al ötvözet targetből Ar/O atmoszférában történő reaktív porlasztás paramétereinek létezik olyan tartománya, ahol az oxigéntartalom- és teljesítményfüggő hiszterézis helyett állandó teljesítmény mellett a plazma paramétereinek oszcillációja lép föl, mely stabil, és reprodukálható. Kimutattam, hogy ez az oszcilláció nem csak a plazma feszültségében és a kamra háttérnyomásában jelentkezik, hanem a plazma összetételében is. Meghatároztam azokat a porlasztási feltételeket, amelyek mellett az Ar/O reaktív plazma hiszterézises viselkedést mutat és amelyek mellett stabil és reprodukálható oszcilláció lép föl. [S1.4], [S1.5]

4.Kvalitatív fizikai modellt alkottam annak magyarázatára, hogy Al-mal adalékolt Zn target Ar/O atmoszférában történő porlasztása közben, meghatározott körülmények közt létrejövő stabil és reprodukálható plazmaösszetétel oszcillációja milyen fizikai mechanizmussal lép fel. Modellem alapját a targetfelszín oxidációjának, illetve porlódásának egymáshoz viszonyított sebessége alkotja. [S1.4], [S1.5], [S1.8]

5.ZnO réteg ellenállásának NH3 gázérzékenységét vizsgálva megmutattam, hogy a reaktív magnetronból származó laterálisan inhomogén plazmából, álló hordozóra történő reprodukálható leválasztás olyan fém-oxid ellenállásréteget eredményez, melynek gázérzékenysége pontról pontra különböző. [S1.1]

6.Új ZnO adalékolási módszert dolgoztam ki, melynek lényege, hogy az intrinsic ZnO kerámia target felületére adalék Al mintázatot gőzöltem és az ilyen módon preparált targetből RF porlasztással valósítottam meg a ZnO vékonyréteg in situ adalékolását. [S1.6]
Publikációk
Tézispontok
Köszönetnyilvánítás
Hálámat és tiszteletemet szeretném kifejezni Bársony Istvánnak, amiért munkám végig figyelemmel kísérte, támogatott és érdeklődésemet mindig a lényeges kérdésekre irányította.
Köszönöm Lábadi Zoltánnak, hogy közös munkánkban együtt gondolkodva és építő kritikával vezetett.
Dolgozatom nem jöhetett volna létre az MFA megannyi kollégájának segítőkész támogatása nélkül, kik közül a teljesség igénye nélkül fontosnak tartom kiemelni Szabó Imrét, aki bevezetett a rétegleválasztások világába, Tóth Attilát és Horváth Enikőt a SEM mérésekért, Fried Miklóst és Major Csabát az ellipszometriás mérésekért, Pécz Bélát és Tóth Lajost a TEM vizsgálatokért, Nguyen Quoc Khanht az RBS mérések elvégzéséért, Réti Istvánt a minták transzmissziójának megméréséért, Lázár Csabát, Gergely Balázst és a tiszta labor dolgozóit a rengeteg segítségért. Szintén hálával tartozom Tóth Józsefnek, az XPS mérések alapos elvégzéséért és Mizsei Jánosnak a Kelvin mérésekért.
Rendkívül sokat köszönhetek Iványi Csabának, aki nagy tapasztalatával és szempontjaival időről időre átsegített, ha szakmailag elakadtam.
Külön szeretném kiemelni hálámat Dücső Csabának, aki először vetette fel nekem a PhD munka ötletét.

Köszönöm szüleim, nagyszüleim, testvéreim lelkes és szűnni nem akaró érdeklődését, amivel még a vasárnapi ebédek alkalmával sem hagyták, hogy megfeledkezzem munkám céljáról.

Köszönet a „Napelemtechnológiai Innovációs Centrum” (NKFP 3/025/2001), az „Co-evaporated four-component semiconductor thin films for photovoltaics” (OTKA NK73424) és OTKA T35739 pályázatoknak.
Köszönet a BudaSolar Kft.-nek és EnergoSolar Kft.-nek a berendezés megépítéséért, karbantartásáért és szakmai tanácsokért, a Tateyama Kagaku Ind. Corp. Ltd. vállalatnak támogatásukért, illetve Tsuneo Morita úrnak a szemináriumokért.
Leválasztási módszerei:

DC és RF porlasztás
Reaktív párologtatás
CVD módszer
Ionizált klaszter-nyaláb
Impulzusüzemű lézer
Alkalmazási területei:

Napelemek TCO rétege
Síkképernyők (FPD)
Szenzorika
LEDek
Energiatakarékos ablaküveg bevonatok
CIGS napelemek által támasztott követelmények:

Kis abszorpció a látható és NIR hullámhossz-tartományban
Megfelelő törésmutató, hogy a fény csatolva legyen az aktív rétegbe
Megfelelő textúra a fotonok csapdázása érdekében
Jó vezetőképesség
Nagy töltéshordozó mozgékonyság
Homogenitás
Reprodukálhatóság
Alacsony gyártási költségek, jó rétegépülés
Más kutatócsoportok legjobb rétegei (reaktív porlasztás):

2,6*10e-4 Ohmcm, 79-83% transzmisszió
TwinMag rendszer, előfűtés
[Institute of Photovoltaics (IPV), Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films (IST), RWE Schott Solar, Applied Films GmbH, Sentech Instruments GmbH, Institute of Thin Films and Interfaces]

6,3*10e-4 Ohmcm, 82% transzmisszió
Inductively Coupled Plasma (ICP)
[S.J. Jung, B.M. Koo, Y.H. Han, J.J. Lee, J.H. Joo, Surface and Coatings Technology, Volume 200, Issues 1-4, 1 October 2005, Pages 862-866]

5*10e-4 Ohmcm, 85% transzmisszió
Plasma Emission Monitoring (PEM), előfűtés
[Christian May, Richard Menner, Johannes Strümpfel, Mike Oertel, Bernd Sprecher, Surface and Coatings Technology, Volumes 169-170, 2 June 2003, Pages 512-516]
Impulzusüzemű DC porlasztó
30*30 cm SLG hordozó
Magnetronos targetek
Al/Zn (99,95%) target 44*11cm
Ar és O gázbevezetés
Target előkészítés
Reaktív magnetronos porlasztás
Előnyei:
Vegyületek leválasztása fém targetből
Szigetelő vékonyrétegek DC porlasztással
A rétegek összetétele szabályozható

Hátrányai:
A porlasztás közben a target szennyeződik
Nehezen reprodukálható a réteg
A kialakuló réteg összetétele és minősége sok paramétertől függ
Hiszterézises viselkedés
Alternatív adalékolási módszer
Átlátszó vezető ZnO rétegek reaktív porlasztása
TCO ZnO optimalizáció
1.A nemzetközi irodalomban dokumentált gyakorlattal szemben megmutattam, hogy lehetséges 10e-4 Ohmcm nagyságrendű és 85%-nál nagyobb transzmissziójú aluminiummal adalékolt cinkoxid (AZO) átlátszó vezető oxid (TCO, Transparent Conductive Oxide,) rétegeket előállítani plazma emisszió monitorozásról (PEM, Plasma Emission Monitoring) visszacsatolt szabályozókör és hordozó-fűtés nélkül. [S1.2], [S1.3], [S1.5], [S1.7]
Tartományok feltérképezése
2.Feltérképeztem az Ar/O plazmában porlasztott Al-mal adalékolt Zn target teljesítmény-feszültség karakterisztikáját és meghatároztam annak különböző elektromos és optikai paraméterű rétegeket eredményező tartományait. Meghatároztam, a vezető átlátszó, napelemek szempontjából kedvezőtlen elektromos paraméterű, oszcillatív és hiszterézises, valamint fémes tartományokat a teljesítmény-gázarány koordinátarendszerben. [S1.5]
ZnO gázszenzor célú alkalmazása
p: 1,44 W/cm2 (700W)
t: 20 perc
5.ZnO réteg ellenállásának NH3 gázérzékenységét vizsgálva megmutattam, hogy a reaktív magnetronból származó laterálisan inhomogén plazmából, álló hordozóra történő reprodukálható leválasztás olyan fém-oxid ellenállásréteget eredményez, melynek gázérzékenysége pontról pontra különböző. [S1.1]
XRD mérés eredménye:
kristályos hányad csökkenése (a -> e)
nyomó feszültség nő (a -> e)
Kísérletek:
RF porlasztás
18 cm átmérőjű ZnO (99,95%) target
~6% Al borítottság
6.Új ZnO adalékolási módszert dolgoztam ki, melynek lényege, hogy az intrinsic ZnO kerámia target felületére adalék Al mintázatot gőzöltem és az ilyen módon preparált targetből RF porlasztással valósítottam meg a ZnO vékonyréteg in situ adalékolását. [S1.6]
10e-2 mbar nyomás mellett leválsztott minták SEM képe
A mérések 150 Celsius fokon történtek
Tipikus válaszjel
p: 1,4 W/cm2 (675W)
t: 50 másodperc
3.Először mutattam ki, hogy a Zn/Al ötvözet targetből Ar/O atmoszférában történő reaktív porlasztás paramétereinek létezik olyan tartománya, ahol az oxigéntartalom- és teljesítményfüggő hiszterézis helyett állandó teljesítmény mellett a plazma paramétereinek oszcillációja lép föl, mely stabil, és reprodukálható. Kimutattam, hogy ez az oszcilláció nem csak a plazma feszültségében és a kamra háttérnyomásában jelentkezik, hanem a plazma összetételében is. Meghatároztam azokat a porlasztási feltételeket, amelyek mellett az Ar/O reaktív plazma hiszterézises viselkedést mutat és amelyek mellett stabil és reprodukálható oszcilláció lép föl. [S1.4], [S1.5]
Oszcilláció kialakulásának feltételei:
Háttérnyomás a target felszínének fémessé válása miatt 5*10e-3 mbar alá sűllyed
P > 550W
Ar/O < 40/10sccm
magas O tartalom
alacsony Zn tartalom
porlódás > oxidálódás
alacsony O tartalom
magas Zn tartalom
porlódás < oxidálódás
A target oxidborítottsága megszakad
Újra felépül az oxidréteg
4.Kvalitatív fizikai modellt alkottam annak magyarázatára, hogy Al-mal adalékolt Zn target Ar/O atmoszférában történő porlasztása közben, meghatározott körülmények közt létrejövő stabil és reprodukálható plazmaösszetétel oszcillációja milyen fizikai mechanizmussal lép fel. Modellem alapját a targetfelszín oxidációjának, illetve porlódásának egymáshoz viszonyított sebessége alkotja. [S1.4], [S1.5], [S1.8]
O elemtérkép
Zn elemtérkép
TEM elemtérképek
Oszcilláció jelensége
Eljárás lényege:
ZnO target felületére Al mintázat gőzölése
Az így preparált targetből rétegleválasztás
Cél: demonstrálni, hogy az így leválasztott minták Al-mal adalékoltakká válnak
Előnye: váltaoztatható adalékkoncentrációk
Full transcript