Ανάπτυξη και ιδιότητες επαφών σε ηλεκτρονικές διατάξεις

Abstract

The present Ph.D thesis was part of a research program titled “Growth of photovoltaic technology based on thin films”. The aim of this program was the development of a multilayered chalcopyrite based (CIS / CIGS), thin film solar cell device. The purpose of the present Ph.D. thesis was the development and the characterization of the front ohmic contact (window layer - metal contact) of such a solar cell device (ZnO / ZnSe / chalcopyrite / Mo / Glass). Specifically, intrinsic ZnO and Al such as In doped ZnO thin films were deposited on soda lime glass substrates by the pulsed laser deposition technique (PLD). The deposition parameters such as laser wavelength and energy density, substrate temperature, oxygen pressure and dopant percentage addition were investigated, in order to produce thin films with optimum structural, optical and electrical properties. It has been found that the best deposition conditions were the following: · UV pulsed KrF excimer laser operated at 248nm with pulse frequency 10 Hz, pulse duration 10 ns, · Energy density 2.4 J/cm2 · Substrate temperature 300oC · Oxygen pressure 20 Pa · Compound ceramic target 3 wt% In:ZnO · Deposition time 1hr 30 min The deposited 3 wt% In:ZnO thin film presented high crystallinity, high transmittance (95%) and low resistivity (2x10-3 Ωcm). In order to complete the growth of such a front ohmic contact, different double layer metal contacts (Al/Au, Ag/Au, In/Au, Ti/Au) were deposited on the above In doped ZnO film. It has been observed that the front contact 3 wt% In:ZnO / Ti / Au present an ohmic behavior with the lowest resistance (800Ω).

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αποτέλεσε τμήμα του ερευνητικού έργου ΠΕΝΕΔ-2003 με τίτλο “Ανάπτυξη της Τεχνολογίας Φωτοβολταϊκών Βασισμένων σε Λεπτά Υμένια”. Το αντικείμενό της ήταν η ανάπτυξη της εμπρόσθιας ωμικής επαφής μιας ηλιακή κυψέλη χαλκοπυριτών (CIS/CIGS), βασισμένη στην τεχνολογία των φωτοβολταϊκών λεπτών υμενίων. Συγκεκριμένα, λεπτά υμένια ZnO και υμένια ZnO με προσμείξεις μετάλλου (Al, In), προς βελτίωση της αγωγιμότητας του υμενίου, αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της Εναπόθεσης με Δέσμη Παλμικού Laser (PLD) σε υπόστρωμα γυαλιού, καθώς αποτελούν μέρος της ετεροδομής ZnO/ZnSe/χαλκοπυρίτη/Mo/Glass. Για την ανάπτυξη των υμενίων ZnO χρησιμοποιήθηκε κεραμικός (ZnO) και μεταλλικός (Zn) στόχος ο οποίος αποδομήθηκε με παλμικό laser (Nd:YAG, KrF Excimer) σε ατμόσφαιρα O2. Διερευνήθηκε συστηματικά η επίδραση των ακόλουθων συνθηκών της διαδικασίας της εναπόθεσης: α) το μήκος κύματος και η πυκνότητα ενέργειας του laser (Nd:YAG (532nm), KrF Excimer (248nm)), β) η πίεση του φέροντος αερίου στο θάλαμο και γ) η θερμοκρασία του υποστρώματος στις δομικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων ZnO. Διαπιστώθηκε ότι η χρήση KrF Excimer laser μήκους κύματος ακτινοβολίας 248 nm, διάρκειας παλμού 10ns, συχνότητας 10Hz και πυκνότητας ενέργειας 2.4 J/cm2 για την αποδόμηση κεραμικού στόχου ZnO, με πίεση αντιδρώντος αερίου 20 Pa και θερμοκρασία υποστρώματος 300 οC, οδήγησε στην ανάπτυξη υμενίου ZnO καλής κρυσταλλικότητας, υψηλής διαπερατότητας και μικρής ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης. Η διαδικασία της εναπόθεσης με Nd:YAG laser δεν απέδωσε ικανοποιητικά υμένια ZnO. Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση του ποσοστού της πρόσμειξης (Al ή In) στις δομικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων Al:ZnO και In:ZnO. Διαπιστώθηκε ότι υμένια ZnO με πρόσμειξη In 3 κ.β.% εξασφαλίζουν μικρή ειδική ηλεκτρική αντίσταση και διατηρούν την διαπερατότητα των υμενίων ZnO σε ιδιαίτερα υψηλά επίπεδα. Προς ολοκλήρωση της εμπρόσθιας ηλεκτρικής επαφής εναποτέθηκαν μεταλλικά ηλεκτρόδια δύο στρωμάτων (Al/Au, Ti/Au, In/Au, Ag/Au), στην επιφάνεια των υμενίων Al:ZnO και In:ZnO και διερευνήθηκε το είδος της ετεροεπαφής μετάλλου - ημιαγωγού (Ωμική επαφή ή Schottky) που αναπτύσσεται. Διαπιστώθηκε ότι οι ετεροεπαφές μετάλλου - ημιαγωγού που αναπτύχθηκαν, παρουσιάζουν ωμική συμπεριφορά.