Co-evaporated four-component semiconductor thin films for photovoltaics  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
73424
Type NK
Principal investigator Bársony, István
Title in Hungarian Együtt-párologtatott négykomponensű félvezető vékonyréteg fotovoltaikus célra
Title in English Co-evaporated four-component semiconductor thin films for photovoltaics
Keywords in Hungarian CIGS, vékonyréteg napelem, vagyületfélvezető, rétegleválasztás
Keywords in English CIGS, thin film solar cell, compound semiconductor, thinfilm deposition
Discipline
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)60 %
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Nanotechnology (Materials technology)
Physics (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Physics of semiconductors
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Research Center of Natural Sciences)
Participants Baji, Zsófia
Basa, Péter
Battistig, Gábor
Csík, Attila
Czigány, Zsolt
Dücső, Csaba
Horváth, Zsolt József
Kövér, László
Lábadi, Zoltán
Menyhárd, Miklós
Mizsei, János
Molnár, György
Németh, Ágoston
Plesz, Balázs
Rakovics, Vilmos
Simon, Alíz
Szentpáli, Béla
Timárné Horváth, Veronika
Vad, Kálmán
Zolnai, Zsolt
Starting date 2008-04-01
Closing date 2012-03-31
Funding (in million HUF) 13.921
FTE (full time equivalent) 25.06
state closed project
Summary in Hungarian
Ez a hároméves célorientált nagy kutatási projekt egy szokatlanul összetett alapkutatást jelent atomi szinten lejátszódó fizikai és kémiai alapfolyamatok megválaszolására többkommponensű félvezető vékonyréteg rendszerek növesztése során, melyek nagy hatásfokú vékonyréteg fotovoltaikus eszközök abszorber rétegét alkotják. Egy ilyen program azáltal válik lehetővé, hogy az MFA-ban rendelkezésre áll egy 1,5 M€ értékű unikális, dedikált nagyvákuum infrastruktúra. A tervezett kísérleti munka része egy új nanopreparációs eljárás kifejlesztése az abszorber és az ablak-réteg közötti sávszerkezeti illesztést megvalósító ún. puffer-réteg előállítására atomi rétegleválasztással (ALD).

Mindezek megalapozzák a 4 intézet kilenc kutatócsoportjából delegált 19 résztvevő kutatóval (köztük három fiatal posztdoktor és 3 PhD hallgató) tervezett projektet és a kért támogatás összegét. A program a részvevő csoportok teljes analitikai és karakterizációs hátterével számol.

A kutatás eredményeként a napenergia-átalakító eszköz integrális részét képező félvezető funkcionális rétegek esetében magyarázatot adunk az összetétel – szerkezet – tulajdonság összefüggésre a leválasztási körülmények függvényében. Ez az alapvető, nanoskálán zajló folyamatok megértésén felül magában foglalja a jelenségek hatását a fotovoltaikus szerkezet optikai/elektromos viselkedésére is.
Summary
This three year targeted-type large research project aims at the realisation of an unusually complex fundamental approach elucidating the basic physical and chemical phenomena on atomic level in the growth of a multi-component semiconductor layer structure, which acts as the absorber layer of a high efficiency thin-film photovoltaic device. Such a program is made possible by the accessibility of the unique, dedicated preparatory infrastructure of the value of 1.5 M€ installed at MFA. Part of the planned experimental effort is the introduction of a dry nano-preparation of appropriate bandgap-matching buffer layer between the absorber- and window layers by Atomic Layer Deposition.

All this justifies the concerted action of 19 research participants (among them 3 young postdocs, 3 PhD students) from 9 research groups of complementary skills in four institutions and the requested grant. The program builds upon the use of the analytical and characterisation facilities of the participating groups.

The project will provide an explanation of the interplay of composition - structure - properties of the functional semiconductor layers as integral part of a solar energy conversion device. This implies beyond the understanding of fundamental nano-phenomena in the layer structure also the interpretation of their effect on the optical/electrical performance of the PV structure.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A CIGS PV szerkezet kutatásának célja az együtt-párologtatásos előállításnál fellépő folyamatok megismerése; és az n-típusú puffer-réteg létrehozása vákuumtechnikailag zárt ciklusba rendezhető módon. Utóbbit az atomi réteg-leválasztási technika hazai bevezetésével oldottuk meg. Kb. 200 ciklusban Zn-és 2 at% Al prekurzor-technikával Al-mal adalékolt ZnO-rétegek üveg hordozón T= 210-220°C-on reprodukálhatóan kialakíthatók n=1,2•1021cm-3 adalékkoncentrációval, µ= 0.7 cm2/Vs mozgékonysággal ill. ρ≈2 mΩcm (1 ill. 7 mΩcm laterális és normális) vezetőképességgel. A CIGS rétegnövesztést ún. flash-párologtatásos módszerrel és utólagos szelenizációval vizsgáltuk. Ampullában, együttes párologtatással (T=500°C, t=15min) csak kalkopirit összetevők mutathatók ki, a hőkezelés csak a Ga-tartalmat befolyásolja. Az ideális CuIn0,8Ga0,2Se2 összetétel 10-15 perces hőkezeléssel beállítható a szokásos morfológiával, amit konformálisan fed be a kb. 40nm ALD pufferréteg . Üvegen, Mo-elektródra párologtatott (In, Ga) és porlasztott (Cu) fémösszetevők rétegsorrendjének szerepe döntő utólagosan szelenizált rétegszerkezeten. Felpárologtatott Se-forrás hőkezelésével (változó gőznyomáson) vákuumban a szelenizáció nem sikeres, de konstans gőznyomáson (ampullában) tökéletes, ha a fémrétegek sorrendje In, Ga, Cu.
Results in English
The research on CuInGaSe2 (CIGS) thin film PV structures aimed at understanding of fundamental phenomena at the co-evaporation of the absorber layer; and the development of n-type buffer-layer by an integrable vacuum-method. Latter problem was solved by the adoption of the Atomic Layer Deposition (ALD) technique. In ca. 200 cycles of alternating Zn and ca. 2at% Al precursor pulses Al-doped ZnO layers on glass substrates could be formed reliably at T= 210-220°C with n=1,2•1021cm-3 doping concentration, µ= 0.7 cm2/Vs mobility and ρ≈2 mΩcm (1 vs. 7 mΩcm lateral and normal) resistivity. CIGS layer growth by the "flash-evaporation" method and with the post-selenisation of the metallic precursors was studied. Co-evaporation at T=500°C, t=15min results in solely chalcopyrite components, annealing time affects only the Ga-content in the layer. The composition CuIn0,8Ga0,2Se2 ideal for PV application can be set by an annealing for 10-15 min with the usual morphology, to be covered conformally by the ca. 40nm ALD buffer. The influence of the sequence of evaporated (In, Ga) and sputtered (Cu) metallic components on Mo-coated glass was studied by structural analyses on post-selenized d= 800…1200 nm layers. By the annealing of evaporated Se-source on top in vacuum (i.e. at varying Se vapour pressure) selenization was not successful. At constant vapour pressure (ampoule method) with a metal-layer order of In, Ga, Cu selenization is perfect.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=73424
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zs. Baji, Z. Lábadi, Zs. E. Horváth, M. Fried, B. Szentpáli, I. Bársony: Temperature dependent in situ doping of ALD ZnO, Journal of Thermal Analysis and calorymery 105 (1) 93-99 (2011), 2011
Zs. Baji, Z. Lábadi, M. Fried, Zs. Horváth, I. Bársony: Characterization of Al doped ALD ZnO layers, E-MRS Spring Meeting, Nice, 2011
Zs. Baji, Z. Lábadi, Z. E.. Horváth, M. Fried, B. Szentpáli and I. Bársony: Al doped ALD ZnO for CIGS buffer layer, 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2011
Zs. Baji, A. Szanyo, Gy. Molnár, A. L. Tóth, G. Pető, K. Frey,E. Kotai, and G. Kaptay:: Formation of Nanoparticles by Ion Beam Irradiation of Thin Films, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 12, 1-7, 2012, 2012
Zs. Baji, Z. Lábadi, Z. E. Horváth, I. Bársony:: Structure and morphology of aluminium doped Zinc-oxide layers prepared by atomic layer deposition,, Thin Solid Films, Vol. 520 (2012), Pages. 4703-4706, 2012
Zs. Baji, Z. Lábadi, Gy. Molnár, A. L. Tóth, I. Bársony:: CIGS films made by flash evaporation and post selenization,, Thin Solid Films (Submitted), 2012
Zs. Baji, Z. Lábadi, Gy. Molnár, A. L. Tóth, K. Vad, I. Bársony:: Post-selenization of stacked precursor layers for CIGS, Materials Science and Engineering B (submitted), 2012
Z. Szabó, J. Volk, E. Fülöp, A. Deák, I. Bársony:: Regular ZnO nanopillar arrays by nanosphere photolithography, Photonics and Nanostructures (submitted), 2012
Baji Zsófia: Semiconductor thin films for solar cell purposes,, PhD Thesis, BME Fizikai tudományok doktori iskola, MTA TTK MFA (under preparation), 2012
J. Toth, J. Pazman, A. Nemeth, A. Csik, Z. Labadi, L. Köver, I. Cserny, D. Varga, Z. Gacsi:: XAES studies of thin ZnO(Al) layers anbd SiC particles, JVC 13 Conference, Strbske Pleso, Slovakia, 20-24 June, 2010, 2010
Z. Baji , Z. Lábadi , M. Fried K. Vad J. Toth and I. Bársony:: Al doped ALD ZnO for CIGS buffer layer, EUPVSEC Proceedings, 2011, 2992 - 2997 ISBN: 3-936338-27-2 DOI: 10.4229/26th EUPVSEC2011-3DV.2.26, 2011
Zs. Baji:: The nucleation and growth modes of ALD ZnO, Metal Oxide / Polymer Nanocomposites and Applications, (MOPNA) workshop, Budapest, 19-21 September 2011, 2011
Zs. Baji, Z. Labadi, Gy. Molnar, A. L. Toth, K. Vad, I. Barsony: Properties of CIGS films deposited by flash evaporation and postselenization,, Poster B P3 26, presented at EMRS-2012 Spring meeting, Strasbourg, France, 14-18 May, 2012, 2012
Zs. Baji, J. Volk, A.L.Toth, Z. Labadi, M.Fried, I. Barsony:: Ellipsometry characterization of porous Silicon coated by ALD ZnO,, Oral presentation W XI 14, presented at EMRS-2012 Spring meeting, Strasbourg, France, 14-18 May, 2012, 2012
Zs. Baji, Z. Lábadi, M. Fried, Zs. Horváth, B. Pécz, I. Bársony:: Growth and characterization of epitaxial ALD ZnO layers, Poster Q P1 39, presented at EMRS-2012 Spring meeting, Strasbourg, France, 14-18 May, 2012, 2012
Á. Németh, Z. Lábadi, L. Tóth, I. Bársony: Oscillations and power dependent hysteresis in reactive ZnO plasma, Vacuum, 2009
Á. Németh, Z. Lábadi, B. Gergely, I. Bársony: Oscillation and hysteresis in the reactive plasma during ZnO deposition, 6-th Solid State Surfaces and Interfaces Confernce, November 24 – 27, 2008 Smolenice Castle, Slovakia, 2008
A. Csik, M. Serényi, Z. Erdélyi, A. Nemcsics, C. Cserhati, G.A. Langer, D.L. Beke, C. Frigeri, A. Simon: Investigation of thermal stability of hydrogenated amorphous Si/Ge multilayers, Vacuum, 2009
A. Simon, A. Sulyok, M. Novák, G. Juhász, T. Lohner, M. Fried, A. Barna, R. Huszank, M. Menyhárd: Investigation of an ion-milled Si/Cr multilayer using micro-RBS, ellipsometry and AES depth pro.ling techniques, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2009
Németh Ágoston: ZnO vékonyrétegek vizsgálata, BME VIK, MTA MFA, 2009
C. Major, Á. Németh, G.Radnoczi, Z. Czigany, M. Fried, Z. Labadi, I. Barsony: Optical and electrical chracterisation of aluminium doped ZnO layers, Applied Surface Science, 2009
B. Szentpali, Á. Németh, Z. Labadi, Gy. Kovacs: The low-frequency noise in Al doped ZnO films, Proceedings of the 20th International Conference on Noise and Fluctuations ICMF 2009, Pisa, IT, 14-19 June, 2009, 2009
A. Buzas, Z. Geretovszky, A. Nemeth, Z. Labadi, G. Juhasz, C. Major, I. Barsony: Selective laser cutting of ZnO:Al contact layers, Proceedings of the 24th European PV Solar Energy Conference, Hamburg GE, 21-25 Septembre, 2009, 2009
Z. Labadi, A. Nemeth, G. Molnar, M. Fried, I. Barsony: Atomic Layer Deposition and characterisation of ZnO thin films for CIGS solar cell buffer layer, E-MRS Spring Meeting, Strasbourg, France, 7-11 June, 2010, 2010
Z. Labadi, A. Nemeth, A. Buzas, Z. Geretovszky, C. Major, C. Ducso, I. Barsony: Adaptation of ZnO TCO process to thin film PV applications, 25th European PV Solar Energy Conference, Valencia, Spain, 6-10 Septembre, 2010
J. Toth, J. Pazman, A. Nemeth, A. Csik, Z. Labadi, L. Köver, I. Cserny, D. Varga, Z. Gacsi: XAES studies of thin Zno(Al) layers anbd SiC particles, JVC 13 Conference, Strbske Pleso, Slowakia, 20-24 June, 2010
A. Simon, R. Huszank, M. Novak, Z. Pintye: Investigation of hydrogen depletion of organic materials upon ion-beam irradiation by simultaneous micro-RBS and micro-ERDA technics, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B., 2010
Á. Németh, Z. Lábadi, L. Tóth, I. Bársony: Oscillations and power dependent hysteresis in reactive ZnO plasma, Vacuum, 2009
A. Simon, R. Huszank, M. Novak, Z. Pintye: Investigation of hydrogen depletion of organic materials upon ion-beam irradiation by simultaneous micro-RBS and micro-ERDA technics, 19th International Conference on ion-beam analysis, Cambridge, UK, 7-11, Septembre, 2009
A. Csík, G.A. Langer, L. Péter, K. Vad: Ipari felületi rétegek vizsgálata Szekunder Semleges Részecske Tömegspektrométerrel, ELFT Őszi Iskola, Gyöngyöstarján, Szeptember 30., 2009
Z. Labadi, A. Nemeth, I. Barsony: Napelemtechnológiai Innovációs Centrum az MTA MFA-ban, ELFT Anyagtudományi Őszi Iskola, Gyöngyöstarján, Szeptember 30., 2009
Z. Labadi, A. Nemeth: Napelemtechnológiai kutatás-fejlesztés az MTA MFA-ban, ELFT és Hungarian Vacuum Society szeminárium, Budapest, December 8., 2009
K. Vad: Pillantás a jövőbe: a napenergia társadalma, A Magyar Tudomány Ünnepe, Debrecen,November 5., 2009
A. Csík, K. Vad, G.A. Langer: Application of Secondary Neutral Mass Spectrometry for quantitative elemental and depth profile analysis, Ukrainian-Hungarian Workshop, Uzhgorod, Ukraine, November 3,, 2009




 

Events of the project

  
2010-06-28 12:28:50
Résztvevők változása



Back »