Excimer PLD erzeugt überlegene Schichten für verbesserte Solarzellen

In ihren Worten

„Die hohe Gleichmäßigkeit der Pulse von Excimer-Lasern von Coherent ist ein entscheidendes Merkmal für ebenmäßige Ablagerung mit gepulsten Lasern über große Flächen.“

—Assoc. Prof. Monica Morales-Masis, Universität Twente, Niederlande

Die Herausforderung

Solarzellen und andere optoelektronische Geräte können alle von der Entwicklung funktioneller Dünnschichtmaterialien mit gerätekompatiblen Abscheidungsverfahren profitieren. Eine große Herausforderung bei mehreren Solarzellentypen ist die Abscheidung der transparenten leitenden Elektrode auf empfindlichen Schichten des Bauelements, beispielsweise den organischen Kontaktschichten in Halogenid-Perowskit-Solarzellen. Dieses Problem wird üblicherweise durch die Verwendung von anorganischen Pufferschichten überwunden. Ein Forschungsteam um Monica Morales-Masis von der Universität Twente hat untersucht, ob die Ablagerung mit gepulsten Lasern (PLD) die Herstellung hochwertiger transparenter Elektroden für pufferfreie semitransparente Perowskit-Solarzellen ermöglichen würde. (Neben der schadensarmen Abscheidung ist PLD auf Waferbasis in Solarzellenanwendungen erforderlich.) Glücklicherweise bot ein 248-nm-KrF-Excimer-Laser von Coherent eine ideale Lösung für reproduzierbare und skalierbare PLD.

Die Lösung

Unter Verwendung eines Excimer-Lasers mit hoher Pulsenergie bei 248 nm zur Durchführung von PLD auf einem 4-Zoll-Wafer demonstrierte die Gruppe erfolgreich die reproduzierbare Abscheidung von transparenten leitfähigen Oxidschichten (TCO) auf Halogenid-Perowskit-Solarzellen. Morales-Masis erklärt: „PLD ist als Technik beispielsweise für komplexe piezoelektrische Materialien bereits gut etabliert. Wir erforschen nun die Technik für Solarzellenmaterialien, für die eine Skalierbarkeit und Abscheidungsraten, die mindestens mit der Sputterabscheidung (üblicherweise in der Praxis verwendet) vergleichbar sind, absolute Anforderungen sind. Die hohe Stabilität des COMPex Lasers – sowohl die Puls-zu-Puls-Energiestabilität als auch die Strahlhomogenität – ist entscheidend für die Gleichmäßigkeit der Folie und die Kontrolle der Schichtdicke.“

Um die TCO-Filme herzustellen, verwendet das Team von Morales-Masis ein PLD-System von Twente Solid State Technology (TSST), bei dem der Excimer-Laserstrahl über ein festes Target hin und her geschwenkt wird und das Material, das auf einem kreisförmigen Substrat aufgebracht werden soll, abgetragen wird Plattform, die sich während der Abscheidung kontinuierlich dreht. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Filmabscheidung über dem Halter, der vier Solarzellensubstrate enthält.

Das Ergebnis

Mit PLD hergestellte Zr-dotierte In2O3 TCO-Filme mit hohem Abscheidungsdruck und Raumtemperatur ermöglichten die Demonstration von semitransparenten Halogenid-Perowskit-Solarzellen mit 15,1 % Stromwandlungseffizienz. Dies wurde an pufferfreien Stapeln demonstriert, was das Potenzial von PLD als Abscheidungstechnik mit „geringem Schaden“ bestätigt [1]. Die Gruppe beginnt nun mit Untersuchungen zur PLD von Halogenid-Perowskiten [2], um einen zusätzlichen PLD-Vorteil zu nutzen: stöchiometrischer Transfer von Mehrkomponentenmaterialien. Die Möglichkeit, diese Halogenid-Perowskit-Filme ohne Lösungsmittel und über große Flächen in Minuten zu erzeugen, ist vielversprechend für die zukünftige Solarzellenproduktion.

[1] Y. Smirnov et al. DOI: https://doi.org/10.1002/admt.202000856
[2] V. Kiyek et al. DOI: https://doi.org/10.1002/admi.202000162

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