Témavezető: Dr. Bársony István Dr. Lábadi Zoltán

Z N O VÉKONYRÉTEGEK VIZSGÁLATA

PhD tézisfüzet

N ^ÉMETH Á ^GOSTON

Témavezető: Dr. Bársony István Dr. Lábadi Zoltán

MTA

Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Budapest

2009

Kutatásaim motivációja és céljai

A Föld erőforrásainak fokozódó és felelőtlen felélése miatt egyre égetőbb fontosságú olyan technológiák és módszerek kidolgozása, amik a természettel harmóniában és fenntartható módon szolgálják ki az emberiség folyamatosan növekvő energiaigényét. Egyik legígéretesebb ilyen megoldásnak a napelemek tűnnek. A fotoelektromos jelenség Alexandre Edmond Becquerel általi 1839-es első megfigyelésétől és Albert Einstein 1904-es, Nobel díjat érő fizikai magyarázatától kezdve a napelemek technológiai fejlődése töretlen. Az elmúlt évtizedekben a kutatások eredményei nemcsak a tömegtermelésben jelentek meg, de egymással versengő, újabb és újabb megoldások megjelenését is eredményezték a rohamosan táguló piacon. Az ezredforduló környékén piacra kerülő technológiákban nemcsak a korábbi napelemekben alkalmazott tömbi szerkezetet váltotta fel a sokkal kevesebb nyersanyagot igénylő vékonyréteg technológia, de a szilícium maga is igazi vetélytársakra lelt. Az így létjogosultságot nyerő Cu(In,Ga)Se2 vegyület félvezető alapú CIGS napelemek kutatása hatalmas lehetőségekkel kecsegtet. Rétegszerkezetének minden eleme részletesebb megértésre és további kutatásra vár.

Egyik ilyen kritikus réteg az előoldali átlátszó kontaktusréteg az adalékolt ZnO.

Széles körben elterjedt nézet, hogy a jó vezetőképesség és az átlátszóság két egymásnak ellentmondó kritérium. Köszönhető ez annak a ténynek, hogy vezető anyagokként a folytonos sávszerkezetű fémeket tarjuk leginkább számon, míg a fény látható tartományában (400 nm- 750 nm) az átlátszósághoz legalább 3,3 eV tiltott sávszélességre van szükség és ilyen széles tiltott sávú anyag vezetővé adalékolása rendkívül nehéz feladat. Az átlátszó vezető oxidok (Transparent Conductive Oxide, TCO) ebből a szempontból kivételt képeznek.

Az átlátszó vezető oxidok, köztük a számomra igazán érdekes adalékolt ZnO, olyan általában vékonyréteg formában alkalmazott anyagok, melyek fajlagos ellenállása praktikusan 10^-3 Ωcm alatt és átlátszóságuk a látható hullámhossz-tartományában 85% fölött van.

Munkám célja az volt, hogy a más kutatócsoportok által publikált elektromos és optikai paramétereket elérő Al-mal adalékolt ZnO TCO rétegeket hozzak létre nagy felületen, a széles körben elterjedt gyakorlattal ellentétben, plazma emisszió monitorozásról visszacsatolt szabályozókör és a hordozó fűtése nélkül.

2001-ben a világ trendjeit kihasználva a Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet, korábbi spinoff cégével együttműködésben egy nagyszabású vállalkozásba kezdett GIGS napelemek és kísérleti berendezéseik fejlesztése céljával. Ebbe a munkába

kapcsolódtam be, kísérleteimet és fejlesztéseimet az időközben felépült porlasztó berendezésben végeztem.

A kísérletekhez tartozó előkísérletek és mérések két újabb tudományos eredmény megszületéséhez vezettek egyrészt a ZnO anyag gázszenzor célú alkalmazásának területén, másrészt egy újszerű in situ adalékolási módszer formájában.

Tudományos eredményeimet az alábbi tézispontokban foglaltam össze:

Tudományos eredményeim

1. A nemzetközi irodalomban dokumentált gyakorlattal szemben megmutattam, hogy lehetséges 10^-4 Ωcm 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]

Tézispontjaim alapját képező közleményeim

Referált folyóiratcikkek:

[S1.1] 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)

[S1.2] 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)

[S1.3] Á. Németh, Cs. Major, M. Fried, Z. Lábadi, I. Bársony: Characterisation of transparent conductive ZnO layers by spectroscopic ellipsometry, Thin Solid Films 516 (2008) 7016- 7020 (impakt faktor: 1,693)

[S1.4] Á. Németh, Z. Lábadi, L. Tóth, I. Bársony: Oscillation in the reactive plasma during Al doped ZnO deposition, Submitted to Thin Solid Films (impakt faktor: 1,693)

[S1.5] Á. Németh, Z. Lábadi, L. Tóth, I. Bársony: Oscillations and Power dependent hysteresis in reactive ZnO plasma, Accepted for publication in Vacuum (impakt faktor: 0,881)

Nem referált közlemények:

[S1.6] 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

[S1.7] 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

[S1.8] 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

További közleményeim

[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 (angol nyelven: [S2.9])

[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 (magyar nyelven: [S2.8])