Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

Napelemtechnológiai Innovációs Centrum az MTA MFA-ban

Németh Ágoston1, Lábadi Zoltán1, Rakovics Vilmos1, Bársony István1, Krafcsik István2

1 MTA MFA, 1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út 29-33
2 EnergoSolar Rt., 1053 Budapest, Szép u. 2., www.energosolar.com


1. Bevezetés

Napjainkban a környezetkímélő energiaforrások piacán, ezen belül a napelemek terén hatalmas fellendülés zajlik. Ezt részben politikai tényezők (a globális felmelegedés miatt növekvő aggodalom, a riói és kyotói egyezmények) motiválják, részben pedig a rohamos műszaki fejlődés hajtja. Az elmúlt évtized folyamán a fotovoltaikus cellák és modulok gyártási üteme évi 35%-kal növekedett, és 2004-ben már meghaladta az 1GW éves teljesítményt. Ennek legnagyobb része kristályos szilícium (c-Si) alapú technológiákkal készült termék volt.

A kristályos, illetve polikristályos szilícium alapanyag-ellátás azonban egyre inkább meghatározó szűk keresztmetszetévé válik ennek az iparágnak. Habár a szilícium a földkéreg egyik leggyakoribb eleme, a félvezető minőségű kristályos szilícium előállítása költséges és energiaigényes folyamat. Mértékadó becslések szerint emiatt a következő évtizedben a c-Si alapú napelemgyártás kb. 3-4GW/év termelési értéknél telítődni fog [1-3].

Ez a körülmény fokozottan előtérbe helyezi a nem szilícium alapú vékonyréteg napelemek fejlesztését. Az alternatívák között a legfontosabb a réz-indium-diszelenid alapú vékonyréteg napelem (CIS). A CIS potenciális alapanyagként már a nyolcvanas években felmerült, napjainkban azonban kutatása és fejlesztése világszerte nagy lendületet kapott. A CuInGaSe2 (CIGS) számos előnyös tulajdonsággal bír fotovoltaikus alkalmazás szempontjából:

  • stabil kalkopirit szerkezetű anyag,

  • Cu-szegény növesztési körülmények között könnyen kialakítható benne a p-típusú vezetőképesség, és

  • igen jó hatásfokú cellák készíthetők belőle (a laboratóriumi rekord jelenleg 19% , ipari méretekben pedig 11%).


  • napelemek fejlődése
    1. ábra. Különböző típusú napelemek hatásfokának fejlődése a naptári évek szerint (forrás: NREL honlap)


    A c-Si alapú modulok jellemzően 12,7-13,5% hatásfokához viszonyítva ez ígéretes érték, és a laboratóriumi eredmények alapján még további jelentős javulás várható. Az 1. ábra az amerikai Nemzeti Megújuló Energiaforrás Laboratórium (NREL) adatai alapján foglalja össze a különböző típusú napelemek kutatása során elért hatásfokjavulás időbeli trendjét.

    A műszaki-tudományos lehetőségek szempontjából sokat ígérő kutatás-fejlesztési témakör legnagyobb magyarországi K+F projektje 2001-ben kezdődött el. A projekt célja egy olyan integrált vákuumtechnikai rétegleválasztó berendezés megépítése volt, amely alkalmas a CIGS napelem rétegszerkezet kialakítására, a komplex technológia fejlesztésére és a szakemberek képzésére, betanítására. A projektet Nemzeti Kutatás-Fejlesztési Program keretében a Széchenyi-terv, majd az NKTH finanszírozta. A konzorciumi keretek között indított projektben kezdeményező szerepe volt a magyarországi vákuumtechnikai ipar egyik fontos vállalatának, a Kraft Rt-nek, akik gazdasági okokból kénytelenek voltak a konzorcium vezetését 3 éve átadni az MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézetnek. A konzorcium másik ipari vállalkozása a Villamos Hajtások és Járműelektronikai Kft., további kutató tagjai az MTA ATOMKI Debrecen, Szegedi Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszéke és a BME Elektronikus Eszközök Tanszéke voltak.


    2. Az integrált vákuumrendszer felépítése

    A 2007 nyarán zárult NKFP projekt keretében az MTA MFA-ban egy olyan integrált vákuumtechnikai rétegleválasztó berendezés épült meg, amely alkalmas 30x30 cm2-es üveg szubsztrát felületén CIGS napelem rétegszerkezet kialakítására. A rendszert az EnergoSolar Rt. tervezte és építette fel. A berendezés elvi elrendezési vázlatát a 2. ábrán, a leválasztani kívánt rétegszerkezet elvi keresztmetszeti rajzát pedig a 3. ábrán láthatjuk.


    vákuumrendszer
    2. ábra. Az integrált vákuumrendszer elvi vázlata.


    napelem struktúra
    3. ábra. A CuInGaSe2 napelem struktúra keresztmetszete.


    A napelem-szerkezet létrehozásához a CIGS félvezető réteget két kontaktus réteg között (esetünkben Mo hátlapkontaktus és ZnO ablak-rétegek közé ágyazva) kell az üveg hordozó felületén leválasztani. Ehhez négy fő technológiai modulból álló integrált rendszer épült meg az alábbiak szerint:

  • A kontaktusrétegek leválasztása porlasztással, míg a CIGS réteg leválasztása párologtatással történik. Ennek megfelelően a két fő rétegleválasztó egység a rendszerben a porlasztó- illetve a párologtató kamra.

  • Az üveg-szubsztrát felületére leválasztott rétegekből laterálisan szegmentált, sorbakötött cellákat kell kialakítani a megfelelő kapocsfeszültségű napelemmodul létrehozása céljából, ezért valamennyi leválasztott rétegben vágatokat kell kialakítani a 4. ábrának megfelelően. A rétegszeparációhoz a vágások lézernyaláb segítségével történnek, ennek megvalósítására szolgál a 2. ábrán látható lézervágó kamra.

  • A negyedik technológiai egység a kamrarendszer középpontjában elhelyezkedő zsilipkamra. Ez a modul x-y irányú transzport-mechanika segítségével biztosítja a minta (az üveg-hordozó) továbbítást a kamrák között.



  • lézeres vágatok
    4. ábra. Lézeres vágatok a rétegekben a cellák sorba kötéséhez.


    A nagyméretű nagyvákuum-kamrák mindegyike 10-6 mbar végnyomásra szívható le olajdiffúziós szivattyúk segítségével. Az egyes kamrákat pneumatikus tolózárak szakaszolják. A szelepek, tolózárak valamint a transzport mechanika vezérlését egy dedikált, a rendszer számára kifejlesztett számítógépes szoftver végzi.

    A porlasztó kamrában az átlátszó vezető kontaktus-réteg (a ZnO ablakréteg) leválasztására az ún. reaktív porlasztásos technológiát alkalmazzuk. A porlasztott target fém alumínium-cink ötvözet, a leválasztás pedig argon-oxigén plazma segítségével történik. Az alumínium n-típusú adalékként épül be a ZnO-ba, ami a kontaktus-réteg vezetőképességét biztosítja.

    A rendszer egyik legösszetettebb és legkritikusabb része a párologató modulba épített grafit elosztócsöves vonalforrások képezik. Ezek a források egyenként négy, megfelelően méretezett geometria szerint elhelyezett pontforrásból párologtatják az anyagot. A leválasztás az ún. együttpárologtatás módszerével történik. Az egyes vonalforrások a négy elemi összetevő valamelyikét (Cu, In,. Ga, Se) párologtatják, majd a végleges kristályszerkezet illetve morfológia kialakítása - megfelelően megválasztott hőkezelési programmal - a hűtő-előfűtő kamrában történik (ld. 2. ábra). Az 5. ábra a vákuumkamra-rendszer fényképét mutatja be.


    vákuumrendszer
    5. ábra. Az integrált vákuumrendszer, előtérben a lézervágó kamrával.


    3. Anyagtudományi problémák a CuInGaSe2 anyagrendszerben [4]

    A direkt tilos sávú kalkopirit félvezetőknek a látható spektrumban tapasztalt erős elnyelése lehetővé teszi vékonyréteg abszorbereken alapuló napelem cellák készítését. Ez azonban azt is jelenti, hogy a beeső napfény a felülethez közel nyelődik el. Még ha sikerülne is tehát az adalékolásra jól ellenőrzött, reprodukálható módszert találni, a p-n átmenet és a felület között keletkező töltéshordozók jelentős része elveszne a felületi rekombináció miatt. Ezt a problémát az ablakréteg (az átlátszó vezető ZnO réteg) és az abszorber félvezető réteg közötti heteroátmenet koncepciójával lehet feloldani. A széles tilos sávú ablakréteg miatt az abszorpció a felületről így ugyanis a belső heteroátmenetre tolódik el. A rekombináció csökkentésének leghatékonyabb módja az, ha az elektronok és lyukak sűrűségét az átmenetnél minimumra csökkentjük, amihez megfelelő sávél-illesztés szükséges. Ez adalékolással valósítható meg.


    elektronikus sávszerkezet
    6. ábra. A CIGS napelem szerkezet sávszerkezeti képe [4].


    A szerkezetnek tehát egy n+-ablakréteg/p-abszorber heteroátmenetet kell tartalmaznia a 6. ábra szerint. A sávszerkezetben a Fermi-nívónak az átmenetnél a vezetési sáv éléhez közel kell lennie. Ahol a Fermi-nívó a tilos sáv közepét metszi, annak a helynek az abszorberben kell lennie az átmenethez közel. A felületi töltésnek pedig ahhoz, hogy segítse a megfelelő sávkép kialakulását, pozitívnak kell lennie.

    Az optimális tulajdonságú CIGS réteg leválasztása a továbbiakban a következő öt fő anyagtudományi probléma vizsgálatát teszi szükségessé:

  • A Cu hiányos növesztés feltételei mellett az anyagban kialakuló sekély akceptor-nívók tanulmányozása, amelyek a réteg p típusú adalékolását teszik lehetővé

  • Az In/Ga arány segítségével optimalizálható sávszélesség, illetve a réteg keresztmetszetében változó sávszélesség kialakítása

  • A szemcseméret eloszlás hatásának vizsgálata a réteg tulajdonságaira

  • Nátrium hordozóüvegből történő diffúziójának hatása

  • Vákuumtechnológiával kompatibilis ún. pufferréteg leválasztása a CIGS réteg és a transzparens kontaktusréteg közé (6. ábra)


  • A Napelemtechnológiai Innovációs Centrumban folytatott eddigi kísérletek eredményei a következőkben foglalhatók össze [5-14]:

  • a porlasztó modulban végzett kísérletekkel optimalizáltuk a Mo kontaktusréteg és a ZnO:Al ablakréteg optimális leválasztási technológiáját és megvizsgáltuk a reprodukálhatóság feltételeit. A reaktív porlasztással előállított réteg ellenállása 1,7×10-4 Ωcm, ami megfelel az irodalomban közölt legjobb adatoknak.

  • A technológiai tapasztalatokat értékelve megállapítható, hogy az ablakrétegnek optimális ZnO összetételtől való eltérés a fémes- ill. a kerámia-szerkezet irányába egyaránt nyomon követhető a spektroszkópiai ellipszometria módszerével. Ez a módszer tehát egy hatékony in-line méréstechnika integrálását teszi lehetővé a rendszerbe

  • A lézervágó modulban folytatott kísérletekkel a Szegedi Tudományegyetem kutatóival kidolgoztuk a szelektív vágás technológiáját mind a ZnO mind pedig a Mo kontaktusrétegre.



  • elektronikus sávszerkezet
    7. ábra. Párologtatott CIGS rétegek vastagságeloszlásának függése a pontforrások egymáshoz viszonyított elhelyezésétől.


  • Kidolgoztunk egy nedves-kémiai leválasztási technológiát a CIGS és a ZnO rétegek közötti CdS pufferréteg előállítására (6. ábra)

  • A három iker-vonalforrásból (Cu-Se, In-Se, Ga-Se) egyidejű párologtatással előállított félvezető réteg vastagságeloszlásának modellezését egyedi forrásokból végzett kísérleti párologtatások alapján dolgoztuk ki. Ez a modell szolgált a párologtató kamra vonalforrásai méretezésének alapjául. A fenti ábrán egy jellemző eredményt mutatunk be.


  • A Napelemtechnológiai Innovációs Centrum számára alapvető fontosságú méréstechnikai háttertet az MTA MFA, valamint a konzorciumban részt vett akadémiai és egyetemi kutatóhelyek biztosítják. A komplex minősítési metodika a következő vizsgálatokat foglalja magában:

    1. Morfológiai vizsgálat pásztázó elektronmikroszkóppal SEM - FESEM (MFA)
    2. Elemösszetétel vizsgálat Elektron Diszperzív Spektrum (EDS) alapján (MFA)
    3. Elemösszetétel és fázisvizsgálat Röntgendiffrakció alapján (MFA)
    4. Fotolumineszcencia vizsgálat (MFA)
    5. Ellipszometriás rétegvastagság és összetétel-vizsgálat (MFA)
    6. Elektronspektroszkópia (XPS) és szekunder ion tömegspektroszkópia (SIMS) (ATOMKI)
    7. Felületi potenciálmérés (Kelvin módszerrel), napelemek üresjárási feszültségének feltérképezése (BME)


    4. Összefoglalás

    Cikkünkben bemutattuk a Napelemtechnológiai Innovációs Centrumot, amely egy konzorciumi projekt keretében az MTA MFA-ban épült meg. Ez a Magyarországon egyedülálló kutatás-feljesztési berendezésegyüttes polikristályos CIGS napelemtechnológia fejlesztésére alkalmas zárt ciklusú, kíséreti vékonyréteg leválasztó rendszer lézeres laterális strukturáló modullal, amely in-line mérési opciókkal kiegészítve alkalmas

  • technológia kutatási-fejlesztési célra;

  • oktatásra, szakemberképzésre, betanításra;

  • az ipari partner marketing tevékenységének támogatására.

  • csaknem 12%-os hatásfokú (300x300 mm2) panelek kissorozatú gyártására.


  • A projekt eddigi eredményeit a http://www.mfa.kfki.hu/Napelem-CIS/ honlap mutatja be.


    5. Köszönetnyilvánítás

    A szerzők köszönetüket fejezik ki a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatalnak a 3/025/2001 számú projekt finanszírozásáért, a cikkben felsorolt összes konzorciumi partnernek részvételükért, valamint az Energosolar Rt.-nek a berendezés tervezéséért és megépítéséért.


    6. Irodalom

    1. Dhere, N.G., Toward GW/year of CIGS production within the next decade, Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) 1376-1382
    2. Thin Film Solar Cells, Fabrication, Characterization and Applications, ed. J. Poortmans and V. Arkhipov, Wiley Series in Materials for Electronic & Optoelectronic Applications, John Wiley & Sons, 2006
    3. Dhere, N.G., Present status and future prospects of CIGS thin film solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 90 (2006) 2181-2190
    4. Rau, U. Schock, H.W. Electronic properties of Cu(In,Ga)Se2 heterojunction solar cells - recent achievements, current understanding, and future challenges, Appl. Phys. A 69, (1999) 131?147
    5. E. Horváth, A. Németh, A.A. Koós, A. L. Tóth, L.P. Biró, J. Gyulai: Focused Ion Beam based sputtering yield measurements on ZnO and Mo thin films, Superlattices and Microstructures, In Press, Available online 8 June 2007
    6. Á. Németh, Cs. Major, M. Fried, Z. Lábadi, I. Bársony: Characterisation of transparent conductive ZnO layers by spectroscopic ellipsometry, Submitted to Thin Solid Films
    7. A. Buzás and Zs. Geretovszky: Patterning ZnO layers with frequency doubled and quadrupled Nd:YAG laser for PV application,, Thin Solid Films, In Press, Corrected proof available online 16 April 2007 (doi:10.1016/j.tsf.2007.04.026)
    8. Á. Németh, E. Horváth, Z. Lábadi, L. Fedák, I. Bársony: Single step deposition of different morphology ZnO gas sensing films, Sensors and Actuators B, accepted for publication
    9. Rakovics V: Chemical bath deposition of CdS and CdPbS nanocrystalline thin films and investigation of their photoconductivity, 2005 MRS Fall Meeting, November 27- December 2, Boston, Symposium O, MRS Symposium Procidings. 900, 87-91
    10. V. Rakovics, Zs. J. Horváth, Z. E. Horváth, I. Bársony, C. Frigeri, T. Besagni: Investigation of CdS/InP heterojunction prepared by chemical bath deposition, 8th Expert Evaluation and Control of Compound Semiconductor Materials and Technologies, EXMATEC'06, May 14-17, 2006 Cádiz, Spain, Physica Status Solidi C 4, (4) 1490-1494 (2007)
    11. V. Rakovics, Zs. J. Horváth, K. T. Eppich, B. P?dör: Electrical and photoelectrical behaviour of nanocrystalline CdS/InP heterojunction p-n diodes, XXXV Int. School on the Physics of Semiconducting Compounds, Jaszowiec 2006, June 17-23, Jaszowiec, Poland, Abstract Booklet , p.44
    12. Zs. J. Horváth, V. Rakovics, Z. E. Horváth: Electrical properties of nanocrystalline CdS/InP heterojunction p-n diodes prepared by chemical bath deposition, Int. Workshop on Nanostructured Materials, NANOMAT 2006, June 21-23, 2006, Antalya, Turkey, Book of Abstracts p.69.
    13. V. Rakovics, Zs. J. Horváth, B. Pődör: Electrical and optical behaviour of nanocrystalline CdS/InP heterojunction p-n diodes, 6th Int. Conf. Advanced Semiconductor Devices and Microsystems, ASDAM`06, Oct.16-18, 2006, Smolenice, Slovakia, Proc. p.155
    14. Á. Németh, V.Rakovics, E. B. Kuthi, Z. Lábadi, Á. Nemcsics, S. Püspöki, A.L. Tóth, I. Bársony: Study the properties of sulphide buffer layers as a function of deposition parameters and annealing; Procidings of 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, 4-8 September 2006, Dresden, Germany, 1986-1989


    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető: dr. LÁBADI Zoltán, Tel.:392-2222-3528, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:13, E-mail:labadi@mfa.kfki.hu, GEarth:MTA_MFA_(KFKI_26).kmz

    Utolsó frissítés: Wed, 07 May 2008 17:06:40 GMT, Számláló: