اندازه گیری خواص الکتریکی لایه های نازک

اندازه گیری خواص الکتریکی لایه های نازک

لایه های نازک کاربردهای بیشماری دارند، لایه های سخت و ضد سایش نظیر TiN به دلیل خواص مکانیکی خوبی که دارند مورد استفاده قرار می گیرند، لایه های ضد بازتاب MgF2، لایه های فلزی بازتابنده نور، فیلتر های نوری تداخلی و لایه های cermet جاذب نور خورشید به دلیل خواص اپتیکی مورد توجه هستند، لایه هایی مثل Cr یا حتی گرافن برای ممانعت از اکسید شدن سطح کاربرد هایی پیدا کرده اند، و البته شاید بزرگ ترین کاربرد لایه های نازک استفاده آنها در افزاره های الکترونیکی و اپتو الکترونیکی است. نمایشگر های LCD و LED از شیشه هایی استفاده می کنند حاوی لایه ای از ماده اکسیدی شفاف رسانا (ITO) که به عنوان الکترود روبرو استفاده می شود. در دیود های نورتاب (LED)، چند لایه ای هایی از مواد نیم رسانا نظیر InGaN وظیفه تبدیل انرژی الکترون ها به فوتون را به عهده دارند. در سلول های خورشیدی لایه های نیم رسانا نظیر CIGS یا مواد پروسکایتی جدید CH3NH3PbI3 نور را جذب می کنند و باعث انباشتگی الکترون ها و حفره ها در دو تراز انرژی متفاوت می شوند و این باعث تولید ولتاژ می شود. در پوشش های ضد الکترواستاتیک لایه های خیلی نازکی از مواد نیم رسانا باعث تخلیه بارهای روی سطح می شوند.

در پژوهش های دانشگاهی و صنعتی در حوزه لایه های نازک، آنالیز های متداول لایه ها شامل مورفولوژی (SEM)، فازهای کریستالی (XRD/Raman) یا خواص نوری (UV-Vis-FTIR) است. آنچه اغلب فراموش می شود (به خصوص در کشور ما) اندازه گیری خواص الکتریکی لایه هاست. منظور از خواص الکتریکی، مقاومت سطحی (Sheet Resistance) یا مقاومت ویژه، n یا p بودن نیم رسانا، چگالی حامل ها (الکترون ها یا حفره های آزاد) و موبیلیته حامل هاست. این ویژگی ها به طور مستقیم روشن می کنند که لایه ساخته شده در آزمایشگاه برای کاربرد مورد نظر، مثلا سلول خورشیدی یا LED یا لایه شفاف رسانا مناسب است یا نه. اغلب این اندازه گیری ها به طور هم زمان در یک چیدمان اثر هال اندازه گیری می شود. از چهار راس یک نمونه کوچک مربعی چهار اتصال گرفته می شود (Van der Pauw setup) و با عبور جریان از دو اتصال و اندازه گیری ولتاژ دو اتصال دیگر پارامترها محاسبه می شوند. اگر میدان مغناطیسی وجود نداشته باشد، صرفا می توان مقاومت سطحی را اندازه گرفت (۴- Point Probe). بیشتر اطلاعات زمانی بدست می آید که میدان مغناطیسی هم حضور داشته باشد.

hall

در حضور میدان مغناطیسی از مرتبه چند دهم تسلا، حامل های اکثریت در لایه نیم رسانا در حین عبور جریان منحرف می شوند و تولید ولتاژ بسیار ضعیفی به نام ولتاژ هال می کنند. مقدار و علامت این ولتاژ تعیین کننده بسیاری از پارامترهای الکتریکی ماده است. اندازه گیری ولتاژ هال نیاز مند تکنیک های الکترونیکی خاصی است تا بتوان سیگنال را از نویز و بایاس های مزاحم جدا کرد. اندازه گیری اثر هال برای لایه های با مقاومت کم (فلزها، اکسیدهای شفاف، مواد نیمه رسانا با دوپینگ بالا، نیمه رساناهای دمای بالا، نیمه رساناهای مغناطیسی رقیق) ساده تر است. برای این مواد می توان از یک چیدمان DC استفاده کرد که میدان مغناطیسی ثابتی به ماده اعمال می شود. اغلب دستگاه های اندازه گیری هال DC هستند.

اشکال اندازه گیری DC مشکلات نویز و offset است. ولتاژ هال با میدان مغناطیسی(B) ، جریان (I) و ضریب هال (RH) متناسب است و بطور معکوس به ضخامت وابسته (t) است. اگر اتصال ها کاملا متقارن باشند، ولتاژ هال اندازه گیری شده با خاموش کردن میدان مغناطیسی صفر می شود. ولی در عمل، ولتاژ اندازه گیری شده (Vm) شامل یک اختلاف ولتاژ (V0, misalignment voltage) و یک ولتاژ ترموالکتریکی(VTE, thermal electric voltage) می باشد. حذف این اثرات مزاحم در چیدمان DC مشکل است. محدودیت دستگاه های DC اخیرا خود را خیلی بیشتر نشان داده است: گستره وسیعی از مواد نیم رسانای جدید معرفی شده اند که مقاومت خیلی زیادی دارند و عملا با روش DC نمی توان آنها را بررسی کرد.

این مواد جدید شامل مواد نیم رسانای آلی (پلیمر ها یا مولکول های کوچک)، نانوساختار ها یا میکروساختارها، لایه های اکسیدی رسانای حفره یا الکترون (مثلا TiO2 یا NiO)، مواد پروسکایتی جدید (مثلا CH3NH3PbI3)، سیلیکون آمورف و میکرو کریستالی، CIGS، GaAs و بسیاری دیگر از نیم رساناهایی است که اخیرا در کاربردهای مختلف به خصوص سلول های خورشیدی استفاده می شوند. برای این مواد نه تنها ولتاژ offset قابل ملاحظه است، بلکه نویز های مربوط به مقاومت زیاد لایه و نویز اتصالات غیر اهمی هم مهم است.

در فناوری AC (که شریف سولار نیز در دستگاه خود بکار برده است HSR-24AC) تغییرات میدان مغناطیسی این امکان را ایجاد می کند که بتوان سیگنالی که صرفا ناشی از میدان مغناطیسی است (ولتاژ هال) را از میان مجموعه ای از ولتاژ های offset، نویز و ترموالکتریک استخراج و اندازه گیری کرد. آنچه به اجمال صورت می گیرد تکنیک های Lock-in است که با دانستن فرکانس و فاز تغییرات میدان مغناطیسی فیلتر هایی ایجاد می شود که عوامل غیر مرتبط با میدان را حذف کند. روش AC البته در طراحی دارای چالش های زیادی است. یکی از این چالش ها القاء مغناطیسی و جریان های ادی (Eddy current) است که به دلیل میدان مغناطیسی متغیر ممکن است ایجاد شوند. جریان های ادی، نویز قابل ملاحظه ای ایجاد می کنند. به علاوه تغییر میدان های مغناطیسی از مرتبه چند دهم تسلا ساده نیست. کویل های مغناطیسی به شدت در مقابل تغییر در جریان مقاومت می کنند. این مشکلات به هر صورت قابل حل هستند و با حل آنها امکان اندازه گیری خواص الکتریکی مواد نیم رسانای جدید که غالب پژوهش های جاری آزمایشگاه های تحقیقاتی را شامل می شود ممکن می کند.

سلول های خورشیدی پروسکایتی

سلول های خورشیدی پروسکایتی

درسال های اخیر شاهد گسترش سریع سلول­ ­های خورشیدی نوظهور، که اغلب نسل سوم نامیده می شوند، بوده­ ایم. سلول ­­های خورشیدی بر پایه پروسکایت­ هالید آلی-معدنی، به این دسته تعلق دارند. بازده سلول ­­های خورشیدی با استفاده از این مواد از %۳/۸ در سال ۲۰۰۹ به بازده تایید شده %۱۶/۲ در پایان سال ۲۰۱۳، %۱۷/۹ در سال ۲۰۱۴ و در حال حاضر، طبق گزارش رسمی NREL به بازده %۲۲/۱ رسیده است که این بازده بسیار نزدیک به بازده سلول های خورشیدی سیلیکونی و CIGS می باشد.

لایه جاذب نور در این نوع سلول­ ­های خورشیدی شامل یک ترکیب با ساختار پروسکایت است که معمول­ترین آن یک هیبرید آلی-معدنی سرب (Methylammonium lead iodide perovskite) می باشد. خصوصیات اپتیکی بسیار خوب از جمله ضریب جذب بالا و گاف انرژی مناسب، باعث شده تا این ترکیبات برای کاربردهای جذب نور (Light harvesting) در زمینه فوتو­ولتائیک بسیار مناسب باشند.

متیل آمونیوم سرب یدید یک ترکیب نیمه ­هادی ambipolar است که می تواند هم الکترون­ها و هم حفره­ ها را به الکترود­های جمع ­کننده مربوطه انتقال دهد. به این دلیل است که سلول ­­های خورشیدی پروسکایتی حتی در عدم حضور لایه انتقال­ دهنده حفره و یا رسانای الکترون (Electron conductor) نیز می توانند عمل کنند. خصوصیات منحصر به فرد پروسکایت سرب یدید، همچنین قیمت پایین و سادگی فرایند پذیری موجب شده تا این ترکیب برای کاربرد در سلول ­های خورشیدی نسل سوم با بازده بالا و ارزان، بسیار مطلوب باشد.

ساختار سلول خورشیدی متخلخل پروسکایتی استاندارد (Standard mesoscopic perovskite solar cell) از شیشه پوشش داده شده با FTO، لایه ای از TiO2 (به عنوان ماده انتقال دهنده الکترون و داربست)، لایه جاذب نور پروسکایت، لایه انتقال دهنده حفره و الکترود پشتی طلا یا نقره تشکیل­ شده است که این الکترود می­ تواند با ترکیبات دیگر همچون کربن جایگزین شود.

PSC3

متداول­ترین ماده ­ای که به عنوان انتقال دهنده حفره در سلول­ های خورشیدی پروسکایتی مورد استفاده قرار می­ گیرد ترکیب پلیمری Spiro-OMeTADمی­ باشد. ویژگی­های مورد توجه این ترکیب از جمله دمای انتقال شیشه­ ای مناسب، حلالیت، پتانسیل یونیزاسیون و شفاف بودن در رنج طیف مرئی باعث شده تا این ترکیب گزینه مناسبی برای این کاربردها باشد. به منظور افزایش تحرک پذیری حفره ­ها می­ توان از ترکیبات افزودنی همچون نمکی از لیتیوم (LiTFSI) و ترت-بوتیل پیریدین به همراه این ترکیب استفاده کرد.

پلی تری آریل آمین (PTAA) نیز به عنوان الکترولیت جامد و انتقال دهنده حفره (HTM) در سلول­ های خورشیدی، بخصوص سلول ­های خورشیدی پروسکایتی بکار می­ رود، این ترکیب قابلیت انحلال در حلال های آلی از جمله کلروبنزن و تولوئن را دارد. امروزه ایده ­های جدید و روش­های متنوعی به منظور ساخت سلول­ های خورشیدی با بازدهی بالا به کار گرفته شده و مورد توجه بسیاری از محققین است. این امر نشان دهنده راه طولانی است که تا رسیدن به سلول ­های کاملا بهینه شده، پیش رو می باشد. کیفیت و خلوص مواد اولیه، روشهای لایه نشانی مناسب، ضخامت لایه­ ها و استفاده از حلال­های بدون آب از جمله مواردی هستند که در بدست آوردن بازده بالا و سایر نتایج مطلوب سلول ­های ساخته شده تاثیر بسزایی دارند.

پیش ماده ­های مورد نیاز برای ساخت پروسکایت عبارتند از سرب یدید (PbI2) متیل آمونیوم یدید (MAI) و دی متیل فرمامید (DMF) که یکی از حلال­ های رایج مورد استفاده در سنتز است. متیل آمونیوم یدید CH3NH3I به عنوان قسمت آلی ترکیبات پروسکایتی مورد استفاده قرار می­ گیرد و همراه با ترکیب سرب یدید در حلال DMF بصورت همزمان یا بصورت مجزا در حلال ایزوپروپانول حل شده و سپس با استفاده از روش لایه ­نشانی چرخشی و یا غوطه­ ور کردن، لایه نشانی می­ شود. با توجه به حساسیت مواد پروسکایت به حضور حتی مقادیر کم آب، گاهی نیاز است که DMF آب گیری شود.

از نظر تئوری، بیشنیه بازده سلول خورشیدی پروسکایتی (MAPbI3) با ضخامت یک میکرون، ۲۶% می باشد که بسیار بالاتر از بازده سلول خورشیدی GaAs با ضخامت مشابه است. این امر نشان دهنده قابلیت بالای تجاری­ سازی این سلول­ها است. سلول ­های خورشیدی پروسکایتی تاکنون عملکرد مناسبی تا ۱۰۰۰ ساعت داشته اند ولی هنوز این نتایج برای تجاری­ سازی سلول­ ها کافی نیست. طول عمر این سلول ­ها باید به بیش از ۲۰ سال برسد. این امر با فهم دقیق مکانیسم عملکرد سلول و عوامل موثر بر آن، فرمولاسیون مناسب جوهرهای پروسکایت جهت لایه نشانی و بهره برداری از شیمی مواد و تکنولوژی­ های جدید به منظور کپسوله کردن سلول ها امکان پذیر خواهد بود. کاهش هزینه مواد و فرایند­های ساخت، چالش مهم دیگری در راه تجاری­ سازی این سلول ­ها است.

آخرین رکوردهای تایید شده بازده سلول های خورشیدی

آخرین رکوردهای تایید شده بازده سلول های خورشیدی

آخرین رکوردهای تایید شده بازده سلول های خورشیدی

آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر (National renewable energy laboratory, NREL) ، موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی (Natinal institute for standard and technology, NIST) و موسسه تحقیقات پیشرفته Fraunhofer، از جمله آزمایشگاه های تحقیقاتی و استاندارد در آمریکا و اروپا هستند که علاوه بر هدایت تحقیقات بر روی تکنولوژی های فوتوولتائیک در سطح جهانی، آزمون های شناخته شده گواهی ISO را انجام می دهند و استانداردهای مختلفی را نیز اعطاء می کنند.

NREL در نموداری رکورد بالاترین بازده های سلول های خورشیدی را ثبت می کند. این نمودار رکوردهای جهانی بازده برای همه ی انواع سلول های خورشیدی را از سال ۱۹۷۶ نمایش می دهد.

این نمودار را می توان به چهار بخش تقسیم کرد که پیشرفت در بازده را برای چهار نوع از تکنولوژیهای فوتوولتائیک نشان می دهد.

– سلول های Multijunction: سلول هایی که نسل اول سلول های خورشیدی نامیده می شوند و در کاربردهای فضایی و Concentrated PV استفاده شده اند. فناوری آنها بر پایه Wafer است (معمولا  GaAs wafers)، از ترکیبات نیم رسانای III-V استفاده می شود که با روش های پیشرفته ای مثل MOCVD لایه نشانی می شوند. بالاترین بازده ثبت شده برای این سلول ها %۴۶ می باشد.

– سلول های سیلیکونی کریستالی: اغلب پنل های خورشیدی متداول امروزی از این نوع هستند که این نوع نیز بر پایه Wafer است و نسل اول نامیده می شود. بالاترین بازده ثبت شده برای این سلول ها %۲۷/۶ می باشد.

– فناوری های لایه نازک: که سلول های خورشیدی نسل دوم نامیده می شوند. سلولهای خورشیدی CIGS با بالاترین بازده ثبت شده %۲۲/۳ و CdTe با بازده %۲۲/۱، در این دسته قرار می گیرند.

– سلول های خورشیدی نوظهور که اغلب نسل سوم نامیده می شوند و شامل سلول های خورشیدی رنگدانه ای با بالاترین بازده %۱۱/۹، سلول های آلی با بازده %۱۱/۵، سلولهای معدنی (CZTSSe) با بازده %۱۲/۶ می باشد. جدیدترین رکورد وارد شده در این نمودار برای سلول های خورشیدی پروسکایتی %۲۲/۱ است که متعلق به گروه تحقیقاتی کره ای (KRICT/UNIST) می باشد (سلول های ساخته شده پایداری کمی دارند).

نقاط روی نمودار رکورد هایی هستند که به صورت بین المللی توسط آزمایشگاه های معتبر، تایید شده اند.

guid4