The work presented in this thesis focuses on the investigation and improvement of the window stack of layers for thin film CdTe solar cells fabricated in the Center for Renewable Energy Systems Technology (CREST) laboratories. In particular the aim was to change the standard structure including TCO, high resistive transparent (HRT)layer and CdS which is limited by the low transparency of the CdS layer, to a better performing one. The first result chapter of the thesis describes the study of ZnO HRT layers. ZnO thin films were deposited by radio frequency (RF) magnetron sputtering with different structural, optical and electrical properties which were characterized by X-ray diffraction, electron microscopy, spectrophotometry, Hall Effect method and 4-point probe. ZnO films were then incorporated in CdTe solar cells with the structure: FTO/ZnO/CdS/CdTe/Au back contact and the performance of these devices were compared with the film properties to single out trends and identify optimal film characteristics. By varying the deposition pressure of ZnO films, it was possible to increase their transparency and significantly increase their resistivity. While better transparency positively affected the solar cell current density output and efficiency, the resistivity of ZnO films did not show any clear impact on device efficiency. By increasing the deposition temperature the ZnO film grain size was increased. Increased FF was observed in devices incorporating ZnO layers with bigger grains, although this gain was partially counterbalanced by the Voc degradation, leading to a limited efficiency improvement. Finally the addition of oxygen had the main effect of increasing the resistivity of ZnO films, similarly to what happened with the increase of the sputtering pressure. In this case however, an improvement of FF, Jsc and efficiency was observed, especially at an O2/Ar ratio of 1%. By simulating the solar cells behavior with SCAPS-1D, it was found that these performance change can be explained by the variation of interface properties, precisely the amount of interface defects, rather than by bulk properties. The study presented in the second result chapter focuses on magnesium-doped zinc oxide (MZO) and the variation of its energy band structure. MZO was initially used as the HRT layer within a solar cell structure: FTO/MZO/CdS/CdTe/Au back contact. Sputtering MZO films with a target containing MgO 11 weight% and ZnO 89 weight% allowed for and increased band gap from 3.3 eV of intrinsic ZnO to 3.65 eV for MZO deposited at room temperature. Increasing the superstrate deposition temperature allowed for a further band gap increase up to 3.95 eV at 400 °C due mainly to an conduction band minimum upward shift. It was highlighted the importance to create a positive conduction band offset with the MZO layer conduction band slightly above the CdS conduction band, with an optimum found in this case to be 0.3 eV (efficiency 10.6 %). By creating a positive conduction band offset all the performance parameters (Voc, FF, Jsc, efficiency) significantly increased. One of the reasons for this improvement was found to be a diminished interface recombination due to a more ideal MZO/CdS band alignment. In the second part of this investigation the MZO was used as a replacement for the CdS in a simplified structure: FTO/MZO/CdTe/Au back contact. The concepts used to optimise the performance of these devices also involved tuning the conduction band alignment between MZO/CdTe and efficiencies of 12.5 % were achieved with a at conduction band offset. The efficiency increase was achieved mainly thanks to a better transparency of the MZO layer and a higher Jsc output, compared to devices using a CdS buffer layer. The MZO buffers have been tested in combination with different TCOs. Results are presented in the third result chapter and showed that AZO is a good alternative to FTO working effectively in combination with MZO. AZO/MZO efficiency thin film CdTe solar cells (12.6%, compared to 12.5% with FTO). It was found that increasing the IR transparency of the TCOs leads to a potentially higher Jsc. Achieving a better transparency was obtained by using TCOs with high mobility and lower carrier concentration (AZO and ITiO) and also by using a boro-aluminosilicate glass with low iron content. ITiO yielded the best opto-electrical properties among all the TCO materials. Devices incorporating ITiO however, showed lower performance then those using FTO and AZO. ITO/MZO windows also yielded poor performance. In addition, the ITO films deposited had a high carrier concentration leading to a high NIR absorption by plasma resonance and resulted not ideal for application in thin film CdTe PV.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.

In dieser Arbeit wurden Techniken untersucht, die die zur Verfügung stehende Pulsenergie von Hochleistungslasern effektiv nutzen und in einem Schritt eine Vielzahl einzelner periodisch angeordneter Strukturen herstellen. Dazu wird durch optische Strahlformung ein Laserstrahl mit mehreren Intensitätsmaxima hergestellt. Dazu wurden das Direkte Laserinterferenzstrukturieren (DLIP) und die Microlensarray-Strukturierung (MLAS) genutzt. Beide Verfahren bieten die Möglichkeit, großflächig periodische Strukturen in einem einstufigen Verfahren herzustellen. Beim DLIP werden mit einem Laserpuls, aufgrund von Interferenzeffekten mehrere tausend Linien oder Punkte auf bis zu Quadratzentimeter großen Flächen erzeugt. Microlensarrays (MLA) sind optische Elemente mit einer periodischen Linsenanordnung, die mehrere Brennpunkte aus einem einzigen Laserstrahl erzeugen. Durch die Verwendung als Fokussieroptik können einige tausend Laserpunkte mit einem einzigen Puls erzeugt werden. Anhand verschiedener Materialien werden die Möglichkeiten und Grenzen dieser Techniken untersucht und die Qualität der Strukturen im Hinblick auf die geplante Anwendung untersucht. Die für diese Arbeit genutzten Materialien sind ausschließlich nichtmetallische Werkstoffe. Es werden die Keramiken Hydroxylapatit, Aluminium- und Zirkonoxid, die leitfähigen Dünnschichten aluminium- und bordotiertes Zinkoxid und Indiumzinnoxid auf Glassubstrat und der Kunststoff PET untersucht. Hydroxylapatit ist eine Keramik die aufgrund ihrer guten Biokompatibilität in Knochen- und Zahnimplantaten verwendet wird. Eine Oberflächenstrukturierung ermöglicht eine Verbesserung des Zellwachstums. Aluminium- und Zirkonoxid werden ebenfalls in Gelenkimplantaten verwendet jedoch als Gleitfläche. Eine Strukturierung dieser Flächen verringert möglicherweise Reibung und Verschleiß in ähnlicher Weise wie bei Metallen bereits mehrfach gezeigt. Hier werden aufgrund der benötigten Strukturgrößen mit Perioden von mehreren Mikrometern sowohl DLIP als auch MLAS genutzt. Die leitfähigen Schichten und das PET finden vorrangig in optischer Elektronik Anwendung. Diese findet zunehmende Bedeutung in Form von Solarzellen und Lichtemittierenden Dioden. Die periodische Strukturierung des Substrates oder des beschichteten Substrates bringt ein Beugungsgitter in diese Elemente ein. Bestehende Untersuchungen haben bereits einen positiven Effekt von lithografisch hergestellten Beugungsgittern nachgewiesen. In dieser Arbeit wird untersucht, ob DLIP ebenfalls einen positiven Effekt hat.:1 Einleitung 1 2 Stand der Technik 4 2.1 Verfahren zur Herstellung periodischer Strukturen 4 2.1.1 Überblick 4 2.1.2 Laserabtragende Verfahren 5 2.1.3 Photolithografische Verfahren 16 2.2 Ausgewählte Anwendungen von Oberflächenstrukturen 19 2.2.1 Optimierung der Effizienz von organischer Elektronik 19 2.2.2 Veränderung der biologischen Eigenschaften 25 2.2.3 Veränderung der tribologischen Eigenschaften 27 3 Materialien und Methoden 29 3.1 Verwendete Materialien 29 3.1.1 Eigenschaften der verwendeten Keramiken 29 3.1.2 Eigenschaften der verwendeten transparenten leitfähigen Oxide 30 3.1.3 Eigenschaften des verwendeten Polyethylenterephthalat 31 3.1.4 Übersicht zu allen Materialkennwerten 32 3.2 Experimenteller Aufbau 33 3.2.1 Verwendetes Lasersystem 33 3.2.2 Bestimmung der Ablationsschwellfluenzen 33 3.2.3 Klassischer Laserinterferenzstrukturierungsaufbau 35 3.2.4 Strukturierung mittels Microlensarray (MLA) 37 3.2.5 Übersicht der untersuchten Materialien und Methoden 38 3.3 Charakterisierungsmethoden 39 3.3.1 Charakterisierung der Oberflächentopographie 39 3.3.2 Charakterisierung der optischen Eigenschaften 40 3.3.3 Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften 40 3.3.4 Charakterisierung der tribologischen Eigenschaften 41 3.4 Thermische Simulation 41 4 Ergebnisse und Diskussion der Oberflächenstrukturierung 43 4.1 Strukturierung von Keramiken 43 4.1.1 Bestimmung der Ablationsschwellen der Keramiken 43 4.1.2 Direkte Laserinterferenzstrukturierung der Keramiken 46 4.1.3 Microlensarray-Strukturierung der Keramiken 59 4.2 Ergebnisse der Strukturierung der transparenten leitfähigen Oxide 73 4.2.1 Bestimmung der Ablationsschwellen 73 4.2.2 Strukturierung von Aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) 75 4.2.3 Strukturierung von bordotiertem Zinkoxid (ZnO:B) 89 4.2.4 Strukturierung von Indiumzinnoxid (ITO) 100 4.3 Ergebnisse der Strukturierung von PET 106 4.4 Übersicht der ermittelten Parameter 118 5 Entwicklung neuer Strukturierungskonzepte und deren Möglichkeiten 121 5.1 Vergleich der Strukturierung von Keramiken mit MLAS und DLW 121 5.2 Kombination der DLIP Technik mit einem Galvanometer-Scanner 126 5.3 Konzept zur Integration der DLIP Technik in ein Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren 131 5.4 Theoretisch Erreichbare Strukturierungsgeschwindigkeiten der neuen Bearbeitungskonzepte 134 6 Zusammenfassung 136 Literatur 141

No description available.

Fundação de Apoio a Pesquisa e à Inovação Tecnológica do Estado de Sergipe - FAPITEC/SE / In this work, we analyze the structural, optical and electrical properties of thin films of ZnO - doped with aluminum (Al) and chromium (Cr), with concentrations of 3%, grown by non - reactive magnetron sputtering. The samples were grown using glass as substrates. For the production of the capacitors used in the electric characterization an Al layer was grown on the substrate which was used as the lower electrode. The films studied here were obtained by varying the thickness and temperature of the substrate, between ambient temperature and 400 ° C. The films obtained were characterized by X-ray diffraction (XRD), X-ray reflectometry (XRR), optical spectroscopy in the UV-Vis region, and IxV voltage current plotes. The results showed that the films produced have a large preferential orientation with planes (002) of the ZnO wurtzite hexagonal phase perpendicular to the surface of the substrate. By means of the XRR measurements, the experimental thicknesses were obtained as well as the roughness and mass density of the films. From the UV-Vis measurements, it was observed that the films have a high transmittance (above 80%) with a slight reduction with increasing thickness. The measurements of the IxV curves showed that the films have an ohmic behavior with a low resistance and resistivity, therefore possessing compatible properties to be used with conductive oxides and transparent for both dopants. The bandgap values for all films are close to 3.3 eV without significant variation with the parameters used. / Neste trabalho, são apresentadas discussões sobre as propriedades estruturais, óticas e elétricas de filmes finos de ZnO — dopado com alumínio (Al) e cromo (Cr), com concentrações de 3%, crescidos por pulverização catódica não reativa. As amostras foram crescidas utilizando vidro como substratos. Para a produção dos capacitores utilizados na caracterização elétrica foi crescido uma camada de Al sobre o substrato que foi utilizado como eletrodo inferior. Os filmes aqui estudados foram obtidos variando a espessura e a temperatura do substrato, entre temperatura ambiente e 400 °C. Os filmes obtidos foram caracterizados pelas técnicas de difração de raios X (DRX), reflectometria de raios X (XRR), espectroscopia óptica na região do UV-Vis e curvas de corrente por tensão IxV. Os resultados mostraram que os filmes produzidos possuem uma grande orientação preferencial com planos (002) da fase hexagonal wurtzita do ZnO perpendicular à superfície do substrato. Por meio das medidas de XRR, foram obtidas as espessuras experimentais assim como a rugosidade e densidade de massa dos filmes. A partir das medidas de UV-Vis, foi observado que os filmes possuem uma alta transmitância (acima de 80%) com uma leve redução com o aumento da espessura. As medidas das curvas IxV mostraram que os filmes apresentam um comportamento ôhmico com uma baixa resistência e resistividade, possuindo, portanto, propriedades compatíveis para serem utilizados como óxido condutore e transparente para ambos os dopantes. Os valores do bandgap para todos os filmes são próximos de 3,3 eV sem variação significativa com os parâmetros utilizados. / São Cristóvão, SE

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Among the semiconducting oxides, ZnO has received considerable attention as a promising material for several applications in optoelectronic devices due to its high optical transparency in the visible range and good electrical conductivity achieved by doping with suitable elements. The present work, part developed in the Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos Nanoestruturados (UNIPAMPA/BAGÉ) and part in the Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos (UFSM), aimed mainly the development of an experimental procedure of ZnO thin films potentiostatic electrodeposition using 0.1 M aqueous solution of zinc nitrate seeking potential applications in solar cells. The electrodeposition technique is the growth of certain material on a solid substrate by electrochemical reactions and emerges as an alternative to traditional techniques (sputtering, sol-gel, spray pyrolysis) production of thin films. Besides being relatively easy to implement and has low production cost. The ZnO thin films were deposited on Au (111) substrates, obtained from commercial CD-Rs (CDtrodos). Voltammetry technique was used for the electrochemical processes involved analysis and to establish suitable areas of potential for films growth. ZnO deposits were characterized by X-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM) techniques. / Dentre os óxidos semicondutores, o ZnO tem recebido considerável atenção como um material promissor para diversas aplicações em dispositivos opto-eletrônicos devido a sua alta transparênciaóptica na faixa do visível e boa condutividade elétrica alcançada por dopagem com elementos adequados. O presente trabalho, desenvolvido parte no Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos Nanoestruturados (UNIPAMPA/BAGÉ) e parte no Laboratório de Magnetismo e Materiais Magnéticos (UFSM), teve como objetivo principal o desenvolvimento de um procedimento experimental de eletrodeposição potenciostática de filmes finos de ZnO visando possíveis aplicações em células solares, utilizando-se 0:1M de solução aquosa de nitrato de zinco. A técnica de eletrodeposição consiste no crescimento de determinado material sobre um substrato sólido através de reações eletroquímicas e surge como uma alternativa às técnicas tradicionais (sputtering, sol-gel, spray-pirólise) de produção de filmes finos. Além de ser relativamente de fácil implementação e tem baixo custo de produção. Os filmes finos de ZnO foram depositados sobre substratos de Au (111), obtidos a partir de CD-Rs comerciais (CDtrodos). Utilizou-se a técnica de voltametria para analise dos processos eletroquímicos envolvidos e para estabelecer as regiões de potenciais adequadas para crescimento dos filmes. Os depósitos de ZnO foram caracterizados utilizando as técnicas de difração de raios-X e microscopia de força atômica (AFM).

No description available.