Development and evaluation of an automated pilot plant for the fabrication of zinc oxide thin films for use in solar cells

ilustraciones, fotografías, gráficasEn este trabajo se reportan los principales aportes realizados para cumplir los objetivos de esta propuesta de tesis, donde se hizo especial énfasis en el desarrollo y evaluación de un sistema automatizado para la deposición de películas delgadas de ZnO con propiedades adecuadas para uso en celdas solares, usando el método de Evaporación Reactiva Asistida por Plasma (PARE). Se incluye una descripción del equipo implementado para depositar películas delgadas de ZnO por el método PARE, mencionando los avances y mejoras realizadas en este trabajo en relación con el equipo usado previamente por nuestro Grupo, describiendo en detalle los nuevos componentes del hardware y el software desarrollado, así como del diseño novedoso que se hizo a la fuente de evaporación de Zn, basado en el concepto de celda de efusión tipo celda Knudsen. De esta forma se logró mejorar significativamente tanto la baja reproducibilidad de las propiedades optoeléctricas de las películas delgadas de ZnO como la inhomogeneidad en el espesor que presentaban las películas de ZnO depositadas usando la versión anterior de reactor desarrollado por nuestro Grupo. El trabajo de tesis incluye también resultados de caracterización realizada a las películas de ZnO depositadas, usando diferentes técnicas para evaluar las propiedades ópticas, eléctricas y morfológicas; además, se presenta un estudio de la influencia de la configuración de la tapa de la celda Knudsen sobre la homogeneidad en espesor y las pruebas de verificación del funcionamiento del sensor que indica la presencia de Zn en el reactor. A través de un estudio de parámetros de deposición se logró encontrar condiciones para la preparación de películas delgadas de ZnO con propiedades optoeléctricas adecuadas para su uso como ventana óptica en celdas basadas en compuestos con estructura chalcopirita (CIGS) y estructura kesterita (CZTS) y como capa ETL en celdas solares basadas en compuestos con estructura perovskita. (Texto tomado de la fuente).This paper reports the main contributions made to meet the objectives of this thesis proposal, where special emphasis was placed on the development and evaluation of an automated system for the deposition of thin ZnO films with properties suitable for use in solar cells, using the Plasma Assisted Reactive Evaporation (PARE) method. A description of the equipment implemented to deposit ZnO thin films by the PARE method is included, mentioning the advances and improvements made in this work in relation to the equipment previously used by our Group, describing in detail the new hardware components and the software developed. as well as the novel design that was made to the Zn evaporation source, based on the concept of a Knudsen cell-type effusion cell. In this way, it was possible to significantly improve both the low reproducibility of the optoelectric properties of the thin ZnO films and the inhomogeneity in the thickness presented by the ZnO films deposited using the previous version of the reactor developed by our Group. The thesis work also includes the results of the characterization carried out on the deposited ZnO films, using different techniques to evaluate the optical, electrical and morphological properties; In addition, a study of the influence of the configuration of the lid of the Knudsen cell on the homogeneity in thickness and the verification tests of the operation of the sensor that indicates the presence of Zn in the reactor is presented. Through a study of deposition parameters it was possible to find conditions for the preparation of thin ZnO films with optoelectric properties suitable for use as an optical window in cells based on compounds with chalcopyrite structure (CIGS) and kesterite structure (CZTS) and as ETL layer in solar cells based on compounds with perovskite structure.Fundación para la promoción de la investigación y la tecnologíaMaestríaMagíster en Ingeniería - Materiales y ProcesosIngeniería de superficiesDepartamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónic