Тънки слоеве в пространството
Интервю с Pere Roca i Cabarrocas

Интервю на Léo Benichou и Tony Côme, илюстрирано от Sophie Cure.

публикувано на
30 септември 2014 г.

Pere Roca i Cabarrocas ни приема в PICM в Политехническото училище, лабораторията по физика на интерфейсите и тънките филми, която ръководи от 2012 г. Той ни казва с ръцете си за малката кухня от тънки слоеве: „Имаме рецепта, слагаме сол, черен пипер, олио и накрая вкусваме, тестваме ефективността ”. С други думи: „Разполагате с елипсометър и наблюдавате оптичните характеристики на материала на място по време на растеж ... ”Обяснения.

Страбич: Накратко, какво е "тънък слой" ?

Pere Roca i Cabarrocas: Наричаме „тънък слой“ материал, отложен върху субстрат - опора. В областта на електрониката, a вафла, това е силициев слитък, който видяхме, който нарязахме на тънки филийки, съгласно процес отгоре надолу. За да получим тънък слой, правим обратното: вземаме субстрат и нанасяме върху него един, два, десет, двадесет, хиляда атома. Обикновено това са материали с дебелина десетки нанометри или дори микрони, но не повече. Това, което характеризира тънкия филм, е преди всичко начинът, по който се произвежда. Като цяло говорим за "растеж".

пространството

Как се развива този ръст на материалите технически ?

Първи вариант: плазма ⦁. Аз инжектирам газ между два паралелни електрода, прилагам напрежение, йонизирам газа и нанасям атом по атом силиций върху субстрат. Следователно се използват плазма и йонизиран газ. Тези операции могат да се извършват при ниска температура.

'S Бележка на редактора: говорим за депозит от PECVD за Подобрено отлагане на химически пари с плазма.

Втори вариант: изпаряване. Във вакуумна камера поставяме тигел, в който е материалът за отлагане, загряваме и изпаряваме атомите.

⦁⦁ Тъй като аргонът е химически неутрален, той може да действа като механичен междинен продукт, за да „надраска“ повърхността на целта.

Трети вариант: пръскане. На електрода, където се прилага напрежението, ние инсталираме мишена - парче материал, което искаме да отложим. Правим плазма с аргон ⦁⦁, аргонът бомбардира повърхността, пръскаме целта и материалът се отлага върху субстрата отсреща.


С последните две опции, ако искам да депозирам различни материали, имам нужда от различни цели или тигли. Мога да имам три, четири, пет различни тигела, но това усложнява техниката. От друга страна, плазмата ми позволява да имам много прецизно управление на газа, да управлявам по-лесно нивото на газа в заграждението и да превключвам по-лесно от отлагане на един материал на друг. Тази особено гъвкава техника е най-интересна днес, поне най-широко разпространена на индустриално ниво. Именно с това произвеждаме всички наши плоски екрани. Тази индустрия се е развила, защото можете да направите полупроводник върху стъклени плочи от 6 квадратни метра, хомогенно, без големи затруднения.

А в космоса какви са основните приложения на тънките филми ?

Международната космическа станция, спътниците, това са неща, които се нуждаят от енергия. Или поемате товара с тях, или правите фотоволтаично преобразуване. В последния случай основният източник на енергия е слънчевата енергия. Във всички точки в пространството няма, ако стигнете твърде далеч, ще се озовете на тъмно. Прочети Пеперудата звезда от Бернар Вербер по този въпрос. Но тъй като в пространството няма триене, след като сте изстреляни, е добре: можете да отидете много далеч от другаде! Накратко, просто се нуждаете от определено количество енергия за задвижване.

Efficiency Ефективността на преобразуване на фотоволтаична клетка се отнася до съотношението между генерираната електрическа енергия и падащата слънчева енергия, с други думи делът на преобразувания слънчев поток. Редът на величината на слънчевия поток на повърхността на Земята при пряка слънчева светлина е 1000 W/m 2 .

Основният въпрос, който възниква по отношение на космическите фотоволтаици, е този за теглото и следователно този за парите (разходи за изстрелване). Тук тънките филми играят ключова роля. Тук си казахме, че може да е интересно да създадем фотоволтаични генератори, използващи много малко материал, обикновено с дебелина един микрон ... В космоса това, което е много важно, е ефективността. Колко kWh/kg мога да произведа? За да генерирате kWh/kg, се нуждаете от висока ефективност на преобразуване lég или светлинни клетки. Тук тънкият филм има сериозно предимство. Американци (Uni-Solar) показаха, че тънките филми с добив 10% са по-конкурентни от клетките десет пъти по-дебели с добиви 30%.

Какъв е рекордът за най-добро представяне ?

Днес ние чупим рекорди именно с технологиите, които се използват в космоса: клетки, направени от III-V материали (съответстващи на колони III и V от периодичната таблица). Това са материали, които не са много в изобилие и следователно скъпи при тяхното изпълнение. Ние правим клетката възможно най-малка, защото материалът е много скъп. Трябва да работим концентрирано: увеличаваме ефективността на преобразуване благодарение на леща на Френел. Усилваме, концентрираме до 500 пъти светлинния лъч.

Say Казваме, че работим на „500 слънца“.

Следователно можем да намалим площта за събиране с фактор 500 ⦁. Днес световният рекорд възлиза на 44,7%. Той е собственост на френска компания Soitec, с дъщерно дружество, наречено Concentrix. Те със сигурност ще достигнат 50%, благодарение на тяхната четворна система за свързване.

Това ще рече? Какво е "кръстовище" ?

"Енергията на пролуката" е характерна за всеки полупроводник. Ограничава енергията на фотоните, която материалът може да поеме. Ако фотонът има по-малко енергия от пролуката, той не може да бъде преобразуван. За информация: в границите на видимия спектър, червен фотон = 1eV, син фотон = 4eV.

Един от проблемите с фотоволтаиците е, че слънцето не е едноцветно. Това е практично и приятно, защото можете да видите света в цвят! Но това също така означава, че енергията не се разпределя равномерно. Представете си, че искате да възстановите фотон в блуса, фотон от 4 електроволта: ако вземете полупроводник в материал, който може да възстанови 1 електроволт, три четвърти от енергията се губи чрез термизация в материала. С две думи: загрява. Така че, за да възстановим възможно най-много енергия във всяка част от спектъра, подреждаме няколко клетки с различни пропуски ⦁. Те се наричат ​​"кръстовища". По този начин нарязваме спектъра на филийки и възстановяваме максималната енергия.

За да победят рекорда за най-добро представяне, инженерите на Soitec поставят две клетки върху една основа (германий) и две други върху друга основа. След това сглобяват всичко с проводимо и прозрачно лепило. Другата възможност би била да се подредят четирите клетки една върху друга чрез процеси на растеж. Може да е по-добре от гледна точка на изпълнението, но е по-трудно да се направи.

Колко тънки слоеве стареят ?

В космоса високоенергийните частици могат да достигнат модули, да предизвикат движение на атомите и да създадат електронни дефекти. Тези атаки не са механични, те са излъчване от йонизиращи частици, протони, алфи ... III-V материалите са перфектни, кристални материали. Ако ги бомбардирате с частици, нарушавате реда, създавате висящи връзки, които влияят на производителността. Известно е, че III-V клетките губят много в добива си. За няколко години те могат да загубят 20 до 30% от първоначалната си възвръщаемост. Тук стават интересни така наречените "аморфни" или "разхвърляни" материали. Те не показват кристални структури. Те не могат да объркат нещо повече, отколкото вече са. Те не рискуват нищо. Те не се движат. Въпреки че тяхното представяне не е оптимално, тази неизменна природа ги прави много изгодни за пространството.

От колко време знаем как да нанасяме тънки слоеве ?

⦁ Меден индий галий и селен.

Растежът на тънките филми е от 50-те или 60-те години - всичко зависи от това за какъв материал говорим. В областта на електрониката с големи площи (плоски екрани, фотоволтаици и др.) Първите изследвания са проведени през 50-те години на миналия век. Първоначално те включват тънки слоеве кадмиев сулфид, кадмиев телур, от CIGS ⦁. В действителност можете да вземете всеки атом от материал и да го изпарите на тънък слой. Много добре можем да получим тънък слой метал, злато или алуминий например. Има голямо разнообразие от тънки филми в електрониката, но също и в покритието: когато нанасяте тефлон върху купчина, това е тънък филм. Тънките филми могат да имат оптични, механични, термични, електрически свойства. Това, което ни интересува от фотоволтаиците, са преди всичко оптичните свойства и свойствата на проводимостта. В тези различни области има различни пропуски. Можем да нарязваме спектрите и да получим материал, подходящ за различни диапазони на слънчевия спектър.

Днес изследванията на тънките филми в областта на фотоволтаиците се занимават основно с подобряване на ефективността ?

Увеличаваме броя на кръстовищата, винаги се опитваме да оптимизираме производителността, това е ясно. Но има и други важни въпроси като например намаляване на теглото. Много изследвания се въртят и около основата и нейния производствен процес. Можете да нанесете тънък слой върху големи плочи, но също и върху панделки с дължина няколко километра. Добрата слънчева клетка е тази, която е черна, защото не отразява нищо. Можем да премахнем материал, да играем върху неговата прозрачност. Той отваря много перспективи.

⦁ Говорим за " нано шарка ".

Антирефлексните филтри в очилата също са тънки филми. Това отново е история на дизайна. Моделите трябва да бъдат проектирани така, че да намалят отражателната способност. Въпросът тук е "нулевата отразяваща способност": всичко трябва да се побере в него. За целта можем да създадем мрежи от обърнати пирамиди ⦁. Ровим в депозирания материал. Това е процес, включващ няколко стъпки: на една вафла от кристален силиций, трябва да поставите смола, да създадете маска, която дефинира шарки, да гравирате маската чрез излагане на светлина, да премахнете частта от смолата, която не е била изложена ... Ние говорим в тази връзка на "литография".

Френска компания като Wysips предлага прозрачни клетки, които ви позволяват да зареждате лаптопа или телефона си директно от екрана. Тази прозрачност се получава чрез отстраняване на материал и надраскване, докато достигне 70% прозрачност. Можем да поставим лещи, за да фокусираме светлината върху фотоволтаичната мрежа и да видим екрана едновременно.

Проблемите с изследванията се отнасят и до разходите за оборудване: как да направим реакторите по-опростени, по-евтини? Или скоростта на отлагане, тоест индустриална производителност: как да се увеличи скоростта на отлагане, за да се получат повече модули със същия инструмент? Или как да абсорбираме светлината с малко количество материя? Днес, вместо да правим непрекъснат слой, можем да отглеждаме наножици. Създаваме това, което се нарича „радиално свързване“. Ако увелича дебелината на една непрекъсната плоча, губя много от електрическото поле, събирането на електрони е по-слабо. Но все пак искам да увелича дебелината, за да погълна повече светлина. С нишките, ако увелича дължината им, попивам повече и събирането винаги се извършва на кратко разстояние. Изневерявам, поне намирам интересно решение на проблема. Това е, което разработваме в реактора в нашата лаборатория. Вземаме капка индий, който е течен при 400 ° C и аморфен силиций, капката индий яде аморфен, който изплюва жица от кристален силиций ... много е вълнуващо !

В кариерата си на изследовател веднага ли се справихте с тези проблеми с тънкия филм? ?

Да, но малко случайно. По образование съм инженер. Бях технически инженер, а след това индустриален инженер. Първо работех върху енергийни техники, ядрена енергия, но исках да се занимавам с възобновяеми източници, фотоволтаични. След две години работа в Барселона получих стипендия и направих дипломна работа по фотоволтаици. Имах шанса да се присъединя към екип тук в Polytechnique, който работи върху тънки филми. По това време имаше много работа върху аморфния силиций. След това се забърках във всичко. Колкото повече гледате, толкова повече възможности има. Декларираните днес патенти се отнасят до неща, които са били заделени преди 20 години. Преди двадесет години публикувах статии, в които обясних как да се избегне редукцията на метални оксиди, докато днес търся как точно да ги намаля, за да се постигне растеж на наножици! Винаги сме в началото на приключението. Главата далеч не е приключила.