Il rapporto in oggetto (Prot. 1264 del 31/07/2013) ha lo scopo di presentare un algoritmo per progettare una macchina basata sulla tecnica Pulsed Electron Deposition (PED) per ottimizzare i parametri del processo di deposizione di film sottili per celle solari su aree di 16x16 cm2. Tali parametri sono generalmente l'uniformità di deposizione, il tempo di deposizione e la resa di materiale, ossia la quantità di materiale depositata sul substrato rispetto a quella ablata dal target. Questo tipo di algoritmo parte dal presupposto di conoscere la funzione di distribuzione angolare delle specie ablate dalla PED. Questa funzione è espressa sempre come dipendente dall'angolo theta, che rappresenta l'angolo formato dalla normale alla superficie del substrato e la direttrice target-coordinata del substrato. In particolare questa dipendenza è sempre espressa come funzione del costheta, elevato ad un esponente p che ne definisce la larghezza della distribuzione. Per bassi valori di p la distribuzione presenta un profilo allargato, ossia un profilo molto uniforme. Ad alti valori di p corrisponde una distribuzione piccata, ovvero che presenta una grande differenza di quantità di evaporato tra il centro della piuma e la sua periferia. L'uniformità della distribuzione dell'evaporato e quindi il valore dell'esponente p può dipendere da molti fattori, tra cui la geometria e-beam target (distanza tubicino-target, inclinazione tubicino, diametro tubicino), la natura del target (metallico o dielettrico), la pressione del gas di processo, la tensione e la corrente del fascio elettronico, etc. Ognuno di questi parametri va controllato in modo da ottimizzare la qualità del film da depositare. Allo stesso tempo la variazione di questi parametri modificherà inevitabilmente la distribuzione dell'evaporato e quindi la distribuzione dello spessore del film sul substrato. Per questo motivo bisogna individuare una geometria del processo PED che consenta di depositare film Parma, 30/07/2013 con alta qualità e contemporaneamente controllando che la deposizione avvenga secondo criteri che rendano il processo "industrializzabile". Infatti solitamente il salto dal "lab-scale" al prototipo industriale è sempre ostacolato non tanto dal preservare la qualità del materiale da produrre, quanto dalle prerogative che il processo deve presentare per essere "industrializzabile": presentare la stessa qualità "lab-scale" su aree più grandi, in maniera riproducibile, uniforme, con il minimo spreco di materiale ed il minimo tempo di produzione. Tutti questi aspetti devono venire soddisfatti contemporaneamente, ed a seconda delle specifiche richieste del richiedente industriale, uno di questi parametri dovrà essere privilegiato rispetto ad altri. Ad esempio in applicazioni in cui l'uniformità rappresenta un fattore decisivo, come nei moduli solari monolitici dove le celle connesse in serie per scribing devono avere la stessa corrente di lavoro, si tenderà a richiedere una massimizzazione dell'uniformità di spessore rispetto al tempo; in altre applicazioni di coating dove non ci sono condizioni stringenti sull'uniformità si tenderà a privilegiare ad esempio la resa del materiale o il suo "throughput" o velocità di produzione. Per ogni applicazione il processo di crescita dovrà essere adattato quindi ai cosidetti "requisiti" o "output di processo". In questo rapporto presentiamo un algoritmo che tenendo conto delle specificità della tecnica PED, riesca ad individuare la posizione e il numero di sorgenti da installare su una macchina industriale necessarie per depositare su aree di 16x16cm2. L'algoritmo, partendo dalle funzioni di distribuzione ottenute in scala di laboratorio, a seconda dei requisiti di output (uniformità, tempo, resa, etc.) riesce a produrre come risultato il numero di cannoni necessari e le coordinate sul piano x-y della camera dove dovranno essere installati i target da ablare. In più fornisce il metodo di movimentazione del substrato più consono durante la deposizione per raggiungere i requisiti di processo (traslazione, rotazione, rototraslazione, etc.). L'idea è che per ogni materiale e ogni processo la posizione dei target debba essere modificata per venire incontro all'ottimizzazione dell'output di processo prescelto. Nel caso di una struttura a multistrato la macchina dovrà essere provvista di un sistema per spostare i target sul piano x-y in modo da ottimizzare la geometria dell'array PED. In questo rapporto sono illustrati a titolo esemplificativo delle applicazioni di questo algoritmo alla deposizione del Cu(In,Ga)Se2 secondo la ricetta pubblicata su "Appl. Phys. Lett. 101, 132107 (2012)", in modo da privilegiare a turno uniformità di deposizione, intesa come spessore medio e deviazione standard sui 16x16xcm2, la "material yield" (quanto materiale viene effettivamente depositato) e il tempo di throughput. Si vedrà come per ogni output selezionato esistano differenti geometrie dell'array di sorgenti PED, e quindi come questo algoritmo sia fondamentale per ottimizzare un processo di fabbricazione di celle solari a film sottile basato sulla tecnica PED.
Progettazione e modelling di un sistema per la deposizione di film sottili per celle fotovoltaiche tramite la tecnica Pulsed Electron Deposition (PED) su substrati di 16x16 cm2
Matteo Bronzoni;Francesco Pattini;Stefano Rampino
2013
Abstract
Il rapporto in oggetto (Prot. 1264 del 31/07/2013) ha lo scopo di presentare un algoritmo per progettare una macchina basata sulla tecnica Pulsed Electron Deposition (PED) per ottimizzare i parametri del processo di deposizione di film sottili per celle solari su aree di 16x16 cm2. Tali parametri sono generalmente l'uniformità di deposizione, il tempo di deposizione e la resa di materiale, ossia la quantità di materiale depositata sul substrato rispetto a quella ablata dal target. Questo tipo di algoritmo parte dal presupposto di conoscere la funzione di distribuzione angolare delle specie ablate dalla PED. Questa funzione è espressa sempre come dipendente dall'angolo theta, che rappresenta l'angolo formato dalla normale alla superficie del substrato e la direttrice target-coordinata del substrato. In particolare questa dipendenza è sempre espressa come funzione del costheta, elevato ad un esponente p che ne definisce la larghezza della distribuzione. Per bassi valori di p la distribuzione presenta un profilo allargato, ossia un profilo molto uniforme. Ad alti valori di p corrisponde una distribuzione piccata, ovvero che presenta una grande differenza di quantità di evaporato tra il centro della piuma e la sua periferia. L'uniformità della distribuzione dell'evaporato e quindi il valore dell'esponente p può dipendere da molti fattori, tra cui la geometria e-beam target (distanza tubicino-target, inclinazione tubicino, diametro tubicino), la natura del target (metallico o dielettrico), la pressione del gas di processo, la tensione e la corrente del fascio elettronico, etc. Ognuno di questi parametri va controllato in modo da ottimizzare la qualità del film da depositare. Allo stesso tempo la variazione di questi parametri modificherà inevitabilmente la distribuzione dell'evaporato e quindi la distribuzione dello spessore del film sul substrato. Per questo motivo bisogna individuare una geometria del processo PED che consenta di depositare film Parma, 30/07/2013 con alta qualità e contemporaneamente controllando che la deposizione avvenga secondo criteri che rendano il processo "industrializzabile". Infatti solitamente il salto dal "lab-scale" al prototipo industriale è sempre ostacolato non tanto dal preservare la qualità del materiale da produrre, quanto dalle prerogative che il processo deve presentare per essere "industrializzabile": presentare la stessa qualità "lab-scale" su aree più grandi, in maniera riproducibile, uniforme, con il minimo spreco di materiale ed il minimo tempo di produzione. Tutti questi aspetti devono venire soddisfatti contemporaneamente, ed a seconda delle specifiche richieste del richiedente industriale, uno di questi parametri dovrà essere privilegiato rispetto ad altri. Ad esempio in applicazioni in cui l'uniformità rappresenta un fattore decisivo, come nei moduli solari monolitici dove le celle connesse in serie per scribing devono avere la stessa corrente di lavoro, si tenderà a richiedere una massimizzazione dell'uniformità di spessore rispetto al tempo; in altre applicazioni di coating dove non ci sono condizioni stringenti sull'uniformità si tenderà a privilegiare ad esempio la resa del materiale o il suo "throughput" o velocità di produzione. Per ogni applicazione il processo di crescita dovrà essere adattato quindi ai cosidetti "requisiti" o "output di processo". In questo rapporto presentiamo un algoritmo che tenendo conto delle specificità della tecnica PED, riesca ad individuare la posizione e il numero di sorgenti da installare su una macchina industriale necessarie per depositare su aree di 16x16cm2. L'algoritmo, partendo dalle funzioni di distribuzione ottenute in scala di laboratorio, a seconda dei requisiti di output (uniformità, tempo, resa, etc.) riesce a produrre come risultato il numero di cannoni necessari e le coordinate sul piano x-y della camera dove dovranno essere installati i target da ablare. In più fornisce il metodo di movimentazione del substrato più consono durante la deposizione per raggiungere i requisiti di processo (traslazione, rotazione, rototraslazione, etc.). L'idea è che per ogni materiale e ogni processo la posizione dei target debba essere modificata per venire incontro all'ottimizzazione dell'output di processo prescelto. Nel caso di una struttura a multistrato la macchina dovrà essere provvista di un sistema per spostare i target sul piano x-y in modo da ottimizzare la geometria dell'array PED. In questo rapporto sono illustrati a titolo esemplificativo delle applicazioni di questo algoritmo alla deposizione del Cu(In,Ga)Se2 secondo la ricetta pubblicata su "Appl. Phys. Lett. 101, 132107 (2012)", in modo da privilegiare a turno uniformità di deposizione, intesa come spessore medio e deviazione standard sui 16x16xcm2, la "material yield" (quanto materiale viene effettivamente depositato) e il tempo di throughput. Si vedrà come per ogni output selezionato esistano differenti geometrie dell'array di sorgenti PED, e quindi come questo algoritmo sia fondamentale per ottimizzare un processo di fabbricazione di celle solari a film sottile basato sulla tecnica PED.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
