Chemical vapor deposition of hydrogenated microcrystalline silicon using high electron density plasmas

Το μικροκρυσταλλικό υδρογονωμένο πυρίτιο (μc-Si:H) βρίσκει ευρεία εφαρμογή ως ενδογενής ημιαγωγός σε φωτοβολταϊκές ιδιοσυσκευές απλής και ανάστροφης δομής (tandem). Το πλεονέκτημά του σε σχέση με το άμορφο υδρογονωμένο πυρίτιο (a-Si:H) είναι η ενισχυμένη απορρόφηση στην περιοχή του υπερύθρου φάσματος λόγω του χαμηλού ενεργειακού χάσματος (1,1 eV) αλλά και η απουσία υποβάθμισης την ποιότητας του υλικού εξαιτίας του φαινομένου Staebler και Wronski. Από την άλλη πλευρά, το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο παρουσιάζει χαμηλότερη απορρόφηση στο ορατό φάσμα σε σχέση με το άμορφο πυρίτιο με αποτέλεσμα να απαιτείται μεγαλύτερο πάχος της ενδογενούς στοιβάδας (0,8 – 1,5 μm) για την αποτελεσματική οπτική απορρόφηση [1,2]. Χρησιμοποιώντας την τυπική για την εναπόθεση λεπτών υμενίων άμορφου πυριτίου τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών ενισχυμένη με πλάσμα (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition – PECVD) στη συχνότητα 13,56 MHz οι ρυθμοί εναπόθεσης για το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο είναι αρκετά χαμηλοί με αποτέλεσμα οι χρόνοι εναπόθεσης να είναι απαγορευτικοί για τη βιομηχανία. Έτσι γίνεται επιτακτική η ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς εναπόθεσης (> 5 Å/s) ούτως ώστε να είναι εφικτή η παραγωγή φωτοβολταϊκών κελιών χαμηλού κόστους.Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν εναλλακτικές τεχνικές ενίσχυσης του ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού υδρογονωμένου πυριτίου με σκοπό την εφαρμογή τους σε φωτοβολταϊκές συσκευές λεπτών υμενίων πυριτίου. Μια από αυτές τις τεχνικές είναι η χρήση πηγών πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων με σκοπό την ενίσχυση του ρυθμού διάσπασης των αντιδρώντων αερίων που θα οδηγήσει σε αυξημένους ρυθμούς εναπόθεσης. Μια άλλη τεχνική αφορά στη χρήση εναλλακτικού μίγματος αντιδρώντος αερίων αντί του τυπικού μίγματος SiH4/H2. Με βάση αυτά λοιπόν η διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος πραγματεύεται την κατασκευή πηγής πλάσματος τύπου hollow cathode και την χρήση της για την εναπόθεση λεπτών υμενίων πυριτίου με υψηλούς ρυθμούς. Στο δεύτερο μέρος μελετάται η χρήση Si2H6 ως επιπρόσθετο αντιδρών στο μίγμα SiH4/H2 και η επίδραση που έχει στο ρυθμό ανάπτυξης και την ποιότητα των λεπτών υμενίων πυριτίου.Στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήθηκε η χρήση πηγής πλάσματος υψηλής πυκνότητας ηλεκτρονίων τύπου hollow cathode με σκοπό την ενίσχυση του2ρυθμού εναπόθεσης λεπτών υμενίων μικροκρυσταλλικού πυριτίου. Μια τέτοια πηγή αποτελείται από μια ή περισσότερες κοιλότητες στην επιφάνεια του πολωμένου ηλεκτροδίου κι έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί σε αρκετά υψηλότερες πυκνότητες ηλεκτρονίων σε σχέση με μια συμβατική πηγή χωρητικής σύζευξης (CCP). Τα δευτερογενή ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την επιφάνεια της καθοδικής κοιλότητας παγιδεύονται ανάμεσα στα απωθητικά δυναμικά των περιβλημάτων της κοιλότητας και ενισχύουν το ρυθμό ιονισμού των ουδέτερων μορίων με αποτέλεσμα το πλάσμα που δημιουργείται να επιδεικνύει μια δραστική ενίσχυση της πυκνότητας των ηλεκτρονίων [3]. Το γεγονός αυτό καθιστά την πηγή αυτή κατάλληλη για εναποθέσεις υλικών και εξεργασία επιφανειών. Όσον αφορά το μικροκρυσταλλικό πυρίτιο, η χρήση πηγής hollow cathode πολλαπλών καθοδικών κοιλοτήτων έδειξε εντυπωσιακά αποτελέσματα όσον αφορά την ενίσχυση του ρυθμού εναπόθεσης [4,5].Στην πλαίσια της διατριβής κατασκευάστηκαν δύο διαφορετικά σε γεωμετρία ηλεκτρόδια τύπου hollow cathode τα οποία αποτελούνται από πολλαπλές κοιλότητες και διαφέρουν στον αριθμό και το μέγεθος αυτών των κοιλοτήτων. Τα δύο ηλεκτρόδια κατασκευάστηκαν από αλουμίνιο και έχουν κυλινδρικό σχήμα με διάμετρο 120 mm. Το πρώτο ηλεκτρόδιο (HC1) αποτελείται από 40 κοιλότητες μήκους 5 mm και διαμέτρου 3mm [6]. Το δεύτερο ηλεκτρόδιο τύπου hollow cathode (HC2) αποτελείται από λιγότερες κοιλότητες, 12 τον αριθμό, οι οποίες όμως έχουν αρκετά μεγαλύτερες διαστάσεις σε σχέση με το ηλεκτρόδιο HC1. Πιο συγκεκριμένα, οι κοιλότητες έχουν μήκος 18 mm και διάμετρο 20 mm.Η γεωμετρία της πηγής επηρεάζει σημαντικά τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά μιας εκκένωσης hollow cathode και ο συνδυασμός πίεσης και γεωμετρίας παίζει τον πιο σημαντικό ρόλο στην κατανάλωση ισχύος και την μετάβαση σε hollow cathode λειτουργία [7]. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε και βελτιστοποιήθηκε η πηγή όσον αφορά την πίεση και τη γεωμετρία σε εκκενώσεις καθαρού Η2 το οποίο βρίσκεται σε περίσσεια στο μίγμα με το SiH4 κατά την εναπόθεση λεπτών υμενίων πυριτίου. Η βελτιστοποίηση της διεργασίας όσον αφορά στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά επικεντρώνεται στην ενίσχυση του ρεύματος της εκκένωσης και της μέσης πυκνότητας ηλεκτρονίων για σταθερή τάση στο πολωμένο ηλεκτρόδιο, αλλά και στην μεγιστοποίηση της απόδοσης στη μεταφορά ισχύος από την γεννήτρια στο πλάσμα...

Plasma Surface Modification of Epoxy Polymer in Air DBD and Gliding Arc

We studied the epoxy polymer surface modification using air plasma treatment in a Gliding Arc (GA) plasma reactor and a pulsed Dielectric Barrier Discharge (DBD). We employed optical emission spectroscopy (OES) measurements to approximate the vibrational and rotational temperatures for both plasma sources, as well as surface temperature measurements with fiber optics and IR thermography to corelate with the corresponding hydrophilization of the epoxy material. Water contact angle measurements revealed a rapid hydrophilization for both plasma sources, with a slightly more pronounced effect for the air DBD treatment. Ageing studies revealed stable hydrophilicity, with water contact angle saturating at values lower than 50°, corresponding to a >50% decrease compared to the untreated epoxy polymer. ATR-FTIR spectroscopy studies showed an additional absorption band assigned to carbonyl group, with its peak intensity being higher for the DBD treated surfaces. The spectra were also correlated with the surface functionalization via the relative peak area ratio of carbonyl to oxirane and benzene related bands. According to SEM imaging, GA plasma treatment led to no apparent morphological change, contrary to DBD treatment, which resulted in nano-roughness formation. The enhanced surface oxidation as well as the nano-roughness formation on epoxy surface with the air DBD treatment were found to be responsible for the stable hydrophilization

Plasma technology for lignocellulosic biomass conversion toward an electrified biorefinery

An overview of plasma technology for the electrified and sustainable conversion of lignocellulosic biomass.</jats:p