Progress on Low-Temperature Pulsed Electron Deposition of CuInGaSe2 Solar Cells

The quest for single-stage deposition of CuInGaSe2 (CIGS) is an open race to replace very effective but capital intensive thin film solar cell manufacturing processes like multiple-stage coevaporation or sputtering combined with high pressure selenisation treatments. In this paper the most recent achievements of Low Temperature Pulsed Electron Deposition (LTPED), a novel single stage deposition process by which CIGS can be deposited at 250 °C, are presented and discussed. We show that selenium loss during the film deposition is not a problem with LTPED as good crystalline films are formed very close to the melting temperature of selenium. The mechanism of formation of good ohmic contacts between CIGS and Mo in the absence of any MoSe2 transition layers is also illustrated, followed by a brief summary of the measured characteristics of test solar cells grown by LTPED. The 17% efficiency target achieved by lab-scale CIGS devices without bandgap modulation, antireflection coating or K-doping is considered to be a crucial milestone along the path to the industrial scale-up of LTPED. The paper ends with a brief review of the open scientific and technological issues related to the scale-up and the possible future applications of the new technology

Preliminary Evidence for Cell Membrane Amelioration in Children with Cystic Fibrosis by 5-MTHF and Vitamin B12 Supplementation: A Single Arm Trial

Cystic fibrosis (CF) is one of the most common fatal autosomal recessive disorders in the Caucasian population caused by mutations of gene for the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR). New experimental therapeutic strategies for CF propose a diet supplementation to affect the plasma membrane fluidity and to modulate amplified inflammatory response. The objective of this study was to evaluate the efficacy of 5-methyltetrahydrofolate (5-MTHF) and vitamin B12 supplementation for ameliorating cell plasma membrane features in pediatric patients with cystic fibrosis.A single arm trial was conducted from April 2004 to March 2006 in an Italian CF care centre. 31 children with CF aged from 3 to 8 years old were enrolled. Exclusion criteria were diabetes, chronic infections of the airways and regular antibiotics intake. Children with CF were supplemented for 24 weeks with 5-methyltetrahydrofolate (5-MTHF, 7.5 mg /day) and vitamin B12 (0.5 mg/day). Red blood cells (RBCs) were used to investigate plasma membrane, since RBCs share lipid, protein composition and organization with other cell types. We evaluated RBCs membrane lipid composition, membrane protein oxidative damage, cation content, cation transport pathways, plasma and RBCs folate levels and plasma homocysteine levels at baseline and after 24 weeks of 5-MTHF and vitamin B12 supplementation. In CF children, 5-MTHF and vitamin B12 supplementation (i) increased plasma and RBC folate levels; (ii) decreased plasma homocysteine levels; (iii) modified RBC membrane phospholipid fatty acid composition; (iv) increased RBC K(+) content; (v) reduced RBC membrane oxidative damage and HSP70 membrane association.5-MTHF and vitamin B12 supplementation might ameliorate RBC membrane features of children with CF.ClinicalTrials.gov NCT00730509

Crescita di film sottili di ossidi mediante Pulsed Electron Deposition per la realizzazione di dispositivi nel campo dell'energia

In questa tesi un rapido excursus sulla situazione di produzione e consumo di energia a livello globale introduce gli argomenti studiati in questi tre anni. Visto il crescente consumo di fonti fossili di combustibili, il loro progressivo esaurirsi e il continuo aumento di emissioni di gas serra, è necessaria una più efficiente produzione di energia, associata ad un suo uso più consapevole. Il mio lavoro si inserisce proprio nello studio di nuovi materiali e nuove soluzioni per affrontare questo problema. I campi in cui ci siamo inseriti come laboratorio di ricerca sono 2: uno basato su materiali superconduttori ad alta temperatura critica (YBCO) e l’altro basto su semiconduttori per applicazioni nel fotovoltaico (CIGS). Sul primo materiale si basano i cosiddetti Coated Conductors (HTS-CC), ovvero dei nastri metallici ricoperti con diversi strati di ossidi ed infine con lo strato superconduttore che permettono, a basse temperature (attorno ai 100 K), di trasportare corrente senza opporre alcuna resistenza elettrica. Una loro maggiore diffusione permetterebbe un minore spreco di energia durante il trasporto e la possibilità di realizzare dispositivi più efficienti per la produzione di energia elettrica. Essi però presentano diversi problemi e principalmente l’alto costo di produzione. I semiconduttori per lo sfruttamento dell’energia solare sono diversi e la produzione industriale è già matura per molti di essi. Le efficienze però risultano ancora scarse e anche in questo caso i costi non appaiono alla portata di tutti. Nel nostro laboratorio abbiamo quindi cercato di superare questi problemi. Per i superconduttori abbiamo ideato una nuova architettura a singolo buffer layer per semplificare la produzione diminuendone i costi. Questo ci ha portato a sperimentare come materiale base l’ossido di Cerio che drogato opportunamente con Sm, Yb, Zr e Ta depositandolo su nastri metallici di Ni-W tramite evaporazione da cannone elettronico e Pulsed Electron Deposition (PED). Il drogaggio e l’uso della tecnica PED hanno notevolmente migliorato le sue proprietà strutturali e meccaniche permettendo di sostituire con un solo film una serie di altri strati utilizzati finora. Lo strato di YBCO depositato sui nostri singoli strati buffer ha mostrato notevoli proprietà strutturali di trasporto di energia elettrica. In parallelo, diversi esperimenti sono stati eseguiti per preparare via PED ossidi conduttivi trasparenti come strati finestra ad alta efficienza (trasparenza oltre il 90% e resistività nell’ordine di 10-4 Ohm*cm) per celle fotovoltaiche. In un secondo momento sono state eseguite anche alcune deposizioni di CIGS in vista della realizzazione di celle fotovoltaiche completamente basate sulla nuova tecnica PED. Proseguendo i test su questa strada, sarà presto possibile ottenere celle solari a maggiore efficienza e nastri superconduttori che potranno sostituire il rame e le perdite di energia connesse. Il tutto nell’ottica di un miglioramento a livello globale della qualità della vita e dell’uso dell’energia.In this Thesis, the worldwide situation about energy consumption and production is presented and some solution based on superconductor (YBCO) and semiconductor (CIGS) materials have been studied. The former can be used to reduce electrical waste and to enhance the efficiency of electrical generators using HTS-CC. The latter are the base for second generation of PV solar cell devices. However both devices present several issues, in particular high production costs. In order to reduce these problems, we studied a single buffer layer architecture to substitute the complex and multi-buffer layer structure in use. We investigated the structural properties of Yb-, Sm-, Zr- and Ta-doped CeO2 layers deposited by e-beam evaporation and by Pulsed Electron Deposition (PED) on cube-textured Ni-W substrates. We found that doping can significantly improve the mechanical resistance of the buffer layer. Best results were obtained in Yb45%- and 15%Zr-doped CeO2 layers where no cracks were detected in films up to the thickness of 700 nm. This represents a major progress as compared to the maximum thickness of 100 nm found in pure CeO2 layers, which enables to completely eliminate any atomic diffusion from the substrate. In addition, such doped buffer layers do not affect the excellent structural and superconducting properties of the YBCO films obtained previously, using undoped layers. YBCO deposited on these single buffer layers by TCE and PLD shows high electrical an structural properties. In parallel we investigated ZnO-based materials as suitable TCO thin film for 2nd generation solar cells. Remarkable and reproducible results have been obtained for PED-grown Al-doped ZnO thin films with an optical transmittance higher than 90% and resistivity value in the order of 10-4 Ohm*cm. In addition, some deposition of CIGS have been performed in view of an all-PED thin films solar cell growth. Preliminary results show the goodness of the choice of PED for depositing CIGS thin films beacuse it is clear that the generally applied "selenization step" can be avoided. The materials studied in these three years seem to be very promising to enhance the renewable resources use realizing more efficient devices for electrical energy production and transport

Method for producing thin-film multilayer solar cells

Description: A method for manufacturing high-quality thin film solar cells entirely by the Pulsed Electron Deposition (PED) is presented. The solar cell is a multi-layer architecture composed with an absorber layer with a chalcopyrite structure and the general composition Cu (In, Ga, Al) (Se, S)2 or CIGASS, deposited on a metallic substrate, that is the lower electrical contact or "back contact", by one or more buffer layer(s) and a layer acting as an electrical contact or the higher "top contact". The novelty of this process are: 1) The absence of layers containing cadmium (Cd) in the solar cell; 2) The deposition of the absorber layer, of the buffer layer(s) and of the top ohmic contact can be made sequentially using the same high-energy electron pulsed system, alternating only the target where the beam focuses and the energy of the electron beam. Main applications: The method described in the patent can be useful in the photovoltaic field, in particular for the fabrication of "2nd generation solar cells" or thin film solar cells. Main Advantages: The novelties introduced in this patent are: 1) Ability to deposit every layer using the same pulsed electron source. 2) Capability to deposit the absorber layer (CIGASS) using a single stage. 3) Ability to grow cadmium-free buffer layers, resulting in a totally eco-compatible solar cell.Descrizione: E\u27 presentato un metodo per produrre celle solari a film sottile di alta qualit? strutturale ottenute interamente mediante tecnica di deposizione da elettroni pulsati (PED). La cella solare a multistrato ? composta da uno strato assorbitore di fase calcopirite con composizione generica Cu(In,Ga,Al)(Se,S)2 o CIGASS, depositato su un substrato metallizzato che costituisce il contatto elettrico inferiore o "back contact", da uno o pi? buffer layer(s) e da uno strato che funge da contatto elettrico superiore o "top contact". Le novit? di questo processo sono: 1) Non ? previsto l\u27utilizzo di strati contenenti cadmio (Cd); 2) Le deposizioni dello strato assorbitore, del/dei buffer layer(s) e del contatto ohmico superiore possono avvenire sequenzialmente utilizzando lo stesso sistema a elettroni pulsati ad alta energia, alternando esclusivamente il target su cui va a incidere il fascio tra uno stadio di deposizione e il successivo e modificando l\u27energia del fascio elettronico. Usi Principali: Il metodo del trovato pu? essere utilizzato nel campo fotovoltaico per ottenere le cosiddette "celle di 2a generazione o a film sottile". Vantaggi Principali: Gli elementi di innovazione introdotti dal trovato sono i seguenti: 1) Possibilit? di depositare ogni strato mediante la stessa sorgente di elettroni pulsati. 2) Possibilit? di depositare lo strato assorbitore (CIGASS) mediante un unico stadio. 3) Possibilit? di depositare buffer layer senza cadmio, ottenendo una cella solare totalmente eco-compatibil

Method and apparatus for producing thin films on a substrate via pulsed electron deposition process

Description: Pulsed Electron Deposition (PED) is a technique for the growth of conductive and dielectric thin film materials (thickness of few tenths and a few tens of microns). This technique is based on the generation of a pulsed beam of high-energy electrons (1-25 keV), and the subsequent collimation of the material towards a multi-target composed by the desired elemental stoichiometry. The interaction between the beam and the target leads to an evaporation of the material from the target towards a substrate placed parallel to the surface of the target. The stoichiometry of the target is transferred completely to the evaporating phase only if this latter is produced under conditions far from thermodynamic equilibrium. This condition is obtained if the thermal transient achieved on the surface of the target material by the interaction with the e-beam is as high as possible. The surface thermal transient depends on the power of the electron beam, hence on the extraction voltage and on the beam current. This dependence is linear in the case of conductive targets, while in the case of dielectric ones, the thermal transient reaches a maximum value at a given value of current. The novelties of this patent are a method and a device for in situ measurement of the beam current, leading to the possibility of maximizing the ablation process and increasing the reproducibility of the interaction between electrons and target, thus the stoichiometry of the film. Main applications: The device described in the patent can be useful in the field of material physics, especially in the material science area (electronics, sensors, photovoltaic and magnetism), in the case of growth techniques based on electron beams. Main Advantages: The object of this patent is original and innovative, as it introduces a new non-destructive in situ diagnostics for the deposition of thin films by pulsed electron beam technique (PED), also known as PPD (Pulsed Plasma Deposition) or CSA (Channel Spark Ablation). The advantages of the diagnostic method developed are: 1) it does not affect the deposition process, and 2) it allows to know the real-time e-beam current, 3) and hence to control all the variables associated with it (rate control , area of deposition, energy of the evaporated, etc.).Descrizione: La deposizione da elettroni pulsati (PED, Pulsed Electron Deposition) ? una tecnica di tipo fisico per la realizzazione di strati sottili di materiali conduttivi e dielettrici (spessore compreso tra qualche decimo e qualche decina di micron). Tale tecnica si basa sulla generazione di un fascio pulsato di elettroni ad alta energia (1-25 keV), e la successiva collimazione di quest\u27ultimo verso un materiale target multi-elementale con una determinata stechiometria. L\u27interazione tra il fascio e il target d? origine all\u27evaporazione del materiale dal target verso un substrato posto parallelamente alla superficie del target stesso ad alcuni centimetri di distanza. La stechiometria del target si trasferisce completamente nei vapori prodotti solo se questi ultimi sono prodotti in condizioni lontane dall\u27equilibrio termodinamico. Questa condizione si ottiene se il transiente di riscaldamento prodotto sulla superficie del materiale target dall\u27interazione con il fascio elettronico ? il pi? alto possibile. Il transiente termico superficiale dipende dalla potenza del fascio elettronico, quindi dal voltaggio di estrazione e dalla corrente elettronica. Questa dipendenza ? lineare nel caso di target conduttivi, mentre nel caso dei dielettrici il transiente raggiunge un valore massimo per un dato valore di corrente. Il trovato consiste in un metodo ed un\u27apparecchiatura per misurare in situ la corrente di fascio, consentendo di massimizzare il processo di ablazione e di aumentare la riproducibilit? dell\u27interazione tra elettroni e target, quindi della stechiometria del film. Usi Principali: L\u27apparecchiatura descritta nel brevetto si presta per essere utilizzata nel campo del settore della fisica dei materiali, in particolare nel campo della crescita di materiali per applicazioni in elettronica, sensoristica, magnetismo e fotovoltaico, in presenza di una tecnica di deposizione di film sottili basata sull\u27utilizzo di fasci elettronici. Vantaggi Principali: Il trovato ? originale e innovativo, in quanto introduce un nuovo sistema non distruttivo di diagnostica in situ del processo di deposizione di film sottili ad elettroni pulsati (PED), conosciuto anche come PPD (Pulsed Plasma Deposition) o CSA (Channel Spark Ablation). I vantaggi del metodo diagnostico ideato sono: 1) non influisce sul processo di deposizione, e 2) consente di conoscere in tempo reale la corrente del fascio, 3) dando la possibilit? di controllare tutte le grandezze connesse con quest\u27ultima (velocit? di deposizione, area di deposizione, energia del materiale evaporato, etc.),4) migliorando cos? la riproducibilit? del processo