Materiali e Tecnologie per Green Energy
Referente: Mazzer Massimo
Low-Temperature Pulsed Electron Deposition
  PER MAGGIORI INFORMAZIONI: Stefano Rampino - +39 0521269282 - stefano.rampino@imem.cnr.it

 

La Low-Temperature Pulsed Electron Deposition (LT-PED) è una tecnica di deposizione fisica in fase di vapore (PVD) in grado di far crescere film cristallini a bassa temperatura partendo da materiale target. La caratteristica più importante della LT-PED è il trasferimento stechiometrico dal target al film depositato, indipendentemente dal diagramma di fase del materiale. Per mezzo di fasci di elettroni pulsati con un'enorme densità di potenza (circa 108 W/cm2), la tecnica fornisce una grande quantità di energia al materiale bersaglio in un tempo molto breve (nell'ordine di 100 ns). La densità di potenza LT-PED è di ordini di grandezza superiori a quella necessaria per evaporare i materiali (105-106 W/cm2), portando quindi al riscaldamento della superficie del target fuori dall’equilibrio termodinamico. Pertanto, il target viene improvvisamente trasformato in plasma senza subire alcuna transizione di fase: l'evaporazione congruente viene raggiunta anche per materiali con punto di fusione incongruente. Questo fenomeno si chiama "ablazione". In questo modo, la composizione del target viene trasferita nel plasma e quindi nel film. Poiché la temperatura del plasma è incredibilmente alta (migliaia di K), le specie nel plasma sono estremamente energiche (fino a 10 eV). Quando queste particelle si depositano sul substrato, il film cresce con una buona cristallinità anche a bassa temperatura, poiché l'energia interna della specie è sufficientemente alta per aumentare la mobilità degli adatomi. Per questo motivo, la LT-PED è più adatta per quei semiconduttori multi-elementali, ossidi metallici complessi e leghe che di solito formano fasi diverse in funzione della composizione e della temperatura di crescita. Non è possibile crescere un materiale con punto di fusione incongruente mediante co-evaporazione o metodi di sputtering senza applicare la giusta temperatura per formare la fase desiderata e né da un singolo target con un buon controllo nella composizione. Infatti, tramite LT-PED è possibile crescere la fase corretta da un singolo target stechiometrico e ad una temperatura più bassa. Un piccolo processo di evaporazione termica che si verifica sulla superficie del bersaglio è inevitabile, ma può essere minimizzato massimizzando la densità di potenza del fascio elettronico. Sono stati riportati diversi materiali depositati per mezzo della LT-PED: semiconduttori a base di ZnO, compositi CoFe2O4-BiFeO3, idrossiapatite e altri ossidi, FeS2, vetri conduttori ionici e persino materiali polimerici, come idro e fluoro film polimerici al carbonio (PTFE). Più simili al CIGS, superconduttori ad alta temperatura (HTS) YBa2Cu3O7-x (YBCO), GdBa2Cu3O7 e (GdxEu1-x) Ba2Cu3O7 sono tra i materiali più interessanti depositati con successo da LT-PED, nonostante il loro punto di fusione incongruente e diagrammi di fase molto complessi. Prima della LT-PED, la Pulsed Laser Deposition (PLD) veniva sfruttata per depositare film HTS. Le due tecniche hanno diverse analogie (ablazione del target, caratteristiche del plasma, conservazione della stechiometria ecc.). La differenza più importante sta nel mezzo utilizzato per l'ablazione del materiale target (raggio laser o fascio di elettroni) e nel costo dell'attrezzatura: una sorgente laser per PLD è terribilmente più costosa di un cannone elettronico a catodo cavo.

PED Scheme

La tecnica di deposizione Low-Temperature Pulsed Electron Deposition (LTPED) è una nuova tecnologia da vuoto per film sottili sviluppata da CNR-IMEM per la crescita a bassa temperatura di celle e moduli fotovoltaici su un'ampia gamma di substrati. Tutte le camere di deposizione LTPED utilizzate per produzione di celle solari in laboratorio sono state progettate e sviluppate da CNR-IMEM. Un tipico cannone LTPED funziona a una pressione di ~10-3 mbar necessaria per formare una nube di plasma al suo interno. Alla fine del cannone, a pochi centimetri di distanza, è posizionato un supporto progettato per ospitare uno o più target circolari con diametro di 1 o 2 pollici e spessore di pochi mm. Ogni target è una fetta del materiale da depositare ottenuta da un lingotto o preformata tramite tecniche di sinterizzazione. Dal target viene estratto il materiale da depositare su un apposito substrato che può essere plastico, vetroso o metallico. In linea di principio i film sottili fotovoltaici possono essere depositati mediante un'ampia gamma di tecniche diverse. Nel caso di CuInGaSe2 (CIGS), il materiale di base delle nostre celle solari, co-evaporazione e sputtering sono attualmente utilizzati nei processi di produzione industriale. Ciò che rende unico il processo LTPED rispetto alle tecnologie alternative è il fatto che opera lontano dall'equilibrio termodinamico. A causa di ciò, pellicole sottili di materiali con un diagramma di fase molto complesso, come CIGS o YBCO, possono essere ottenuti in vuoto senza la necessità di trattamenti post-deposizione ad alta pressione o ad alta temperatura che coinvolgono anche gas tossici. La componente principale di un sistema di deposizione di elettroni pulsati è la sorgente del fascio di elettroni. Le nostre apparecchiature di ricerca sono basate su sorgenti di elettroni pulsati Neocera PEBS-20 montate a circa 45°rispetto al supporto del bersaglio e funzionano a una tensione di scarica tra 12 kV e 18 kV con una frequenza di ripetizione dell'impulso attivata di 10 Hz. I bersagli sono posizionati appena sotto le fonti di elettroni, mentre i substrati delle celle solari sono montati capovolti su un supporto di campionamento orizzontale rivolto verso la superficie del bersaglio. Durante il processo di deposizione, l'argon viene immesso nella camera per consentire la generazione del fascio di elettroni e la sua propagazione efficace verso il bersaglio. Una deposizione di successo di qualità fotovoltaica CIGS si ottiene accordando i parametri di deposizione al fine di ottimizzare l'ablazione target e minimizzare qualsiasi effetto di evaporazione secondaria. Ulteriori dettagli sul processo LTPED e sulle caratteristiche delle celle di prova CIGS fabbricate con questa tecnologia si trovano a questo link.