Тонкі шари в просторі - Інтерв’ю з Пере Рокою і Кабаррокасом
Інтерв’ю Лео Бенічу і Тоні Коме, ілюструє Софі Кюр.
опубліковано в
30 вересня 2014 р
Pere Roca i Cabarrocas приймає нас у PICM в Політехнічній школі, лабораторії фізики інтерфейсів та тонких фільмів, якою він керує з 2012 року. Він говорить нам своїми руками про маленьку кухню з тонких шарів: “У нас є рецепт, ми кладемо сіль, перець, олію і в кінці, пробуємо на смак, перевіряємо ефективність ”. Іншими словами: "У вас є еліпсометр і ви спостерігаєте оптичні характеристики матеріалу на місці під час зростання ... ”Пояснення.
Страбіч: У двох словах, що таке "тонкий шар" ?
Pere Roca i Cabarrocas: «Тонким шаром» ми називаємо матеріал, нанесений на підкладку - опорою. У галузі електроніки a вафельні, це силіконовий злиток, який ми розпиляли, який ми нарізали тонкими скибочками відповідно до процесу з верху до низу. Щоб отримати тонкий шар, ми робимо навпаки: беремо підкладку і наносимо на неї один, два, десять, двадцять, тисячу атомів. Зазвичай це матеріали, товщина яких становить десятки нанометрів або навіть мікрон, але не більше. Тонка плівка характеризується, перш за все, способом її виробництва. Загалом, ми говоримо про "зростання".
Як це зростання матеріалів технічно розроблено ?
Перший варіант: плазма ⦁. Я нагнітаю газ між двома паралельними електродами, подаю напругу, іонізую газ і наношу атом за атомом кремній на підкладку. Тому використовуються плазма та іонізований газ. Ці операції можна робити при низькій температурі.
Note Примітка редактора: мова йде про депозит PECVD на Посилене хімічне осадження плазми.
Другий варіант: випаровування. У вакуумній камері ми поміщаємо тигель, в якому знаходиться матеріал, що осідає, нагріваємо і випаровуємо атоми.
⦁⦁ Оскільки аргон хімічно нейтральний, він може виступати механічним проміжним продуктом, щоб "подряпати" поверхню цілі.
Третій варіант: обприскування. На електроді, де подається напруга, ми встановлюємо мішень - шматок матеріалу, який ми хочемо нанести. Ми робимо плазму з аргоном ⦁⦁, аргон бомбардує поверхню, розпилюємо мішень і матеріал осідає на підкладці навпроти.
З двома останніми варіантами, якщо я хочу покласти різні матеріали, мені потрібні різні мішені або тиглі. Я можу мати три, чотири, п’ять різних тиглів, але це ускладнює техніку. З іншого боку, плазма дозволяє мені мати дуже точне управління газом, легше керувати рівнем газу в камері і легше переходити від осадження одного матеріалу до іншого. Ця особливо гнучка техніка є найцікавішою сьогодні, принаймні найпоширенішою на промисловому рівні. Саме цим ми виготовляємо всі наші плоскі екрани. Ця галузь розвинулася, оскільки ви можете виготовити напівпровідник на скляних пластинах площею 6 квадратних метрів однорідно, без особливих труднощів.
І в космосі, які основні напрямки використання тонких плівок ?
Міжнародна космічна станція, супутники, це речі, які потребують енергії. Або ви берете з собою навантаження, або виконуєте фотоелектричне перетворення. В останньому випадку основним доступним джерелом енергії є сонячна енергія. У космосі немає жодних точок, якщо зайти занадто далеко, то опинишся в темряві. Читайте Метелик-зірка Бернардом Вербером на цю тему. Але оскільки в космосі немає тертя, після запуску це добре: ви можете зайти дуже далеко від інших місць! Словом, для рушіння вам просто потрібна певна кількість енергії.
Efficiency Ефективність перетворення фотоелектричного елемента відноситься до співвідношення між генерованою електричною енергією та падаючою сонячною енергією, іншими словами, часткою перетвореного сонячного потоку. Порядок величини сонячного потоку на поверхні Землі під прямими сонячними променями становить 1000 Вт/м 2 .
Головне питання, яке виникає стосовно космічної фотоелектрики, - це вага, а отже, і гроші (стартові витрати). Тут тонка плівка відіграє ключову роль. Тут ми сказали собі, що може бути цікаво створити фотоелектричні генератори, використовуючи дуже мало матеріалу, як правило, товщиною один мікрон ... У космосі дуже важливою є ефективність. Скільки кВт-год/кг я можу виготовити? Щоб генерувати кВт-год/кг, вам потрібні високі коефіцієнти корисної дії для перетворення ноги або легких елементів. Тут тонка плівка має серйозну перевагу. Американці (Uni-Solar) показали, що тонкі плівки з виходом 10% є більш конкурентоспроможними, ніж клітини в десять разів товщі з виходом 30%.
Який рекорд найкращого виконання ?
Сьогодні ми б’ємо рекорди саме за технологіями, які використовуються в космосі: клітини, виготовлені з матеріалів III-V (що відповідає стовпцям III та V періодичної таблиці). Це матеріали, яких не дуже багато, а отже, витратні на їх реалізацію. Ми робимо комірку якомога меншою, оскільки матеріал дуже дорогий. Ми повинні працювати зосереджено: ми збільшуємо ефективність перетворення завдяки лінзі Френеля. Ми посилюємо, ми концентруємо в 500 разів більше світлового променя.
⦁ Ми говоримо, що працюємо на "500 сонечках".
Тому ми можемо зменшити площу збору в 500 разів. Сьогодні світовий рекорд становить 44,7%. Він належить французькій компанії Soitec з дочірньою компанією Concentrix. Вони, безумовно, досягнуть 50%, завдяки своїй системі чотирьох переходів.
Інакше кажучи ? Що таке "стик" ?
"Енергія зазору" характерна для кожного напівпровідника. Це обмежує енергію фотонів, яку матеріал може поглинути. Якщо фотон має менше енергії, ніж зазор, його неможливо перетворити. Довідково: на межах видимого спектру червоний фотон = 1еВ, синій фотон = 4еВ.
Однією з проблем фотоелектрики є те, що сонце не однотонне. Це практично та приємно, адже ви можете бачити світ у кольорі! Але це також означає, що енергія розподіляється не рівномірно. Уявіть, що ви хочете відновити фотон у блюзі, фотон з 4 електронвольт: якщо взяти напівпровідник у матеріалі, здатному відновити 1 електронвольт, три чверті енергії втрачається внаслідок термалізації в матеріалі. З двох слів: нагрівається. Отже, щоб відновити якомога більше енергії в кожній частині спектра, ми складаємо кілька комірок з різними пробілами ⦁. Вони називаються "стиками". Таким чином ми розрізаємо спектр на шматочки і відновлюємо максимум енергії.
Щоб побити рекорд найкращої продуктивності, інженери Soitec розміщують дві комірки на одній підкладці (германій), а дві інші на іншій підкладці. Потім вони збирають все провідним і прозорим клеєм. Інша можливість полягала б у складанні чотирьох клітин одна на одну за допомогою процесів росту. Це може бути краще з точки зору продуктивності, але це важче зробити.
Як старіють тонкі шари ?
У космосі частинки з високою енергією можуть досягати модулів, викликати рух атомів і створювати електронні дефекти. Ці атаки не є механічними, це випромінювання від іонізуючих частинок, протонів, альф ... Матеріали III-V - ідеальні кристалічні матеріали. Якщо ви бомбардуєте їх частинками, ви порушуєте порядок, ви створюєте звисаючі зв'язки, які впливають на продуктивність. Відомо, що III-V клітини втрачають багато врожаю. Протягом кількох років вони можуть втратити від 20 до 30% своєї початкової віддачі. Тут цікавими стають так звані «аморфні» або «брудні» матеріали. Вони не демонструють кристалічних структур. Вони не можуть зіпсувати більше, ніж вони вже є. Вони нічим не ризикують. Вони не рухаються. Хоча їх ефективність не є оптимальною, ця незмінна природа робить їх дуже вигідними для простору.
Як довго ми знаємо, як наносити тонкі шари ?
⦁ Мідний індій-галій та селен.
Зростання тонких плівок спостерігається з 1950-х чи 1960-х років - все залежить від того, про який матеріал ми говоримо. У галузі великої електроніки (плоскі екрани, фотоелектричні системи та ін.) Перші дослідження були проведені в 1950-х рр. Спочатку мова йшла про тонкі шари сульфіду кадмію, телуру кадмію, проведених CIGS ⦁. Насправді ви можете взяти будь-який атом матеріалу і випарувати його в тонкий шар. Наприклад, ми можемо отримати тонкий шар металу, золота або алюмінію. В електроніці, а також у покритті існує найрізноманітніша тонка плівка: коли ви наносите тефлон на ворс, це тонка плівка. Тонкі плівки можуть мати оптичні, механічні, теплові, електричні властивості. Що нас цікавить у фотоелектриці, це перш за все оптичні властивості та властивості провідності. У цих різних сферах існують різні прогалини. Ми можемо посипати спектри і отримати матеріал, придатний для різних діапазонів сонячного спектру.
Сьогодні дослідження тонких плівок у галузі фотоелектрики в основному займаються підвищенням ефективності ?
Ми збільшуємо кількість переходів, ми завжди намагаємося оптимізувати продуктивність, це зрозуміло. Але є й інші важливі проблеми, наприклад, зменшення ваги. Багато досліджень також обертається навколо основи та процесу її виготовлення. Ви можете нанести тонкий шар на великі пластини, а також на стрічки довжиною кілька кілометрів. Хороший сонячний елемент - це чорний, оскільки він нічого не відображає. Ми можемо вилучити матеріал, зіграти на його прозорості. Це відкриває багато перспектив.
⦁ Ми говоримо про " нано-візерунок ".
Антирефлексні фільтри в окулярах - це також тонкі плівки. Це знову історія дизайну. Шаблони повинні бути розроблені для мінімізації відбивної здатності. Тут справа в "нульовій відбивної здатності": все повинно в неї вписуватися. Для цього ми можемо створити мережі перевернутих пірамід ⦁. Копаємо в депонований матеріал. Це процес, що включає кілька етапів: на одному вафельні кристалічного кремнію, вам потрібно покласти смолу, створити маску, що визначає візерунки, вигравіювати маску під впливом світла, видалити ту частину смоли, яка не була піддана впливу ... Ми говоримо у зв'язку з цим "літографія".
Французька компанія, така як Wysips, пропонує прозорі комірки, які дозволяють заряджати ноутбук або телефон прямо з екрану. Цю прозорість отримують шляхом видалення матеріалу та подряпин до 70% прозорості. Ми можемо поставити лінзи, щоб сфокусувати світло на фотоелектричній мережі та одночасно бачити екран.
Проблеми дослідження також стосуються витрат на обладнання: як зробити реактори простішими, дешевшими? Або швидкість осадження, тобто промислова продуктивність: як збільшити швидкість осадження, щоб виготовити більше модулів тим же інструментом? Або, як поглинати світло з невеликою кількістю речовини? Сьогодні замість того, щоб робити суцільний шар, ми можемо вирощувати нанопровід. Ми створюємо те, що називається «радіальним переходом». Якщо я збільшую товщину суцільної пластини, я втрачаю багато електричного поля, збір електронів відбувається менш добре. Але я все одно хочу збільшити товщину, щоб поглинати більше світла. За допомогою ниток, якщо я збільшую їх довжину, я поглинаю більше, і збір завжди робиться на невеликій відстані. Я обманюю, принаймні знаходжу цікаве рішення проблеми. Це те, що ми розробляємо в реакторі в нашій лабораторії. Ми беремо краплю індію, що є рідким при 400 ° C, і аморфний кремній, крапля індію їсть аморфний, який виплюває дріт кристалічного кремнію ... це дуже захоплююче !
За свою кар’єру дослідника ви відразу вирішили ці проблеми з тонкою плівкою? ?
Так, але трохи випадково. Я за фахом інженер. Я був інженером-техніком, а потім інженером-промисловиком. Спочатку я працював над енергетичними техніками, атомною енергетикою, але хотів займатися відновлюваними джерелами фотоелектрики. Після двох років роботи в Барселоні я отримав стипендію та зробив дисертацію з фотоелектрики. Я мав нагоду приєднатися до команди, що працює тут на політехніці, яка працює над тонкими плівками. У той час було багато робіт з аморфного кремнію. Згодом я все балував. Чим більше ви дивитесь, тим більше можливостей. Заявлені сьогодні патенти стосуються речей, відкладених 20 років тому. Двадцять років тому я опублікував статті, де пояснив, як уникнути відновлення оксидів металів, тоді як сьогодні я точно шукаю, як їх зменшити, щоб зробити нанопровід! Ми завжди на початку пригоди. Розділ далеко не закінчений.