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Title: Emissão óptica de plasma e desenvolvimento de a-Si:H por sputtering.
Authors: Moura, Thiago Daniel de Oliveira
metadata.dc.contributor.advisor: Branco, José Roberto Tavares
Keywords: Espectroscopia de emissão óptica
Filmes finos
Heteroestruturas
Células solares
Semicondutores
Issue Date: 2011
Publisher: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.
Citation: MOURA, T. D. de O. Emissão óptica de plasma e desenvolvimento de a-Si:H por sputtering. Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto.. 2011. 107 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2011.
Abstract: A utilização do silício amorfo (a-Si) como camada emissora nas células fotovoltaicas baseadas em heteroestruturas tem se mostrado com várias vantagens em nível de custo de produção e desempenho se comparadas ao silício cristalino (c-Si). Em filmes de a-Si puro, existe uma grande concentração defeitos, aproximadamente 10²¹ por cm³ e o hidrogênio exerce um papel importante para passivá-los, havendo ainda dúvidas a respeito da sua incorporação e estabilidade em a-Si:H, a despeito do fato de se ter aprendido muito sobre isto nos últimos anos. A técnica de pulverização catódica (sputtering a magnétron) para fins de produção de a-Si:H tem sido pouco estudada se comparada à técnica de PECVD, e apresenta algumas vantagens como uso de insumo fonte de Si mais seguro e sustentável, o sistema é mais simples em termos de aumento de escala e automação. Neste trabalho a incorporação de H no a-Si foi promovida e investigada por via do controle do plasma em uma atmosfera de Ar-H2, que por sua vez é dependente de parâmetros da máquina. Para este controle implementou-se um sistema de controle onde adotou-se a técnica de Espectroscopia de Emissão Óptica (OES) do plasma, que têm tido destaque em diversas aplicações de deposição a plasma por ser relativamente simples e não intrusiva no processo. Foi realizado um planejamento experimental para avaliação dos efeitos de parâmetros de processo nas propriedades dos filmes obtidos. As seguintes técnicas foram utilizadas para caracterização dos filmes: espectroscopias Raman, FTIR e UV-Vis além de microscopia de força atômica (AFM). Obtendo-se as seguintes propriedades: Morfologia, composição, propriedades ópticas, densidade de defeitos em estados intermediários, dentre outras. Os resultados mostram que foi possível a implementação do método de magnéton sputtering para obtenção dos filmes de a-Si:H com altos níveis de incorporação de hidrogênio. A técnica de OES para o estudo do processo de hidrogenação de filmes de a-Si mostrou-se com grande potencial e possibilidade de controle automático da composição do plasma. A ferramenta de planejamento estatístico fatorial, possibilitou o aprimoramento das análises e também grande potencial para otimização de processos e formulação de modelos estatísticos.
metadata.dc.description.abstracten: The use of amorphous silicon (a-Si) as an emitter for crystalline silicon in photovoltaic solar cells based on heterojunctions has shown advantages with respect to production cost and cell efficiency. In pure a-Si thin films there is a high concentration of defects, approximately 10 ² ¹ per cm³, and hydrogen plays an important role on passivating them. To fully understand the incorporation mechanism and stability of Hydrogen in a-Si:H more research is need, even though so much has been learned in the last years. Magnetron sputtering has been much less studied to grow a-Si:H compared to the PECVD technique, despite the fact that it uses a less dangerous Si precursor or feedstock and presents advantage with respect to scalling up and automation. In this work the incorporation of H in a-Si was enhanced and investigated by means of controlling the reactive Ar-H2 plasma, which is dependent on machine parameters. For this control an atmosphere control system was implemented, using Optical Emission Spectroscopy (OES), a technique that is relatively simple and non-intrusive, to feedback plasma composition. It is proposed in this work the study of the incorporation of H in a-Si films obtained by the magnetron sputtering technique with the aid of optical emission spectroscopy of plasma. An experimental design was performed to evaluate the effects of the parameters of the process on the properties of the films. The following techniques were used for characterization of the films: Raman, FTIR and UV-Vis, as well as atomic force microscopy (AFM). These experiments produced information about the following properties: morphology, composition, optical properties, and defect density in intermediate states, among others. The results show that it is possible to implement the method of magnetron sputtering for obtaining the films of a-Si:H with high levels of incorporation of hydrogen. The OES technique for studying the process of hydrogenation of a-Si film was shown with great potential and possibility of automatic control of the composition of the plasma. A factorial statistical design tool enabled the improvement of the analysis and also shows great potential for process optimization and statistical modeling.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2927
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