The delamination of transparent conducting oxide thin films - The effect of underlayer materials

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2013

Department

Kemian laitos

Major/Subject

Fysikaalinen kemia

Mcode

Kem-31

Degree programme

Language

en

Pages

x + 95 + [12]

Series

Abstract

In this work, the aging and delamination of tin oxide based (SnO<sub>2</sub>:F) transparent conducting thin films were studied. These transparent conductors are utilized in thin film solar cells where the corrosion resistance is promoted through the use of an under layer between the oxide layer and the glass substrate. The purpose of the under layer is to prevent the diffusion of sodium ions from the glass into the conducting oxide. The objective of this work was to study different under layer choices and to establish a quality control test for later use. The effect of the materials was studied in an accelerated test where samples of coated glass were exposed to high temperature, voltage and humidity (190°C, 100 V and 75 - 95 % RH) and the charge density transferred through the sample was monitored. The maximum charge density the thin film can withstand describes the amount of sodium transferred from the glass substrate into the coating layers. The value can also be used in the evaluation of the corrosion resistance in a solar module. The main focus was on silicon oxycarbide and silicon oxynitride under layers, but aluminum oxide and samples without a barrier layer were studied as well As a result, it was observed that silicon oxycarbide films with a high silicon concentration are the most suitable choice for commercial products. They could withstand a maximal charge density of approximately 3.0 mC cm<sup>-2</sup>, whereas silicon oxynitride films could endure only 1.6 mC cm<sup>-2</sup> regardless of the thin film composition. However, the silicon rich silicon oxycarbide layers present a yellowish tint undesirable in solar cells. Some of the under layers were even observed to promote the delamination compared to a situation in which the tin oxide is deposited straight to the glass substrate. The mechanisms causing this behaviour were studied with sheet resistance measurements, scanning electron microscopy, confocal microscopy and contact angle goniometry. Based on the results, it was deduced that the under layer might cause the sodium to build up at the interface between the oxide layer and the barrier. In contrast, when an under layer is not used, the sodium is able to diffuse straight into the oxide layer where it presumably causes less damage to the adhesion. Finally, the properties of the glass systems at lower temperatures were studied in order to be able to evaluate the aging processes in a real life solar cell.

Tässä työssä tutkittiin tinaoksidipohjaisten (SnO<sub>2</sub>:F) läpinäkyvien johtavien ohutkalvojen ikääntymistä ja sen seurauksena tapahtuvaa irtoamista kasvualustasta. Läpinäkyviä oksideja käytetään muun muassa ohutkalvoaurinkokennoissa, joissa korroosionkestävyyttä pyritään parantamaan lisäämällä pinnoitteen ja lasisubstraatin viiliin aluskerros. Sen tehtävänä on estää lasin sisältämien natriumionien diffundoituminen johtavan ohutkalvon sisään. Työn tavoite oli tutkia eri aluskerrosvaihtoehtoja ja samalla ottaa käyttöön laadunvalvontatesti myöhempää tarkkailua varten. Materiaalien vaikutuksia korroosionkestävyyteen tutkittiin nopeutetulla sähkökemiallisella testillä, jossa näytteet altistettiin korkealle lämpötilalle, jännitteelle ja kosteudelle (190 °C, 100 V ja 75 - 95 % suhteellinen kosteus) sekä samalla tarkkailtiin näytteen läpiä siirtyvää varausmäärää. Suurin mahdollinen pinnoitteen sietämä varaustiheys kuvaa lasista siirtyvän natriumin määrää ja sen perusteella voitiin arvioida ohutkalvojen suoriutumista myös aurinkokennon olosuhteissa. Päätutkimuskohteina olivat piioksidipohjaiset piioksikarbidi- ja piioksinitridikalvot, joiden lisäksi tutkittiin myös alumiinioksidia ja näytteitä kokonaan ilman aluskerrosta. Testin tuloksena havaittiin, että kaupallisiin sovelluksiin sopivin vaihtoehto ovat piioksikarbidikalvot, joiden piipitoisuus on korkea. Ne kestivät maksimissaan noin 3.0 mC cm<sup>-2</sup> varaustiheyden siirtämisen lasisubstraatista, kun taas piioksinitridikalvot kestivät vain noin 1.6 mC cm<sup>-2</sup> varaustiheyksiä koostumuksesta riippumatta. Paljon piitä sisältävissä kalvoissa on kuitenkin nähtävissä aurinkokennojen kannalta haitallinen kellertävä väri, mikä rajoittaa niiden käyttöä. Joidenkin aluskerrosten havaittiin jopa nopeuttavan oksidikalvon irtoamista kasvualustastaan verrattuna tilanteeseen ilman välikerrosta. Tähän johtavia ikääntymismekanismeja tutkittiin muun muassa neliövastusmittausten, pyyhkäisyelektronimikroskopian, konfokaalimikroskopian ja kontaktikulmamittausten avulla. Tulosten perusteella pääteltiin, että aluskerros mahdollisesti aiheuttaa natriumin kertymisen oksidikalvon ja aluskerroksen rajapinnalle. Aluskerroksettomissa näytteissä natrium puolestaan pääsee kulkeutumaan oksidikalvon sisään, missä sen vaikutus adheesioon on luultavasti pienempi. Lopuksi tutkittiin vielä lasisysteemien ominaisuuksia lämpötiloissa, jolloin saatujen tulosten perusteella voitiin arvioida todellisissa aurinkokennoissa.

Description

Supervisor

Kontturi, Kyösti

Thesis advisor

Tammela, Simo

Keywords

transparent conducting oxide, läpinäkyvä johtava oksidi, thin film, ohutkalvo, electrochemical corrosion, sähkökemiallinen korroosio, photovoltaics, aurinkosähkö

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122859558

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM