چکیده بیشترین بازدهی سلول های لایه نازک متعلق به سلول های cu(in,ga)se2 (cigs) است که در سال 2014 در سطح آزمایشگاهی به بازدهی 8/20 % دست یافته اند. گرچه در این زمینه پیشرفت های بسیاری شده، اما این پیشرفت ها بر اساس بهینه سازی تجربی می-باشد و فهم دقیق مدل های فیزیکی نقش کم رنگی دارد. در این رساله، شکاف بین سلول های آزمایشگاهی و فیزیک عملکرد آن ها پر می شود. مدل سازی عددی، می تواند در فهم پدیده های فیزیکی سلول بسیار موثر باشد. در این رساله، یک سلول لایه نازک cigs مدل سازی شده است که مشخصات سلول با داده های تجربی سلول ساخته شده در آزمایشگاه ملی انرژی های تجدید پذیر آمریکا مطابقت دارد. این ساختار متداول، مبنای طراحی ساختارهای نوین در جهت افزایش بازدهی شده است. فرآیند بازترکیب در سلول های خورشیدی برای فوتون های با طول موج بلند پارامتر مهمی است. در این ساختارها برای جداسازی حامل های ناشی از فوتون های با طول موج بلند، می توان از یک (یا دو) میدان الکتریکی کمکی در لایه جاذب استفاده کرد. میدان کمکی ایجاد شده به صورت سدی در باند هدایت ظاهر می شود که"بازتابنده الکترون" نامیده می شود. در این پایان نامه، روش های مختلفی برای ایجاد بازتابنده الکترون پیشنهاد شده است. پیاده سازی این روش ها منجر به ایجاد ساختارهای چند لایه ای می شود. با طراحی ساختارهای چندلایه ای همگون، بازدهی سلول های cigs، 5/3 درصد بهبود یافته اند. با طراحی ساختارهای چندلایه ای ناهمگون، بسته به چگالی حفره ها در لایه cigs، بازدهی سلول در مقایسه با سلول متداول cigs ، 2-8 درصد افزایش یافته است. علاوه بر این، کلیه مراحل ساخت سلول های طراحی شده، نیز بررسی شده و مشکلاتی که در فرایند ساخت، احتمال رخ داد آن وجود دارد، بیان شده و راهکارهایی برای رفع آن ارائه گردیده است. شکاف باند انرژی بزرگ zn(o,s)و انعطاف پذیری آن در ایجاد پیوندی مناسب با همه انواعcigs ، موجب شده است که این نیمه هادی در سلول های cigs، جایگزین cds شود. با بررسی فیزیکی تاثیر پارامترهای zn(o,s)بر روی مشخصه سلول، محدودیت-های سلول جبران شده است. با افزایش غلظت عنصر ایندیوم در لایه بافر zn(o,s)، گستره غلظت اکسیژن را که در آن بازدهی سلول بیشینه می شود، از50-75% به 30-90% گسترش یافته است. در سلول های zn(o,s)/cigs به طراحی ساختاری به نام "سوق دهنده الکترون" پرداخته شده است که در آن، جمع آوری الکترون ها بهبود یافته و موجب افزایش بازدهی می گردد. عناوین اصلی که در این رساله پوشش داده می شود شامل: 1) بررسی تاثیر عناصر تشکیل دهنده cigs بر روی عملکرد سلول 2) طراحی سلولcigs با 5/3% افزایش بازدهی 3) طراحی سلول های چند لایه ای با 3 % افزایش بازدهی همراه با کاهش ضخامتcigs به منظور کاهش قیمت 4) استفاده از zn(o,s) به جای cds در سلول های cigs 5) طراحی ساختار "سوق دهنده الکترون"

موضوع این رساله در زمینه آنالیز و طراحی سلول های خورشیدی لایه نازک cds/cdte با بازدهی بالا می باشد. در فصل اول، به مروری از انرژی های تجدیدپذیر، به ویژه انرژی فوتوگرمایی و انرژی فوتوولتایی نور خورشید و نسل های اول تا سوم سلول های خورشیدی فوتوولتایی پرداخته شده است. در این فصل، بازدهی، مزایا، و معایب هر یک از این نسل ها به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. در فصل دوم، ساختار سلول های خورشیدی cds/cdte به طور کامل مورد بررسی قرار گرفته است. در این فصل به تعریف پارامترها و روش های مختلف لایه نشانی این نوع سلول ها پرداخته شده است. هم-چنین، به مرور جامعی از تحقیقات صورت گرفته توسط محققان دیگر که در زمینه افزایش بازدهی سلول های خورشیدی cds/cdte صورت گرفته است، پرداخته شده است. در فصل سوم تا پنجم، کارهای انجام گرفته در این رساله ارائه شده است. در ابتدا، یک ساختار تجربی در نظر گرفته شد و با استفاده از نرم افزار سیلواکو و پارامترهای عملی، نتایج تجربی با درصد خطای کمی به دست آورده شد. بنابراین انتظار می رود هرگونه بهبود در ساختار شبیه سازی شده، در عمل نیز تا حد زیادی قابل حصول باشد. سپس در این ساختار از استراتژی ناخالص سازی پله ای در لایه جذب کننده استفاده گردید؛ که نتیجه این امر، ایجاد یک میدان الکتریکی داخلی در لایه جذب کننده و عبور سریع تر حامل ها از این لایه می باشد. در نتیجه این عمل، بازترکیب کاهش و بازدهی افزایش می یابد. در ادامه، از یک لایه سپر میدان پشتی (bsf) در انتهای سلول استفاده گردید؛ که نتیجه این عمل، برگشت الکترون ها از فصل مشترک cdte/znte می باشد؛ که در نتیجه، بازترکیب در انتهای سلول کاهش پیدا کرده و بازدهی افزایش می یابد. در ادامه، ضخامت cdte کاهش و ضخامت لایه znte افزایش داده شد تا از جذب این لایه در خارج از بازه طول موجی در منحنی بازدهی کوانتومی سلول خورشیدی نیز استفاده شود؛ ضمن این که همزمان از استراتژی ناخالص سازی پله ای نیز استفاده گردید. سپس طول عمر حامل های اقلیت در لایه جذب کننده تغییر داده شد و اثرات آن بر روی پارامترهای سلول بررسی گردید. در این بخش، با استفاده از استراتژی ناخالص سازی پله ای، بهینه سازی ساختار و تغییر طول عمر حامل ها، بازدهی سلول تا 5/85 درصد افزایش پیدا کرد. در ادامه، جهت استفاده از آرایش سلول به صورت فوق نازک، از مرجع دیگری استفاده گردید. به این صورت که لایه cdte تا حد امکان نازک در نظر گرفته شد و سپس از یک لایه znte نازک به عنوان bsf در انتهای سلول جهت برگشت حامل ها به عقب استفاده گردید. در ادامه، یک بازتاب دهنده براگ توزیع شده (dbr) طراحی گردید که دارای انعکاس بسیار بالا و جذب بسیار پایین در بازه طول موجی در منحنی بازدهی کوانتومی سلول بود. نتیجه کاربرد dbr در انتهای سلول، کاهش تلفات جذب ذاتی در اتصال پشتی و برگشت دوباره نور به داخل سلول جهت تولید حامل می باشد. سپس همانند قبل، طول عمر حامل ها در لایه جذب کننده تغییر داده شد. با استفاده از استراتژی های مختلف جهت بهبود بازدهی سلول خورشیدی cds/cdte در این بخش، بازدهی تا 6/02 درصد افزایش پیدا کرد.

لایه های نازک اکسید قلع با ناخالصی فلوئور به روش اسپری پایرولیزیز جایگذاری شدند. نمونه ها با پارامترهایی نظیر: نسبت وزنی مختلف، دمای جایگذاری مختلف، مولاریته محلول مختلف تهیه شدند.برای مورد اول، نسبت وزنی فلوئور به قلع(f/sn) با گام های 0/05 از 0 تا 0/3 تغییر نمود. برای موارد بعدی نمونه با نسبت وزنی 0/05: f/sn در سه دمای متفاوت و سه مولاریته متفاوت جایگذاری شد طیف پراش پرتو x برای4 نمونهبا نسبت وزنی 0/3 ،0/25 ،0/05 ،0 : f/sn گرفته شد. برسی طیفxrd، ساختار تتراگونال (فاز کسیترایت) را برای این نمونه ها نشان داده است. تصویربرداری sem برای نمونه با نسبت وزنی 0/05: f/sn انجام شد. از برسی تصویر sem، اندازه دانه ها برای این نمونه در حدnm 100-70 تخمین زده شد.از اندازه گیری مقاومت سطحی نمونه ها مشخص گردید که به استثنای نمونه 0/05: f/sn، با افزایش غلظت ناخالصی فلوئور مقاومت الکتریکی نیز روندی کاهشی دارد. برسی اثر حسگری لایه ها نشان داد که از بین تمام نمونه ها، نمونه 0/05: f/sn و دمای جایگذاری 470 و مولاریته محلول m 0.05,بهترین حساسیت را نسبت به ppm 2000 گاز هیدروژن دارد.

لایه های نازک اکسید روی دارای خواص نیم رسانایی، نوررسانایی، پاییزوالکتریکی می باشد. آنها دارای هدایت الکتریکی و شفافیت اپتیکی بالا در ناحیه مریی، ضریب دی الکتریکی بالا، شکاف انرژی ممنوع بالا، اپتیک غیرخطی بالا و ضرایب پاییزوالکتریکی، صوتی - نوری و الکترواپتیکی بالا می باشد. به واسطه دارابودن این خواص و قیمت پایین، لایه های اکسید روی در ساخت قطعات موج صوتی سطحی (saw)، بسیاری از قطعات الکترواپتیکی، اپتیک تجمعی، حسگرهای گاز، حسگرهای فشار و سلولهای خورشیدی فوتوولتایی به کار برده شده اند. لایه های اکسید روی را می توان به چندین روش لایه نشانی معمول تهیه نمود. اما روشهای اسپاترینگ (برای کاربردهای کیفیت بالا) و لایه نشانی بخار شیمیایی آلی فلزی (mocvd) و تجزیه حرارتی اسپری (برای سادگی و قیمت پایین) بیشتر مورد استفاده قرار گرفته اند. در این پایان نامه، ابتدا کاربردهای مختلف ، روشهای لایه نشانی مختلف و خواص (ساختاری، الکتریکی و اپتیکی) لایه های نازک zno مرور شده است . چون یکی از مهمترین ویژگیهای لایه های zno کاربرد آنها را بعنوان پوششهای هادی شفاف است ، کار عملی انجام شده در این پروژه در مورد همین ویژگیها می باشد. اثر پارامترهای جایگذاری بر روی هدایت الکتریکی و شفافیت اپتیکی این لایه ها نیز مورد بررسی قرار گرفته است . در فصل ششم، گزارشی در مورد تهیه لایه های هادی شفاف zno که به روشهای تبخیر حرارتی و اسپری پایرولیزیز تهیه شده اند، داده شده است . در روش تبخیر حرارتی اثر پارامترهای جایگذاری و همچنین برنامه حرارتی پس از جایگذاری لایه در هوا و در خلاء مورد مطالعه قرار گرفته است . در روش اسپری پایرولیزیز، اثر ترکیب محلول اسپری، ضخامت لایه (حجم محلول اسپری شده)، غلظت ناخالص دهنده و دمای زیر لایه (در ضمن جایگذاری لایه) بر روی مقاومت سطحی و شفافیت لایه ها مورد بررسی قرار گرفته است . تمام پارامترهای جایگذاری در دو روش بالا بهینه سازی شدند. نتایج نهایی بدست آمده کاملا قابل مقایسه با نتایج گزارش شده به وسیله محققین دیگر بودند.

با توجه به پیشرفتهای روزافزون تکنولوژی نیمه هادیها و مدارهای تجمعی اهمیت اتصالات فلز - نیمه هادی روز به روز بیشتر می شود. با توجه به سابقه طوللانی تحقیق در زمینه پیوندهای فلز - نیمه هادی، مطالعات زیادی در دهه اخیر صورت گرفته است که نشاندهنده اهمیت کاربردی آنها در تکنولوژی جدید قطعات نیمه هادی می باشد. در این پروژه سعی شده تمام نظریه های اصلی، در مورد پیوندهای فلز - نیمه هادی با توجه به روند تاریخی آنها ارائه شده و نقایص هر نظریه مشخص شود. به طور کلی در سه فصل اول فیزیک پیوندهای سد شاتکی که خاصیت یکسوسازی دارند به تفصیل مورد بحث قرار گرفته اند. در فصل چهارم اهمیت و نقش حالتهای سطحی با بیانی دقیقتر برای پیوندهای فلز - نیمه هادی و مراحل ساخت دیودهای سد شاتکی آورده شده است . در فصل ششم کاربردهای متنوع پیوند فلز - نیمه هادی سد شاتکی شرح داده شده و در فصل هفتم نتایج کارهای انجام شده در این پروژه ارائه شده است .

باتوجه به امکانات موجود، نتایج به دست آمده بسیار مثبت و رضایتبخش بوده است . برای انجام اکسیداسیون و تحقیق در زمینهء آهنگ اکسیداسیون و تاثیر دقیق عوامل مختلف بر روی آن احتیاج به یک کورهء اکسیداسیون مدرن دارد. کوره در دسترس برای این پروژه، فقط در یک دمای خاص (115 درجه سانتیگراد) کار می کرد (برای دماهای دیگر ضروری بود که دما در تمام نقاط داخل کوره به منظور به دست آوردن نیمرخ دمای اکسیداسیون اندازه گیری شود، چون سیستم کنترل کوره دقیق نبود)، لذا نتوانستیم به طور تجربی تاثیر تمام عوامل موثر را با نتایج حاصل از شبیه سازی مقایسه شده است (که توافق خوبی بین آنها مشاهده می شود) . باتوجه به این که سیستم هدایت و کنترل عوامل اکسید کننده در کورهء موجود در دانشگاه صنعتی شریف از اجزاء کورهء اکسیداسیون بیرلک نبوده و در بخش مواد و ساخت قطعات الکترونیک جهاد دانشگاهی صنعتی شریف طراحی و ساخته شده است ، پیشنهاد می شود که با خرید لوله کوارتز و ساخت سیستم هدایت و کنترل عوامل اکسید کننده شکل (6-2-3) برای کورهء موجود در دانشکدهء علوم دانشگاه مشهد، این کوره راه اندازی و برای تحقیق در زمینهء تاثیر عوامل مختلف روی آهنگ اکسیداسیون (و آزمایشات مشابه) مورد استفاده قرار گیرد. در ادامهء تحقیق بر روی فرآیندها و ادغام فرآینداکسیداسیون و فوتولیتوگرافی بر روی ویفرهای اکسید شده، دریچه های لازم جهت وارد کردن ناخالصی به داخل سیلیکون باز شود. لازم به ذکر است که در مورد فرآیند فوتولیتوگرافی در آزمایشگاه تحقیقاتی میکروالکترونیک (در بخش فیزیک) تحقیقات مبسوطی صورت گرفته و تجربیات زیادی حاصل شده است .

فرآیند لیتوگرافی، یکی از اساسی ترین و پرهزینه ترین مراحل در ساخت مدارهای تجمعی است . در مقایسه با سایر فرآیندهای ساخت مدارهای تجسمی مثل : اکسیداسیون، ناخالص سازی و فلزگذاری که تحقیقاتی هم در زمینه شبیه سازی کامپیوتری این فرآیندها و هم در زمینه آزمایش عملی آنها با تکنیک های موجود در کشور انجام پذیرفته است ، در مورد لیتوگرافی هیچ تحقیق سازمان یافته و مشخصی که به جزئیات این فرآیند بپردازد، انجام نپذیرفته است . هدف ما در این رساله گردآوری اطلاعات دقیق راجع به فرآیند لیتوگرافی و روشهای عملی انجام آن می باشد. در این راستا سعی شده است که تکنیک هایی که بیشترین سازگاری را با تکنولوژی موجود در کشور دارند . به طور کامل مورد بررسی قرار گیرند و در انتهای آزمایشات عملی که با استفاده از تکنولوژی در دسترس انجام پذیرفته است و نتایج حاصله ذکر گردیده است . امید داریم که مجموعه حاضر بتواند به عنوان نقطه شروعی در تحقیقات گسترده تر بعدی مورد استفاده محققین و دانش پژوهان کشورمان قرار گیرد.

مدارهای تجمعی قلب سیستمهای الکترونیکی را تشکیل می دهند. با توجه به اینکه تمامی علوم و تکنولوژی های پیشرفته وابسته به تکنولوژی الکترونیک هستند، لذا کشوری که قادر به طراحی و ساخت مدارهای تجمعی مورد نیاز خود نباشد، اساسا وابسته به کشورهای دیگر است . گرچه با توجه به پیشرفتهای عظیمی که در این رشته صورت گرفته، ورود کشور ما به صحنه تکنولوژی ساخت مدارهای تجمعی تا حدودی دیر است ، اما با یک برنامه ریزی اصولی و سرمایه گذاری مناسب ، هنوز هم می توان به رشد چشمگیری در این زمینه دست یافته و حداقل نیازهای داخلی نظامی و صنایع کشور را برطرف ساخت . اولین گام در این راستا، شروع تحقیق و بررسی در زمینه فرایندهای ساخت مدارهای تجمعی می باشد، به همین منظور پروژه ای در دانشگاه مشهد تحت عنوان "فرایندهای ساخت مدارهای تجمعی سیلکیون" شروع شده که در رساله حاضر در بخش مطالعات نظری فرایند ناخالص سازی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته و در بخش کارهای عملی فرایندهای اصلی ساخت مدارهای تجمعی mos (در مقیاس بزرگ)، انجام شده است . در فصل اول به طور خلاصه فرایندهای اصلی ساخت مدارهای تجمعی سیلیکون را مرور می کنیم. مهمترین روشهای ناخالص سازی سیلیکون در فصل دوم معرفی می گردند. روشهای ناخالص سازی سیلیکون بعد از رشد، یعنی پخش حالت جامد و یونکاری، به ترتیب در فصلهای سوم و چهارم مورد مطالعه قرار می گیرند، در فصل چهارم علاوه بر بررسی فرایند یونکاری، نتایج کار بر روی برنامه شبیه سازی فرایند یونکاری نیز ارائه می شود. در فصل پنجم، روشهای اندازه گیری توزیع ناخالصی های نوع n و p در سیلیکون معرفی می گردند. در فصل ششم گزارش کارهای عملی ارائه می شود، مطالب این فصل از چهار قسمت تشکیل شده است : الف - انجام فرایندهای اصلی ساخت مدارهای تجمعی: با انجام فرایندهای پخش ناخالصی، اکسیداسیون حرارتی، فوتولیتوگرافی و فلزگذاری، شرایط بهینه جهت انجام هر یک از این فرایندها به صورت قابل تکرار تعیین شد. ب - اندازه گیری تراکم ناخالصی ویفرهای سیلیکون: ابزاری برای انجام آزمایش چهارسوزنی ساخته شد که به راحتی به وسیله آن می توان تراکم ناخالصی و نوع رسانندگی ویفرهای سیلیکون را تعیین نمود. ج- ساخت چند قطعه الکترونیکی: با استفاده از فرایندهای ساخت مدارهای تجمعی سیلیکون چند قطعه الکترونیکی از قبیل دیود پیوند p-n، سلول خورشیدی پیوندp-n و ترانزیستور mos ساخته شده و مشخصه های جریان - ولتاژ آنها اندازه گیری شد که نتایج حاصله به خوبی کارکرد صحیح این قطعات را نشان می دهد. د- برنامه کامپیوتری: به منظور انجام محاسبات مربوط به پخش ناخالصی و اکسیداسیون حرارتی یک برنامه کامپیوتری نوشته شد که با استفاده از آن می توان علاوه بر محاسبه عمق پیوندگاه p-n و ضخامت لایه اکسید، توزیع ناخالصیها را نیز پیش بینی نمود.