Growth of oxide thin films for energy devices by Pulsed Electron Deposition

Abstract

In questa tesi un rapido excursus sulla situazione di produzione e consumo di energia a livello globale introduce gli argomenti studiati in questi tre anni. Visto il crescente consumo di fonti fossili di combustibili, il loro progressivo esaurirsi e il continuo aumento di emissioni di gas serra, è necessaria una più efficiente produzione di energia, associata ad un suo uso più consapevole. Il mio lavoro si inserisce proprio nello studio di nuovi materiali e nuove soluzioni per affrontare questo problema. I campi in cui ci siamo inseriti come laboratorio di ricerca sono 2: uno basato su materiali superconduttori ad alta temperatura critica (YBCO) e l’altro basto su semiconduttori per applicazioni nel fotovoltaico (CIGS). Sul primo materiale si basano i cosiddetti Coated Conductors (HTS-CC), ovvero dei nastri metallici ricoperti con diversi strati di ossidi ed infine con lo strato superconduttore che permettono, a basse temperature (attorno ai 100 K), di trasportare corrente senza opporre alcuna resistenza elettrica. Una loro maggiore diffusione permetterebbe un minore spreco di energia durante il trasporto e la possibilità di realizzare dispositivi più efficienti per la produzione di energia elettrica. Essi però presentano diversi problemi e principalmente l’alto costo di produzione. I semiconduttori per lo sfruttamento dell’energia solare sono diversi e la produzione industriale è già matura per molti di essi. Le efficienze però risultano ancora scarse e anche in questo caso i costi non appaiono alla portata di tutti. Nel nostro laboratorio abbiamo quindi cercato di superare questi problemi. Per i superconduttori abbiamo ideato una nuova architettura a singolo buffer layer per semplificare la produzione diminuendone i costi. Questo ci ha portato a sperimentare come materiale base l’ossido di Cerio che drogato opportunamente con Sm, Yb, Zr e Ta depositandolo su nastri metallici di Ni-W tramite evaporazione da cannone elettronico e Pulsed Electron Deposition (PED). Il drogaggio e l’uso della tecnica PED hanno notevolmente migliorato le sue proprietà strutturali e meccaniche permettendo di sostituire con un solo film una serie di altri strati utilizzati finora. Lo strato di YBCO depositato sui nostri singoli strati buffer ha mostrato notevoli proprietà strutturali di trasporto di energia elettrica. In parallelo, diversi esperimenti sono stati eseguiti per preparare via PED ossidi conduttivi trasparenti come strati finestra ad alta efficienza (trasparenza oltre il 90% e resistività nell’ordine di 10-4 Ohm*cm) per celle fotovoltaiche. In un secondo momento sono state eseguite anche alcune deposizioni di CIGS in vista della realizzazione di celle fotovoltaiche completamente basate sulla nuova tecnica PED. Proseguendo i test su questa strada, sarà presto possibile ottenere celle solari a maggiore efficienza e nastri superconduttori che potranno sostituire il rame e le perdite di energia connesse. Il tutto nell’ottica di un miglioramento a livello globale della qualità della vita e dell’uso dell’energia.

In this Thesis, the worldwide situation about energy consumption and production is presented and some solution based on superconductor (YBCO) and semiconductor (CIGS) materials have been studied. The former can be used to reduce electrical waste and to enhance the efficiency of electrical generators using HTS-CC. The latter are the base for second generation of PV solar cell devices. However both devices present several issues, in particular high production costs. In order to reduce these problems, we studied a single buffer layer architecture to substitute the complex and multi-buffer layer structure in use. We investigated the structural properties of Yb-, Sm-, Zr- and Ta-doped CeO2 layers deposited by e-beam evaporation and by Pulsed Electron Deposition (PED) on cube-textured Ni-W substrates. We found that doping can significantly improve the mechanical resistance of the buffer layer. Best results were obtained in Yb45%- and 15%Zr-doped CeO2 layers where no cracks were detected in films up to the thickness of 700 nm. This represents a major progress as compared to the maximum thickness of 100 nm found in pure CeO2 layers, which enables to completely eliminate any atomic diffusion from the substrate. In addition, such doped buffer layers do not affect the excellent structural and superconducting properties of the YBCO films obtained previously, using undoped layers. YBCO deposited on these single buffer layers by TCE and PLD shows high electrical an structural properties. In parallel we investigated ZnO-based materials as suitable TCO thin film for 2nd generation solar cells. Remarkable and reproducible results have been obtained for PED-grown Al-doped ZnO thin films with an optical transmittance higher than 90% and resistivity value in the order of 10-4 Ohm*cm. In addition, some deposition of CIGS have been performed in view of an all-PED thin films solar cell growth. Preliminary results show the goodness of the choice of PED for depositing CIGS thin films beacuse it is clear that the generally applied "selenization step" can be avoided. The materials studied in these three years seem to be very promising to enhance the renewable resources use realizing more efficient devices for electrical energy production and transport.