Schválené projekty 2017

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2017

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 54 573 242 Kč

Z toho 2.5% - 1 364 331 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakulta přidělená částka v Kč
FBI  1 210 137
EKF  3 929 534
FAST  2 465 732
FS  9 344 630
FEI 13 996 004
HGF  5 272 251
FMMI  7 123 785
VC  8 743 333
CP  1 123 505
CELKEM 53 208 911

KódSP2017/99
Název projektuVývoj optických modelů pro trasování depozičních procesů při výrobě solárních článků
ŘešitelMrázková Zuzana Ing., Ph.D.
Školitel projektudoc. Dr. Mgr. Kamil Postava<br />
Období řešení projektu01.01.2017 - 31.12.2017
Předmět výzkumuProjekt navazuje na úspěšnou spolupráci [1,2] s Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces (LPICM), CNRS, École Polytechnique, Université Paris-Saclay, která je předním francouzským výzkumným pracovištěm v problematice fotovoltaiky.

Solární články s radiálním polovodičovým přechodem na bázi nanodrátků představují atraktivní alternativu ke konvenčním fotovoltaickým zařízením. Jejich výhodou je zvýšení účinnosti navázání světla do struktury díky light-trapping efektu nanodrátků, ale zejména rozdělení směru, ve kterém dochází k absorpci světla, od směru kolekce volných nosičů náboje vytvořených absorpcí světelných fotonů [3]. Toto umožňuje snížení tloušťky aktivní vrstvy a vede k výrazným úsporám materiálu i výrobních nákladů.

V LPICM vyrábějí křemíkové nanodrátky (SiNWs) metodou vapor-liquid-solid (VLS) [4]. Na substrát je nejprve pomocí evaporace nanesena vrstva kovového prekurzoru typicky v tloušťce několika nanometrů. Z tohoto prekurzoru jsou poté v reaktoru pro plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) pomocí vodíkového plazmatu a zvýšené teploty vytvořeny kapky, které slouží jako katalyzátor pro růst křemíkových nanodrátků s náhodnou orientací. Jako zdroj křemíku se nejčastěji používá plynný silan (SiH4), který je v prostředí H2 plazmatu rozkládán a křemík se přes kovové kapky katalyzátoru deponuje na substrát a docházi k růstu nanodrátků. Během depozice se podle požadavků mohou zavádět dopovací plyny jako trimethylboron (TMB), nebo fosfan (PH3). Následně se přes vyrobené nanodrátky nanáší pomocí PECVD metody vrstvy intrinsického a dopovaného hydrogenovaného amorfního křemíku (a-Si:H), aby se dokončil kompletní PIN radiální polovodičový přechod. Výhodou je, že celý depoziční proces probíhá při teplotách do 400 °C, což šetří energii i výrobní náklady a navíc umožňuje použití levných (sklo) a/nebo pružných substrátů (kovové, plastové folie). Díky tomu skýtají solární články na bázi nanodrátků velký potenciál a mohou najít uplatnění v celé řadě aplikací (pružné a ohebné solární panely, levné solární minimoduly).

Pro úspěšnou výrobu kvalitních solárních článků je klíčové přesné řízení depozice jednotlivých materiálů. In-situ optická charakterizace je vhodným nástrojem pro sledování průběhu depozice, protože je rychlá, nedestruktivní a kompatibilní s výrobním zařízením. Spektroskopická elipsometrie se s výhodou používá pro in-situ sledování růstu amorfních a mikrokrystalických křemíkových vrstev [1,5,6]. Její využití pro charakterizaci růstu vzorků tak složitých jako jsou nanodrátky je však daleko náročnější. I přesto se nám v nedávné době podařilo dokázat, že je to možné [7].

Tímto projektem navazujeme na naši předchozí práci a chceme se zaměřit na podrobnější studium možností využití in-situ spektroskopické elipsometrie pro řízení depozičních procesů během přípravy křemíkových nanodrátků a solárních článků na jejich bázi.

[1] Z. Mrázková, A. Torres-Rios, R. Ruggeri, M. Foldyna, K. Postava, J. Pištora, and P. Roca i Cabarrocas, “In-situ spectroscopic ellipsometry of microcrystalline silicon deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition on flexible Fe–Ni alloy substrate for photovoltaic applications,” Thin Solid Films, vol. 571, pp. 749–755, 2014.
[2] T. Kohut, K. Postava, Z. Mrazkova, M. Foldyna, P. Roca i Cabarrocas, M. Mičica, and J. Pištora “Modeling of Mueller Matrix Response from Diffracting Structures,” J. Nanosci. Nanotechnol., vol. 16, no. 8, pp. 7805–7809, 2016.
[3] S. Misra, L. Yu, M. Foldyna, and P. R. i Cabarrocas, “High efficiency and stable hydrogenated amorphous silicon radial junction solar cells built on VLS-grown silicon nanowires,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 118, pp. 90–95, 2013.
[4] S. Misra, L. Yu, W. Chen, and P. Roca i Cabarrocas, “Wetting Layer: The Key Player in Plasma-Assisted Silicon Nanowire Growth Mediated by Tin,” J. Phys. Chem. C, vol. 117, no. 34, pp. 17786–17790, Aug. 2013.
[5] S. Kumar, B. Drevillon, and C. Godet, “Insitu spectroscopic ellipsometry study of the growth of microcrystalline silicon,” J. Appl. Phys., vol. 60, no. 4, pp. 1542–1544, 1986.
[6] N. Layadi, P. R. i Cabarrocas, B. Drévillon, and I. Solomon, “Real-time spectroscopic ellipsometry study of the growth of amorphous and microcrystalline silicon thin films prepared by alternating silicon deposition and hydrogen plasma treatment,” Phys. Rev. B, vol. 52, no. 7, p. 5136, 1995.
[7] Z. Mrazkova, M. Foldyna, S. Misra, M. Al-Ghzaiwat, K. Postava, J. Pištora, and P. Roca i Cabarrocas, “In-situ Mueller matrix ellipsometry of silicon nanowires grown by plasma enhanced vapor-liquid-solid method for radial junction solar cells,” Applied Surface Science (submitted).

Členové řešitelského týmuIng. Tomáš Kohut
Ing. Zuzana Mrázková, Ph.D.
doc. Dr. Mgr. Kamil Postava
Michal Vrána
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cílem projektu je vyvinutí monitorovacích metod a postupů umožňujících řízení depozičních procesů při výrobě solárních článků na bázi křemíkových nanodrátků. Stěžejní je vývoj pokročilých optických modelů, které umožní trasování jednotlivých fází depozice na základně sledování klíčových parametrů v reálném čase.

Pro dosažení cíle je třeba uskutečnit následující kroky (časový harmonogram):

leden - únor
• podrobné prostudování jednotlivých fází depozičního procesu (evaporace kovového prekurzoru, příprava kovových kapek pomocí H2 plazmatu, růst p-dopovaných křemíkových nanodrátků, depozice intrinsické a-Si:H vrstvy, zahřívání a chlazení vzorku), depozičmích podmínek (teploty, tlaky, průtoky plynů, délka trvání jednotlivých výrobních kroků) a vlastností použitých materiálů (použité substráty, ZnO:Al, ITO, FTO, Sn, a-Si:H)
• spektroskopická elipsometrická měření referenčních vzorků pro určení optických konstant použitých materiálů

březen - květen
• analýza souborů in-situ ellipsometrických dat získaných během přípravy nanodrátků ve spolupráci s LPICM a identifikace klíčových změn optických funkcí charakteristických pro jednotlivé fáze výrobního procesu, posouzení opakovatelnosti, analýza vlivu depozčních podmínek na optickou odezvu a morfologii připravovaných vzorků

červen - září
• vývoj pokročilých optických modelů pro modelování komplexní struktury studovaných vzorků
• podrobná studie a fitování elipsometrických dat měřených in-situ během jednotlivých fází procesu přípravy nanodrátků se zaměřením na získání bližších informací o struktuře a geometrii vzorků
• porovnání získaných parametrů s výsledky transmisní a skenovací elektronové mikroskopie

říjen - prosinec
• určení klíčových parametrů umožňujících trasování depozičních procesů, vývoj metodiky pro řízení depozice pomocí in-situ spektrální elipsometrie
• publikace dosažených výsledků

Plánované výsledky a výstupy z projektu:
1) vyvinutí pokročilých optických modelů pro modelování růstu nanodrátků
2) vyvinutí metodiky pro řízení depozičních procesů pomocí in-situ spektrální elipsometrie
3) publikace dosažených výsledků a výpočetních postupů v mezinárodních impaktovaných vědeckých časopisech
4) prezentace výsledků na mezinárodních konferencích a v rámci seminářů LPICM, CNRS, École Polytechnique, Université Paris-Saclay ve Francii

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia48000,-48000,-
3. Materiálové náklady40000,-6270,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek0,-0,-
5. Služby20000,-49650,-
6. Cestovní náhrady36000,-40080,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory16000,-16000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady160000,-
Uznané náklady160000,-
Celkem běžné finanční prostředky160000,-160000,-