A
دانشکده برق و کامپیوتر
عنوان:
بررسی فرآیندهای تولید برخی ادوات اپتوالکترونیک
(سلول خورشیدی و فیبر نوری)
فهرست
1- سلول های خورشیدی 2
1-1- تکنولوژی ساخت سلول خورشیدی 2
1-1-1- ویفر 2
1-1-2- از بین بردن اثر اره 4
1-1-3- بافت دهی 5
1-1-4- پاکسازی 6
1-1-3 تشکیل پیوند 6
1-1-4- غیر فعال کردن سطح و پوشش ضد انعکاس 8
1-1-5- ایجاد اتصالات 8
2- فیبر نوری 13
2-1- معرفی فیبر نوری 13
2-2- تولید فیبرهای نوری 14
2-2-1- فیبرهای شیشه ای 15
2-2-2- شیشه فعال 15
2-2-3- فیبرهای نوری پلاستیکی 15
2-2-4- فیبرهای کریستالی فتونیک 15
2-3- مراحل تولید فیبر نوری 16
2-3-1- ایجاد پیش سازه 17
2-3-2- کشیدن پیش سازه 23
2-3-3- پوشش 25
خلاصه 26
منابع و مآخذ 27
مقدمه
استفاده از نور در صنعت الکترونیک به دلیل مزایای زیاد آن رو به گسترش است. بخشی از مطالعات متوجه استفاده از منبع بی کران خورشید برای تولید انرژی است که به دلیل مزایای بسیار مطالعه روی سلول های خورشیدی اهمیت خاصی یافته است.
همچنین در بحث انتقال سیگنال، به دلیل مزایای بسیار فیبرهای نوری در مقایسه با کابل های مسی مطالعه بر روی بهبود عملکرد و مشخصات و بهبود تکنولوژی ساخت آن افزایش چشمگیری یافته است. در ادامه به بررسی تکنولوژی ساخت این دو محصول می پردازیم.
1- سلول های خورشیدی
مقدار انرژی که خورشید در یک ساعت به زمین می دهد به اندازه مصرف انرژی یک سال زمینیان است. سلول های خورشیدی برای تبدیل این انرژی به الکتریسیته از خاصیت فتو ولتاییک بهره می برند.[3]
پدیده فوتو ولتاییک: برخی از مواد پس از دریافت انرژی یک پرتو نور در یک فرکانس مشخص که به آن فرکانس آستانه گفته می شود، الکترون منتشر می کنند. فاصله زمانی میان تابش پرتو نور و گسیل الکترون کمتر از 10 نانو ثانیه است.[7]
1-1- تکنولوژی ساخت سلول خورشیدی
از مواد مورد استفاده معمول برای ساخت سلول های خورشیدی می توان به CuInSe2 ، Si کریستالی یا آمورف، GaAs، CdTe اشاره کرد.[7]
در مقایسه با دیگر انواع سیلیکون، سیلیکون تک کریستال بازدهی بهتر و عمر بالاتری دارد. مراحل تولید یک سلول خورشیدی در ادامه می آید:
1-1-1- ویفر
شکل ویفر برای ساخت سلول خورشیدی باید مربعی با لبه های گرد شده باشد. اندازه قطر این ویفرها در حدود 100 تا 150 میلیمتر است.ویژگی های ویفر تولید شده در جدول زیر خلاصه شده است:
پارامتر
مقدار( میکرومتر)
حداکثر خطای ضخامت
50
ترک
1000
اثر اره
10>
فرورفتگی و برآمدگی کلی1
50>
جدول 1-1- مشخصات کلی یک ویفر تولید شده برای تولید سلول خورشیدی. برگرفته از جدول 2 فصل IB-2 مرجع 2
برای تولید شمش تک کریستال از روش های مرسوم CZ و FZ استفاده می شود. همچنین تولید ویفر چند کریستالی نیز در کوره های ویژه ای انجام می گیرد. در این کوره ها سیلیکون در ستونهای بزرگ چند سانتی متری با ارتفاعی در حدود 25 سانتی متر رشد داده می شود.
شکل – کوره رشد سیلیکون چندکریستال
سلول های خورشیدی بر روی روبان های سیلیکون
استفاده از نوارهای سیلیکون باعث کاهش هزینه بسیار می شود. چون نیاز به فرآیندهای تولید کریستال سیلیکون و نیاز به قطعه قطعه کردن سیلیکون را هم از بین می برند. فرآیند EFG2 برای رشد نواری سیلیکون را می توان این طور توضیح داد: سیلیکون مذاب دارای کشش سطحی در حدود 10 برابر آب است. وقتی سیلیکون مذاب با روشی که از این کشش سطحی استفاده می کند در تماس با دو قطعه 3گرافیتی با فاصله کم قرار می گیرد فاصله نازک قطعه کاملا به خاطر اثر مویینگی با سیلیکون پر می شود و وقتی با بالا کشیدن آن جامد شدن اتفاق می افتد می توانیم به زیرپایه های نواری مناسب برای تولید سلول خورشیدی دست یابیم.
طول تکه های کریستالی4 در این سیلیکون چند کریستاله به چند سانتی متر هم می رسند. به عنوان روشی برای بالا بردن بازدهی از یک لوله توخالی هشت وجهی گرافیتی برای رشد دادن کریستال استفاده می شود. که این هشت ضلع با استفاده از لیزر از هم جدا می شوند. البته استرس مکانیکی بالا و سطح ناهموار صفحات EFG استفاده از روش های استاندارد چاپ صفحه ای را دشوار می سازد. تکنولوژی دوم مبتنی بر روبان های رشته ای5 است. در این روش حدود 8 سانتی متر فضای میانگین بین دو رشته وجود دارد که جنس این دو رشته به گونه ای است که تحمل حرارت بالا را دارد. با بالا کشیدن این دو رشته بین آن ها نوار به وجود می آید. این روش نسبت به روش قبل مزیت تثبیت شدن لبه ها را به وسیله نوار دارد.[5]
الف
ب
شکل 1- 8- الف- کوره تولید سیلیکون نواری. ب- تولید سیلیکون رشته ای
1-1-2- از بین بردن اثر اره
برای تولید سلول خورشیدی از ویفر سیلیکون استفاده می شود. زیر پایه های استفاده شده حاوی لایه آسیب دیده از اثر اره در سطح هستند که باید قبل از هر کاری آنها را از بین برد. فرآیند از بین بردن این آسیب ها با زدایش قلیایی به وسیله NaOH یا KOH در دمای 80 تا 90 درجه انجام می گیرد. پس از آن شست و شو در آب عاری از هر گونه یون انجام می گیرد.
1-1-3- بافت دهی
بعد از زدایش سطح ویفر براق می شود به نحوی که در حدود 35 درصد نور ورودی را انعکاس می دهد. پس یک مرحله مهم شامل بافت دادن به سطح است تا با برگشت دادن نور شانس دوباره ای برای جذب آن فراهم شود. تلفات انعکاس در سلول های خورشیدی تجاری با بافت دهی تصادفی شیمیایی کاهش داده می شود. یک زیرپایه تک کریستال با جهت کریستالی 100 می تواند با یک فرآیند زدایش ناهمسانگرد در دمای 70 تا 80 درجه در یک محلول ضعیف از NaOH یا KOH و ایزوپروپانول بافت دهی شود. این کار سبب ایجاد هرم های رو به بالا با توزیع تصادفی روی سطح می شود. اما بافت دهی شیمیایی مشکلاتی از قبیل نداشتن کنترل روی اندازه هرم ها و وجود نواحی خالی از بافت را دارد. روش های بافت دهی همسانگرد بر اساس فتولیتوگرافی و زدایش تر به صرفه نیستند. از تکنیک های دیگری مانند زدایش با واکنش یون ها6، بافت دهی مکانیکی یا استفاده از لیزر7 هم برای باف دهی استفاده می شود. بهترین نتیجه از دید اپتیک از بافت دهی مکانیکی و زدایش با واکنش یون ها گرفته شده است.
الف
ب
شکل 1-1- الف: تصویرSEM از بافت دهی روی سطح سیلیکون. ب: اثر بافت دهی بر انعکاس نور
زیرپایه چند کریستاله به دلیل ماهیت چند کریستاله بودن، پاسخ خوبی به فرآیندهای همسانگرد نشان نمی دهد. به همین دلیل برای زیرپایه چند کریستاله از روش های مکانیکی بافت دهی استفاده می شود. بهترین روش برای بافت دهی به سطح چند کریستالی زدایش آن در ترکیب اسیدی HF و HNO3است. در هنگام حضور آسیب های اره این روش می تواند بدون حساسیت به جهت کریستالی سطح را بافت دهی کند.
1-1-4- پاکسازی
در یک فرآیند تولید سلول خورشیدی با بازدهی بالا ویفرها معمولا بعد از بافت دهی با استفاده از فرآیندهای RCA پاک می شوند. این فرآیندها شامل دو مرحله SC1 و SC2 است. مرحله اول استفاده از ترکیب NH4OH/H202/H20 برای پاکسازی ذرات ارگانیک و مرحله دوم برای از بین بردن آلوده کننده های فلزی است.
شکل1-2- پیوند P-N در یک سلول خورشیدی
1-1-3 تشکیل پیوند
ویفر سیلیکون معمولا از نوع p است که با نفوذ ناخالصی نوع n مانند فسفر می توان در آن یک پیوند تشکیل داد. در یک سلول خورشیدی به زیر پایه نوع p بیس و به لایه نفوذ داده شده نوع n، امیتر گفته می شود. بهترین پروفایل ناخالصی، پروفایلی است که نسبتا عمیق و ناخالص شده با تراکم متوسط باشد یا کم عمق با یک تراکم سطحی بالا باشد. هر دو پروفایل باید با پوشاندن سطح با اکسیدهای حرارتی با کیفیت بالا یا با لایه نشانی نیترید با PECVD همراه شوند تا تلفات بازترکیب سطح کاهش و بازدهی امیتر افزایش یابد. از طرفی هر دو تکنیک صنعتی که در تولید اتصال سطح به کار می روند، یعنی چاپ صفحه ای8 خمیر نقره9 و آبکاری الکترولس، برای به وجود آوردن یک اتصال با مقاومت قابل قبول و جلوگیری از نفوذ ناخالصی فلزی در جهت ناحیه پیوندی، به تراکم ناخالصی بالا در حدود 1020 و یک پیوند عمیق نیاز دارند. مقاومت صفحه ای10 معمول امیتر که در فرآیند متالیزاسیون چاپ صفحه به کار می رود بین 40 تا 60 اهم بر مربع است. این تراکم ناخالصی با نفوذ دادن فسفر از POCl3 مایع یا P2O5 جامد در کوره به دست می آید یا از صفحه های چاپ شده منابع فسفر چرخان یا اسپری شونده با کوره نفوذ تسمه نقاله11 استفاده می شود. یک امیتر عمیق با روکش ضعیف منجر به تلفات ولتاژ می شود.
یک راه حل، ایجاد امیتر انتخابی است به این معنا که نفوذ سنگین و عمیق زیر انگشت های اتصال انجام دهیم این کار علاوه بر کاهش مقاومت اتصال، ضریب پوشش12 آن را نیز بالا می برد و نیز باعث کاهش سهم تماس با تلفات بازترکیب در سطح رویی می شود. امیتر میان انگشت ها به خاطر تراکم پایین در روی سطح برای پاسخ فرکانسی بالا و ولتاژ مدار باز بالا بهینه شده است. کاربرد صنعتی این راه حل با توجه به ماهیت پیچیده فرایند مبتنی بر زدایش کامل یا قسمتی از امیتر محل تردید است. راه دیگر برای فرآیند امیتر انتخابی که این مشکل را ندارد بر اساس چاپ خمیر فسفر روی ناحیه اتصال برای ساختن یک امیتر عمیق است. نفوذ از این ناحیه از میان فاز گازی نفوذ نازکی در میان اتصالات را به وجود می آورد.
شکل1-3- تاثیر استفاده از روش چاپ خمیر فسفر روی ناحیه اتصال
این امیتر انتخابی یک مرحله ای بازدهی بالا را به همراه دارد. در حالی که قادر به دست یابی به بازدهی بسیار بالا نیستیم یک فرآیند همگون نازک می تواند سازش ایده الی بین اجتناب از مسایل مقاومت اهمی و بهبود پاسخ سلول باشد. تحقیق بر روی اتصالات رویی خمیر نقره و پارامترهای بهینه و فرآیند ایجاد اتصالات خوب روی امیترها با مقاومت صفحه ای در حدود 70 اهم بر مربع را ممکن می سازد. به خاطر سادگی، این روش در خطوط تولید صنعتی بیشتر به کار می رود.
1-1-4- غیر فعال کردن سطح و پوشش ضد انعکاس
بازترکیب سطح می تواند تا حد زیادی با استفاده از تکنیک های مختلف کاهش یابد. راه آزمایشگاهی آن رشد دادن یک لایه بسیار نازک از اکسید حرارتی و لایه نشانی یک پوشش دوتایی ضد انعکاس از بخار ZnS و MgF2 یا رشد یک اکسید حرارتی ضخیم در حد 110 نانومتر که هم نقش روکش فلزی سطح و هم نقش پوشش ضد انعکاس را بازی کند. این کار سرعت بازترکیب در سطح را بسته به تراکم p در سطح امیتر در واسط Si-SiO2 کاهش می دهد. کیفیت واسط میان سیلیکون و اکسیدش با یک فرآیند حرارتی در دمای پایین با گازهای فرم دهنده13 بهبود داده می شود. این فرآیندها به دلیل هزینه بالا و تعداد خروجی کم فرآیند های خلا در صنعت انجام نمی گیرند. در صنعت ضخامت اکسیژن روکش غیرفعال کننده سطح در حدود 6 تا 15 نانومتر است. این ضخامت در کنار پوشش ضد انعکاس برای یک سیستم نوری مزاحمت ایجاد نمی کند.
امروزه برای پوشش ضد انعکاس از لایه نشانی Si3N4 با روش PECVD استفاده می شود. دلیل این انتخاب امکان دسترسی به ضریب شکست بهینه و جلوگیری از بازترکیب در سطح و زیرپایه است. ضریب شکست و میزان و روکش کردن سطح وابستگی زیادی به پارامترهای لایه نشانی دارد.
1-1-5- ایجاد اتصالات
* اتصال روی سطح
این فرآیند، یکی از مهم ترین فرآیندهای تولید سلول خورشیدی است. تکنیک متالیزاسیون به کار رفته، میزان تلفات مقاومتی، پروفایل نفوذ امیتر و تراکم ناخالصی سطح و همچنین روش آبکاری سطح را تعیین می کند. سلول خورشیدی با بازدهی و مساحت بالا الکترودهایی با مقاومت سری پایین و پوشش سطح پایین نیاز دارد. دو تکنیک اساسی در ایجاد اتصالات به کار می رود: متالیزاسیون اتصال مدفون شده در شیار به وجود آمده توسط لیزر14 و فرآیندهای پیشرفته چاپ صفحه ای. از این مرحله به بعد فرآیندهای تولید از یک دیگر جدا می شوند:
o فرآیند چاپ صفحه ای
روش چاپ صفحه ای ضریب پوششی در حدود 78 % می دهد. در حدود 10% سطح سلول با خطوط باس و متالیزاسیون صفحه ای پوشیده می شود. در روش چاپ صفحه ای، ابتدا یک صفحه مشبک فولاد یا پلی استر که روی یک فریم فلزی کشیده شده است با لایه فوتو امولسیون پوشانده شده است. الگوی اتصالات جلویی به وسیله منافذی در آن تعریف می شود که با استفاده از فوتولیتوگرافی در لایه فوتو امولسیون شکل داده شده اند. خمیر نقره با یک ماله درون این منافذ در صفحه با یک فشار قابل تنظیم قرار داده می شود. سپس سلول تحت دمایی در حدود 300 درجه حرارت می بیند تا خمیر خشک شود. عرض انگشتهای اتصال چاپ شده در حدود 100 میکرومتر و فاصله آنها 2 تا 3 میلی متر است.
شکل1-4- ساختار کلی یک سلول مبتنی بر روش چاپ صفحه ای
ایده آل هر اتصال به حداقل رسیدن مقاومت آن است برای پایین آمدن مقاومت اتصالات در روش چاپ صفحه ای تکنیک امیتر انتخابی به کار گرفته می شود. در این تکنیک علاوه بر پایین آمدن مقاومت ناحیه اتصال، اجازه می دهد بقیه نواحی امیتر با همان ضخامت کم باقی بمانند.
ایجاد اتصال پشت سلول
در بسیاری از روش های صنعتی تشکیل الکترود عقب و آبکاری کردن سطح در یک مرحله با ساختن آلیاژ از خمیر آلومینیوم چاپ شده بر صفحه با سیلیکون به دست می آید. آلومینیوم در دمای 577 درجه با سیلیکون یک آلیاژ یوتکتیک15 تشکیل می دهد. در حین پخت، یک فاز مایع از آلومینیوم و سیلیکون داریم. A1-Si مذاب مانند یک سینک برای بسیاری از ناخالصی ها عمل می کند و به نوعی آنها را به دام می اندازد16. در هنگام سرد کردن، سیلیکون دوباره کریستالیزه می شود و با آلومینیوم تا میزان حد انحلال پذیری اش ناخالص می شود که لایه P+ زمینه سطحی پشت را می سازد. همچنین یک لایه نقره هم برای ایجاد امکان لحیم کاری به همین روش در پشت سلول قرار می گیرد.
انواع جدید خمیر نقره شامل افزودنی هایی است که در خلال فرآیند پخت یک انحلال انتخابی اکسید سیلیکون در لایه های پوشش ضد انعکاس را فراهم می کند که از نفوذ عمیق در زیرپایه سیلیکون جلوگیری می کند.
این امکان، استفاده از فرآیندهای بسیار ساده را برای پخت روکش کردن سطح با فلز می دهد. استفاده از امکانات جدید اتصالات را نازکتر می کند و در نتیجه فاصله بین خطوط اتصال می تواند کاهش یابد که باعث می شود بتوانیم از امیترهای با تراکم ناخالصی کمتر استفاده کنیم.
o اتصال مدفون شده در شیار به وجود آمده توسط لیزر
در مقایسه با روش چاپ صفحه ای این روش از بازدهی بیشتری برخوردار است. اما روش اول ساده تر است. در این روش پس از از بین بردن آسیب های ناشی از اره و بافت دهی، ناخالصی کمی در سطح نفوذ داده می شود. اکسید در کل سطح رشد داده می شود و پوشش ضد انعکاس نیترید کل سطح را می پوشاند. این لایه دی الکتریک نقش بسیاری در پروسه ایفا خواهد کرد. سپس شیارها به وسیله یک ماشین لیزری ایجاد می شوند البته روش های دیگری مانند روش های مکانیکی یا شیمیایی نیز می توانند استفاده شوند.
شکل 1-5- شیار ایجاد شده به وسیله لیزر
پس از پاکسازی شیارها با زدایش شیمیایی، آنها را با فسفر دوباره ناخالص می کنیم. البته تراکم ناخالصی در این مرحله بیش از قبل است. این کار در محل اتصال، ناخالصی انتخابی به وجود می آورد.
ایجاد اتصال پشت سلول
اتصال پشت سطح آلومینیوم در پشت سلول با روش هایی مثل تبخیر، کند و پاش، چاپ صفحه ای و یا روش پلاسما لایه نشانی می شود. پس از پخت آلومینیوم و زدودن اکسید، متالیزاسیون سلول با آبکاری الکترولس لایه های نیکل، مس و نقره کامل می شود. آبکاری الکترولس به این معناست که محفظه حاوی ویفر به راحتی در محلول آبکاری غوطه ور شود. ابتدا یک لایه نازک نیکل لایه نشانی شده پخته می شود. سپس یک لایه ضخیم مس لایه نشانی می شود. در آخر لایه نازکی از نقره روی سطح قرار داده می شود. همه این فرآیند را می توان الکترولس انجام داد.
1-6- ساختار کلی سلول مبتنی بر روش اتصال مدفون شده
روش دیگر که در حقیقت از سادگی روش چاپ صفحه ای و بازدهی مناسب روش اتصال مدفون شده بهره برده است، روش انگشت اتصال نیمه هادی است. مراحل اولیه متالیزاسیون مانند قسمت قبل هستند. اما متالیزاسیون به وسیله چاپ صفحه ای با ایجاد اتصال بالایی چاپ شده نقره، عمود بر شیارها که در شکل زیر نشان داده شده اند انجام می شود. در این مورد باید خمیر ترکیبی استفاده شود چون خمیر درون دی الکتریک پخته نمی شود سطح اتصال کاهش می یابد. این خمیر باید به نواحی ناخالص شده با تراکم بالا داخل شیارها متصل شود.[1,2,6]
شکل 1-7- ساختار کلی روش انگشت اتصال نیمه هادی
2- فیبر نوری
2-1- معرفی فیبر نوری
فیبر نوری یک رشته بسیار نازک انعطاف پذیر از یک شیشه بسیار شفاف است. این رشته شیشه ای اندکی از موی انسان ضخیم تر است. دو المان اساسی فیبر نوری هسته و روکش آن هستند. هسته یا قسمت محوری فیبر نوری ناحیه گذار نور است. روکش، لایه ای است که کاملا روی هسته قرار گرفته است. تفاوت ضریب شکست هسته و روکش کمتر از 0.5 % است. ضریب شکست هسته از ضریب شکست روکش بیشتر است. در نتیجه نور در هسته به روکش برخورد می کند و به وسیله انعکاس نهایی داخلی به دام می افتد.
شکل 2-1- ساختار کلی و اندازه های معمول یک فیبر نوری
فیبرهای نوری می توانند تک حالته یا چند حالته باشند به این معنا که مسیر عبور نور در یک فیبر می تواند یکی یا بیشتر باشد.[8]
شکل 2-2- چگونگی انتقال نور توسط فیبر نوری. n1<n2
مطابق شکل 2-1 برروی روکش فیبر لایه پوششی قرار می گیرد. وظیفه اصلی پوشش حفاظت فیبر از هرگونه آسیب خارجی است. اما نگاه دقیقتر نشان می دهد که پوشش کاربری های دیگری نیز دارد:
1- چسبندگی: پوشش باید یکنواخت به سطح شیشه ای فیبر بچسبد.
2- امکان جداشدن: برای ایجاد اتصال به فیبر، پوشش باید جدا شود. نیروی لازم برای جدا کردن پوشش باید بسیار کوچک باشد تا نصب فیبر نوری به راحتی انجام پذیرد. این نیرو باید در تمام محیط ها چه خشک و چه تر یکسان باشد.دامنه تغییرات این نیرو بین 1.4 تا 4.2 نیوتن است. ایجاد همزمان دو ویژگی بالا یکی از مشکلات تولید کنندگان است.
3- سرسخت و مقاوم بودن: این ویژگی برای حفاظت در برابر سایش و انجام کابل کشی فیبر بدون از دست دادن مقاومت است. این مشخصه توسط تست الاستیک ماژول یانگ سنجیده می شود که میزان سرسختی پوشش را تعیین می کند. برای مثال یک پوشش نرم می تواند معیار یانگی در حدود 1.4 مگا پاسکال داشته باشد در حالیکه یک پوشش سخت معیار یانگی در حدود 800 مگا پاسکال دارد.
4- مقاومت در برابر رطوبت: پوشش تنها خط دفاع حفاظت فیبر از رطوبت است. این ویژگی به یک معنا تعیین عمر و ثبات خواص یک فیبر است. مقاومت در برابر رطوبت با اندازه گیری افزایش تضعیف فیبر در حالی که در معرض آب قرار گرفته است انجام می گیرد.
5- دمای انتقال شیشه : این دما حد پایین دمایی را نشان می دهد که در آن تضعیف، در مرز تعیین شده است. این مشخصه از 0 تا 55 درجه سانتی گراد متغیر است. این پارامتر، میزان تبعیت ضریب انبساط حرارتیِ خطی پوشش از ضریب انبساط حرارتی خطی فیبر را نشان می دهد. هر عدم تطابق بیش از حد باعث ایجاد استرس از پوشش روی فیبر می شود که خمش و تضعیف بالا را به همراه خواهد داشت.[10]
2-2- تولید فیبرهای نوری
انواع مواد مورد استفاده
در انتخاب مواد برای فیبرهای نوری باید به چند نیاز پاسخ دهیم:
1- باید امکان این وجود داشته باشد که فیبری با طول زیاد، نازک و انعطاف پذیر تولید شود.
2- ماده باید در یک طول موج خاص شفاف باشد تا هدایت نور با بازده مناسب انجام شود.
3- باید موادی برای هسته و روکش آن موجود باشند که از نظر ضریب شکست به هم نزدیک باشند.
موادی که شرایط بالا را ارضا کنند پلاستیک و شیشه هستند. عمده فیبرها از شیشه ساخته می شوند که یا از سیلیکا (SiO2) است یا سیلیکات. دامنه تغییرات فیبرها از فیبرهای با تلفات متوسط با هسته های بزرگ برای مسیرهای کوتاه تا فیبرهای بسیار شفاف با تلفات بسیار کم برای مسیرهای طولانی است. فیبرهای پلاستیکی به خاطر تضعیف بیشترشان نسبت به شیشه کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده اصلی فیبرهای پلاستیکی در مسیرهای کوتاه( چند صد متر) و محیط های نامناسب است که استحکام فیبرهای پلاستیکی امتیاز استفاده از آنها را در برابر فیبرهای شیشه ای بالا می برد.
2-2-1- فیبرهای شیشه ای
شیشه با ذوب کردن ترکیبی از اکسیدهای فلزی، ترکیبات حاوی سلنیوم و گوگرد به دست می آید. ماده حاصله آمورف است. نتیجه این ترکیب بی نظم آن است که شیشه نقطه ذوب دقیقی ندارد. هنگامی که آن را گرم می کنیم تا چند صد درجه به صورت جامد است. بالاتر رفتن حرارت کم کم شروع به نرم شدن می کند و در دماهای خیلی بالا تبدیل به یک مایع با گرانروی بالا می شود. اصطلاح دمای ذوب که برای شیشه به کار می رود به دمایی دلالت می کند که در آن شیشه به حد کافی سیال شده باشد که بتواند حباب های گاز را از خود خارج کند. برای تولید دو ماده مشابه که اختلاف اندکی در ضریب شکست دارند به سیلیکا فلوئور یا اکسیدهای مختلف اضافه می شود.
2-2-2- شیشه فعال
استفاده از عناصر خاکی17 در یک شیشه معمولی خواص نوری و مغناطیسی جدیدی به آن می دهد که در لیزرهای فیبری از آن استفاده می شود.
2-2-3- فیبرهای نوری پلاستیکی
تقاضای رو به رشد برای ایجاد سرویس های پرسرعت سبب رسیدن به فیبرهای نوری پلیمری( پلاستیکی)18 با شاخص بسیار خوب شده است. هسته این فیبرها عموما پلی متیل متاکریلات یا پلیمر پرفلوریناتد است. این فیبرها PMMA POF و PF POF نامگذاری شده اند. این فیبرها از فیبرهای شیشه ای تضعیف بیشتری دارند اما استحکام بالایی دارند. قطر هسته فیبرهای پلاستیکی 10 تا 20 برابر قطر فیبرهای سیلیکایی است که باعث بهبود عملکرد اتصال دهنده ها می شود. بنابراین، تولید لوازم جانبی مانند کانکتورها، گیرنده و فرستنده ها از طریق تکنولوژی های ارزان قیمت تزریق پلاستیک مذاب ممکن می شود.[9,10]
2-2-4- فیبرهای کریستالی فتونیک
در اوایل دهه نود میلادی، محققان ساختار جدیدی برای فیبر نوری پیشنهاد کردند که به نام فیبرهای کریستالی فتونیک19 مشهور شد. تفاوت این ساختار با ساختارهای مرسوم، این است که روکش و گاهی هسته دارای حفره های هوا هستند که این حفره در تمام طول فیبر وجود دارد. همانگونه که در فیبرهای مرسوم مشخصه انتقال نور به وسیله خصوصیات مواد هسته و روکش تعیین می شود در این فیبرها آرایش ساختاری، یک ریز ساختار داخلی به وجود می آورد که ابعاد دیگری از کنترل نور در فیبر را به نمایش می گذارد. اندازه و فاصله20 حفره ها در ریز ساختار و ضریب شکست مواد تشکیل دهنده آن مشخصه حرکت نور در فیبر را معین می کند.
شکل 2-2-فیبرهای کریستالی فتونیک شرکت Photonic Bretagne. [11]
گرچه هسته و روکش هر دو از سلیکای خالص هستند اما حفره های هوا ضریب شکست ناحیه روکش را کاهش می دهند. چون ضریب شکست سلیکا 1.45 و ضریب شکست هوا 1 است. استفاده از هسته خالص و نیاز نداشتن به ناخالصی برای این روش یک امتیاز محسوب می شود. همچنین این فیبرها بدون به وجود آمدن اثرات غیرخطی می توانند در سطح بزرگتری ساخته شوند و سطح بیشتری از توان را منتقل کنند.[9]
2-3- مراحل تولید فیبر نوری
تولیدکنندگان فیبرهای نوری آنها را با مشخصات معین که با اعمال کنترل شدید بر پروفایل ضریب شکست و مشخصه های هندسی فیبر به دست می آیند تولید می کنند. همه عملیات باید برای یک فیبر نوری تک حالته در یک هسته 8 تا 60 میکرومتری کنترل شده انجام شوند. فرآیند تولید فیبر امروزه شامل دو مرحله اصلی است:
1- ایجاد پیش سازه21: پیش سازه، یک استوانه از جنس سیلیکا با طول حدودا 1 متر و قطر 10 تا 20 سانتی متر است. پیش سازه شامل یک هسته است که با یک روکش که دارای پروفایل ضریب شکست مطلوب، یک تضعیف داده شده و مشخصات دیگری است، پوشانده شده است. در حقیقت این فیبر نوری مطلوب ماست اما در مقیاس خیلی بزرگتر.
شکل 2-3-Pre-form fused-silica – LEONI
2- مرحله دوم کشیدن این پیش سازه برای تبدیل به یک فیبر با اندازه دلخواه است.
2-3-1- ایجاد پیش سازه
پیش سازه با اکسیداسیون فاز بخار تولید می شود. دو گاز SiCl4 و O2 در یک دمای بالا برای تولید اکسید سیلیکون ترکیب می شوند.
SiCl4 + O2 → SiO2+ 2 Cl2
اکسید سیلیکون که در اندازه ذرات کوچک به دست می آید دوده22 نامیده می شود. این دوده بر روی لوله یا میله لایه نشانی می شود. ذرات سیلیکا لایه به لایه روی هم لایه نشانی می شوند. و یک ماده روکش شفافِ هم جنس را تشکیل می دهند. برای تغییر مقدار ضریب شکست روکش، از ناخالصی استفاده می شود. برای مثال فلور برای کاهش ضریب شکست روکش استفاده می شود.
ماده مورد نیاز برای ایجاد هسته با ترکیب سه گازSiCl4 ،GeCl4 و O2 به دست می آید که ترکیبی از SiO2 و GeO2 را ایجاد می کند. میزان ناخالصی با تغییر میزان گاز GeCl4 در ترکیب گاز کنترل می شود. همین روش برای ناخالص کردن بقیه مواد به کار گرفته می شود.
چون لایه نشانی با استفاده از لایه هایی که برروی یکدیگر ساخته شده اند تشکیل شده است تولیدکننده می تواند مقدار دقیق ناخالصی که به هر لایه اضافه می شود را کنترل کند که به معنای کنترل پروفایل ضریب شکست است.
نمودار 2-1-تغییر ضریب شکست برحسب تغییر نسبت مولی ناخالصی
فرآیند اکسیداسیون از فاز بخار23، ماده بسیار خالصی تولید می کند که مشخصات آن کاملا تحت اختیار سازنده هستند. چهار روش برای لایه نشانی فاز بخار وجود دارد که از سالیان دور مورد استفاده بوده اند اما در اصل روش ها تغییری به وجود نیامده است. تفاوت اصلی این چهار روش در تکنیک مورد استفاده برای لایه نشانی مواد فیبر بر روی میله یا درون لوله هدف است.
> لایه نشانی بیرونی فاز بخار24
این اولین روش موفقیت آمیز تولید فیبر نوری بود. این روش توسط شرکت Corning در سال 1972 ابداع شد. در حقیقت اولین فیبری که تضعیف کمتر از dB/km 20 داشت فیبری بود که با همین روش ساخته شد. امروزه تضعیف کابلهای نوری همین شرکت به dB/km 0.25 می رسد. فرآیند، شامل 4 فاز است:
1- قرار گرفتن مواد روی سطح
2- جامد شدن و تثبیت
3- کشیدن پیش سازه برای رسیدن به ضخامت دلخواه
4- اندازه گیری
در مرحله اول مواد تشکیل دهنده هسته و روکش به در حالت بخار روی یک میله چرخان از جنس گرافیت یا سرامیک لایه نشانی می شوند. نتیجه ی این مرحله، پیش سازه ی دارای ذرات اکسید سیلیکون متخلخل است. پروفایل ضریب شکست و هندسه فیبر در این مرحله شکل می گیرند. در فاز تثبیت، میله داخلی از بین می رود و پیش سازه دارای ذرات اکسید سیلیکون درون کوره تثبیت در دمایی حدود 1400 درجه قرار می گیرد. در اینجا پیش سازه دارای ذرات اکسید سیلیکون به یک پیش سازه جامد شفاف شیشه ای تبدیل می شود و در حین تثبیت یک گاز خشک کننده از میان پیش سازه عبور داده می شود تا بخارهای باقی مانده اضافی را خارج کند. فاز کشیدن پیش سازه پس از معرفی روش های لایه نشانی توضیح داده خواهد شد. در این مرحله حفره مرکزی موجود نیز بسته می شود. نهایتا در فاز اندازه گیری هر حلقه برای تطابق با مشخصات فیبر مورد نظر تست می شود. پارامترهای مهم اندازه گیری، مقاوم بودن، میزان تضعیف و مشخصات ابعاد هستند. این فرآیند ظرفیت تولید صد کیلومتر فیبر را دارد.
شکل 2-4- شمایی از لایه نشانی بیرونی فاز بخار
> CVD اصلاح شده
این فرآیند که در سال 1974 ابداع شد برای تولید فیبر با کیفیت به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. در این فرآیند پیش سازه در دو مرحله تشکیل می شود: ذرات بخار شیشه که از واکنش شیمیایی گازهای متال هالید و اکسیژن حاصل می شود، وارد یک لوله شیشه ای چرخان از جنس سیلیکای همجوش25می شوند. در حالی که یک مشعل آن را با حرکت به جلو و عقب لوله گرم می کند. SiO2، GeO2 و ترکیبات ناخالص شده دیگر، دوده راتشکیل می دهند که بر سطح داخلی لوله مورد نظر لایه نشانی می شود. در این حالت گرما سبب ذوب ناحیه نمی شود و تنها سبب شکل دهی آن می شود لوله تحت دمای کاری در حدود 1600 درجه قرار می گیرد تا به یک میله جامد تبدیل شود. مانند فرآیند OVD اضافه کردن ناخالصی های جدید پروفایل ضریب شکست را تغییر می دهد. پس از رسیدن به ضخامت دلخواه در مرحله دوم پیش سازه دوده تا دمای 2000 درجه گرم می شود تا به یک پیش سازه جامد شیشه ای تبدیل شود. کشیدن و اندازه گیری فرآیند را کامل می کند. ظرفیت این فرآیند در حدود 50 کیلومتر است.
شکل-2-5- شمایی از فرآیند CVD اصلاح شده
> لایه نشانی به روش پلاسما
تفاوت این روش با روش قبل در گرم کردن ناحیه واکنش است. به جای رساندن گرما از بیرون به وسیله مشعل، از مایکروویو برای تشکیل گازهای یونیزه شده داخل لوله سیلیکا استفاده می شود. درون پلاسما الکترون های نقطه ای انرژی معادل گرمای 60000 درجه را فراهم می آورند. در حالیکه دمای واقعی کوره در حدود 1200 درجه است. الکترون ها در سرعت بسیار بالایی حرکت می کنند.در ترکیب با یون ها انرژی بسیار بالایی به صورت گرما آزاد می کنند. این گرما سبب لایه نشانی خود شیشه شفاف داخل لوله می شود. در نتیجه، لایه نشانی شیشه مطلوب بدون تشکیل دوده انجام می گیرد. به همین دلیل مرحله تثبیت لازم نیست. حرکت یک تشدید کننده که با سرعت حدود 2.5 گیگا هرتز نوسان می کند، در طول لوله سیلیکونی داخل آن ناحیه پلاسما تشکیل شده می دهد. لایه های بسیار نازکی تشکیل می شوند که برای ضخامت آنها محدودیتی به خاطر وجود ذرات دوده نداریم. این مزیت کلیدی روش پلاسما سبب می شود که تولیدکنندگان بسیار به پروفایل ایده ال برای ضریب شکست نزدیک شوند.
مرحله نهایی فرآیند PCVD مانند MCVD جمع شدن لوله و تشکیل یک پیش سازه شیشه ای است که کشیده می شود و اندازه گیری های لازم روی آن انجام می شود. ظرفیت این فرآیند در حدود 30کیلومتر است.
شکل 2-6-شمایی از فرآیند لایه نشانی بخار به روش پلاسما
> روش لایه نشانی محوری بخار
این روش در سال 1977 به وسیله محققان ژاپنی ابداع شد. ذرات شیشه- که از واکنش میان گازها دریک ناحیه داغ به دست می آمد- روی سطح انتهایی میله سیلیکا لایه نشانی می شود و مانند یک دانه عمل می کند. این لایه نشانی با حرکت پیش سازه به سمت بالا یک پیش سازه متخلخل به وجود می آورد. در حین فرآیند میله چرخانده می شود تا تقارن استوانه ای لایه نشانی حفظ شود. در حین حرکت لایه متخلخل به بالا این لایه در یک کوره حلقوی کربنی گرم می شود و با ذوب محلی به یک جامد شیشه ای بدل می شود. مزیت این روش آن است که پیش سازه حفره مرکزی ندارد و می تواند به صورت پیوسته با طول دلخواه تولید شود. و دیگر آن که محفظه لایه نشانی و گرم کننده حلقوی برای ذوب ناحیه ای کاملا در کنار هم هستند به نحوی که عملیات می تواند در یک محیط پاکیزه انجام گیرد. همچنین پروفایل ضریب شکست با استفاده از تعداد زیادی مشعل تعیین می شود. یک تکنیک که به تولیدکننده اجازه تغییر جهت جریان ترکیب خاصی از گاز را می دهد. درجه آزادی این فرآیند آنجاست که تولیدکننده می تواند فاصله یبن مشعل ها و پیش سازه و دمای محلی پیش سازه را تغییر دهد. ظرفیت این فرآیند 100 کیلومتر است.
شکل2-7 -روش VAD
> روش تولید فیبر کریستالی فتونیک
تولید فیبر کریستالی فتونیک هم بر اساس ساخت یک پیش سازه است. این پیش سازه به وسیله آرایه ای از لوله های مویرگی توخالی تولید می شود. این لوله های مویرگی ابتدا دور یک میله سیلیکای جامد بسته می شوند. به دنبال آن، این پیکره بندی ها با هم حرارت می بینند تا یک پیش سازه ساخته شود سپس با استفاده از یک برج معمولی کشیدن فیبر نوری داخل فیبر می شوند. در فرآیند کشیدن، حفره ها آرایش اصلی خود را حفظ می کنند.
الف
ج
ب
د
ﻫ
شکل 2-8- الف: نحوه بستن مویرگهای هوا. ب تا ه: نحوه ایجاد پیش سازه ریزساختار فتونیک[4]
2-3-2- کشیدن پیش سازه
پیش سازه چیزی جز یک فیبر نوری در یک مقیاس بزرگ نیست. کشیدن آن باعث می شود فیبر، به ضخامت دلخواه برسد. پس از تشکیل پیش سازه مرحله کشیدن پیش سازه برای ایجاد فیبر باید انجام شود. مراحل پس از تشکیل پیش سازه در شکل به نمایش درآمده اند.
شکل 2-9- نحوه پردازش پیش سازه تا تولید فیبر
پیش سازه در یک کوره قرار می گیرد و تا انتهای آن تا حد ذوب شدن گرم می شود. این تکه مذاب به وسیله تجهیزات کشیده می شود که یک فیبر با قطر خروجی 125 میکرومتر را به وجود می آورد. تجهیزات کنترل قطر، قطر واقعی فیبر را در صورت لزوم با تغییر سرعت کشش چرخ کنترل می کند. یک ماشین، یک پوشش را بر روی روکش ایجاد می کند. تجهیزات متحدالمرکزی این پوشش را کنترل می کنند. پوشش با استفاده از لامپ های UV یا منبع گرمایی دیگری به عملکرد مطلوب خود می رسد. سپس فیبر روکش دار بر روی یک قرقره پیچیده می شود.
نقطه بحرانی فرآیند سرعت کشیده شدن پیش سازه است. از طرفی سرعت کمتر کشش، سبب کنترل بهتر کیفیت و از طرف دیگر سرعت بیشتر سبب میزان تولید بالاتر خواهد شد. هر یک از فرآیندها با فرآیند کشش، نسبتی دارند. گستره وسیعی برای انتخاب وجود دارد برای مثال سرعت کشش می تواند از 200میلی متر بر دقیقه تا 2000 میلی متر بر دقیقه متغیر باشد. در تصویر تنها تجهیزات اندازه گیری قطر به نمایش در آمده اما تولیدکننده باید پارامترهای زیادی را در همین زمان کنترل کند. به عنوان مثال مشکلات می تواند داخلی باشد مثل قطع شدن از داخل، حباب آلودگی یا مشکلات بیرونی مثل ایجاد توده و نقص وجود بیاید. کنترل مشکلات خارجی بسیار مهم است چون می توانند فیبر را ضعیف کنند. به همین دلیل تولیدکننده ها هیچگاه اندازه دقیق بیان نمی کنند بلکه تنها مقایسه ای از اندازه محصولشان با مقدار آستانه ارائه می دهند. تمام مراحل باید در اتاق های پاک با امکان کنترل جو انجام شود.[9,10]
2-3-3- پوشش
فیبر نوری باید پوشانده شود. ویژگی های یک پوشش مناسب در ابتدای بحث گفته شد. برای پاسخگویی به این نیاز پیچیده، تولیدکننده ها پوشش های بسیاری ابداع کرده اند که در طراحی، مواد و نحوه فرآوری متفاوتند. تولیدکننده ها عملیات پوشش دهی را در خط انجام می دهند. یک پلیمر مایع با یک ابزار در هنگام گذشتن فیبر از خط پوشش دهی به فیبر اعمال می شوند. این مایع با گرما یا نور فرابنفش جامد می شود.
دو نوع اصلی از طراحی وجود دارد: تک لایه و دو لایه. در طراحی تک لایه سازنده برای ارضای طیف گسترده ای از الزامات از طریق انتخاب مناسب مواد و ضخامت پوشش اقدام می کند. در طراحی دو لایه لایه درونی یک پوشش نرم است که چسبندگی مناسبی به وجود می آورد و آن را خوب می پوشاند. لایه سخت خارجی هم در برابر عوامل نامساعد محیطی حفاظت فیبر را بر عهده دارد. قطر خارجی یک فیبر نوری از 245 میکرون تا حدود 900 میکرون است. [10]
خلاصه
در این گزارش به فرآیند ساخت دو محصول عمده اپتوالکترونیک یعنی سلول خورشیدی و فیبر نوری پرداخته شد. مراحل ساخت سلول های خورشیدی از مرحله ویفر تا کامل شدن یک سلول خورشیدی به این ترتیب است: از بین بردن اثر اره، بافت دهی، پاکسازی، تشکیل پیوند، ایجاد پوشش ضد انعکاس و ایجاد اتصالات. ایجاد اتصالات به دو روش صنعتی متفاوت انجام می شود.
ماده اصلی ساخت فیبرهای نوری شیشه است که با ناخالص کردن آن می توان به ضریب شکست دلخواه دست یافت. برای تولید فیبر نوری ابتدا باید پیش سازه ای فراهم شود که با حرارت دادن و کشش آن تحت حرارت فیبر نوری به دست می آید.
منابع و مآخذ
1- T. Markvarnt, L. Castaner, Solar cells: Materials,Manufacture and Operation, Elsevier, 2004.
2- A. McEvoy, T. Markvarnt, L. Castaner, Solar cells: Materials, Manufacture and Operation,2nd Edition, Elsevier, 2014.
3- http://pv.asu.edu/: ASU :SolarPower Lab Arizona
4- http://www.sneresearch.com/eng/info/show.php?c_id=3711&pg=4&s_sort=2&sub_cat=&s_type=&s_word
5- http://www.pveducation.org
6- http://en.wikipedia.org/wiki/Optoelectronics
7- Corning Document: http://media.corning.com/flash/opticalfiber/2008/fiber101/fiber101.
8- G. keiser, Optical fiber Communication 4th Edition, McGrow-Hill, 2008.
9- D. Mynbaev, L. Scheiner, Fiber optic Comunication Technology, Prentice Hall, 2001.
10- http://www.photonics-bretagne.com/en/r-d-platform/article/spie-photonics-west-2012-perfos
1 Bow
2 Edge Defined Film Fed Growth
3 Die
4 Grain
5 String Ribbon
6 Reactive Ion Etching
7 Laser Scribing
8 Screen Printing
9 Silver Paste
10 Sheet Resistance
11 conveyor belt furnace
12 نسبت توان ماکزیمم به حاصی ضرب جریان اتصال کوتاه و ولتاژ مدار باز
13 ترکیبی از نیتروژن و اکسیژن
14 Buried Contact Solar Cells
15 ترکیب آلیاژی که تغییر حالت آن از جامد به مایع در یک دمای مشخص اتفاق می افتد نه آنکه هر کدام از عناصر ترکیب جداگانه ذوب شوند.
16 gettering
17 عناصر 57 تا 71 جدول تناوبی
18 POF
19 PCF
20 Pitch
21 Preform
22 Soot
23 Vapor Oxidation
24 Outside Vapor Deposition
25 جسم بلورین و سخت که از گداختن سیلیکا در حرارت های زیاد به دست می آید و در درون قالب ها و کوره ها و ابزاری که باید زود سرد و گرم شوند به کار می رود. ( Fused Silica)
—————
————————————————————
—————
————————————————————
11