Optical Characterization of Thin Films for Photovoltaic Solar Cells and Modules by Spectroscopic Ellipsometry

Abstract

Spectroscopic ellipsometry is a non-destructive and non-invasive optical technique that measures changes of polarization upon reflection or transmission. As a result, it can be used to characterize optical and structural properties of thin films. The last advances have established its position as a high precision optical characterization technique. The aim of this work is to use spectroscopic ellipsometry to study the optical (refractive index, extinction coefficient) and structural (thickness, roughness) properties of a system based on two transparent materials, a thin film of organic molecules embedded in polymethylmethacrylate (PMMA) deposited on a glass substrate. To achieve this goal, we had to build an effective model to fit the experimental results measured with the ellipsometer in order to obtain the properties of our samples. The similarity of the materials properties, their transparency and the thin film complexity were the challenge of the specific model we had to create. Finally, we found a solution with a mathematical function called “B-Spline” which allows flexibility in the refractive index (n) and the extinction coefficient (k). The optical properties and thicknesses obtained using this model to fit the experimental parameters measured by the ellipsometer, agree with expected results. The maximum value reached for n and k is in the ultraviolet region. We have estimated the contribution of the organic molecules embedded in the PMMA layer to the system absorption and the result is consistent with the expected material properties. The optical and structural properties carried out in this report aims to support the research on luminescent polymeric films containing an Eu3+ complex used in solar photovoltaic applications carried out by ULL research group.

La elipsometría espectroscópica es una técnica de caracterización de películas delgadas que mide los cambios en el estado de polarización de la luz después de haber sido reflejada desde la superficie. Su principal ventaja en el estudio de materiales radica en que es una técnica no destructiva, lo que la hace una herramienta conveniente para estudios in situ. Por otro lado, es una técnica de alta precisión para la caracterización óptica y estructural de películas delgadas, sustratos o sistemas de películas-sustrato (multicapas). El objetivo de este trabajo es utilizar la elipsometría espectroscópica para caracterizar las propiedades ópticas (índice de refracción y coeficiente de extinción) y las propiedades estructurales (espesor, rugosidad,…) de un sistema basado en dos materiales transparentes: una película delgada de moléculas orgánicas incrustadas en una matriz de polimetilmetacrilato (PMMA) depositada sobre un sustrato tipo vidrio. Estos materiales están siendo actualmente estudiados por el grupo de investigación de óptica de la Universidad de La Laguna, con el fin de mejorar la eficiencia en células fotovoltaicas. Para alcanzar este objetivo, se construyó un modelo teórico para ajustar los datos experimentales medidos con el elipsómetro y así obtener las propiedades físicas de las muestras utilizadas. La dificultad en encontrar un modelo reside en la transparencia del sustrato empleado y la complejidad de la película delgada depositada. Los resultados obtenidos son consistentes con las propiedades caracterizadas por otras técnicas. El espesor de la película delgada se contrastó con datos conocidos validándose el modelo final. Los valores de n y k máximos se ubican en la región UV junto con el respectivo coeficiente de absorción, lo cual es consistente con las características del material objeto de estudio. Los resultados de este trabajo servirán de apoyo a la investigación adelantada en la Universidad de La Laguna sobre películas de polímeros luminiscentes para aplicaciones de energía solar fotovoltaica.