通过热蒸发和原子层沉积法制备高效率SnS太阳能电池

本实验的总体目标是建立一个可靠的平台，用于开发基于新型材料的太阳能电池。首先制备洁净的电绝缘基底，以此实现该目标；第二步是在背面沉积两层溅射钼，作为选择性电接触空穴层。

接下来，通过原子层沉积或热蒸发法沉积P型硫化亚锡吸收层。最后一步是通过沉积一组N型层来完成PN结，该N型层由复合的锌氧硫化物缓冲层组成，随后沉积透明导电氧化物及金属电极指，以促进电荷收集。最终，通过在模拟太阳光下测量电流-电压曲线以及在单色光照射下测量量子效率，对所制备的太阳能电池进行测试。

尽管本方法以锡硫化物太阳能电池的开发为例进行演示，但也可用于基于其他新型材料的无机薄膜基底型太阳能电池的研制。原子层沉积锡硫化物的步骤将由哈佛大学Gordon课题组的研究生Schwan Yang在远 Steinman 演示。麻省理工学院光伏研究实验室的博士后将演示通过热蒸发法沉积10硫化物的步骤。

本视频从硅晶圆基底的制备完成后开始。使用一平方英寸、表面抛光、厚度为500微米、带有300纳米或更厚热氧化层的硅晶圆。首先溅射一层360纳米厚的钼作为粘附层，然后沉积第二层360纳米厚的钼导电层。

将制备好的衬底存放在氮气手套箱中，直至进行硫化锡沉积，以准备进行原子层沉积。首先，将衬底转移至紫外臭氧清洗机中，以去除有机颗粒。清洗衬底五分钟。

在清洗过程中，确保沉积室的基底 holder 位于附近。当基底准备就绪后，取出基底并将其放入样品 holder 中。该样品 holder 已装载基底，可准备放入沉积室。

将支架插入炉中，然后使用粗真空泵对炉腔抽真空。接着，将炉温稳定在200摄氏度。随后检查前驱物状态。

将锡酸盐前驱体置于95摄氏度的烘箱中以用于硫化锡的沉积。连接气体管路，通入高纯氮气以辅助输送锡酸盐蒸气。第二种前驱体为含4%硫化氢的氮气混合气体，进行沉积时的生长速率为每循环0.33埃。

每个原子层沉积循环中，供应三份10 ate，总暴露时间为1.1 tor·秒。然后用氮气吹扫反应腔。接着，将硫化氢通入氮气中，暴露时间为1.5 tor·秒。

最后，再次用氮气吹扫。另一种沉积方法是热蒸发。确保工艺腔室的压力为2 × 10⁻⁷ torr或更低。

使用具有合适尺寸凹槽的样品 holder 以牢固固定基底。与之前相同，使用已预先制备好的、具有两层钼的基底。此处为示意图。

将该衬底以及用于后续表征的小块附加CYS衬底装入样品台。通过装载锁将样品台装入热蒸发仪。对装载锁抽真空，然后将衬底转移至生长室。

当转移臂就位后，逐步升高源加热器和衬底加热器的温度，使生长速率达到每秒一埃，衬底温度达到240摄氏度。随后提升衬底，以便利用石英晶体监控器测量沉积速率。启动线性平移臂，将石英晶体监控器移入工艺腔室。

就位后，打开源快门以开始测量。生长速率显示在晶体监控器控制器的前面板上。测量完成后，关闭快门并将石英监控器从腔室中取出。

然后将衬底降至生长位置，并打开源快门以开始沉积。对于目标薄膜厚度为1000纳米的情况，沉积过程将耗时约三小时。当沉积完成后，关闭源快门。

使用石英晶体监控器重复测量生长速率。测量完成后，关闭源快门，关闭加热器，并等待衬底冷却，然后将其转移至负载锁。向锁内通入空气并卸下衬底。

迅速将样品从样品托上取下，并转移至氮气手套箱中储存。在原子层沉积或热蒸发沉积过程之后，样品将具有硫化锡层。所有样品随后均需在硫化氢气体中进行退火处理，然后通过原生氧化物进行表面钝化。

下一步是通过原子层沉积法沉积N型氧硫化锌和氧化锌缓冲层。接着是透明导电层的沉积。我们在沉积氧化铟锡之前使用氧化铟锡。

必须确定器件的有源区域。使用金属遮蔽掩模来定义透明导电氧化物焊盘的尺寸，从而设定器件的有源区域。这些掩模定义了11个面积为0.25平方厘米的矩形器件，以及位于一个角落的较大焊盘，该焊盘用于图中所示的光学反射率测量。

阴影区域表示单个器件所需添加的氧化铟锡层的大致尺寸，将器件和掩模安装在掩模对准仪中。掩模应具有足够的厚度，以防止在掩模对准仪中发生弯曲；否则，氧化物焊盘区域可能变得不清晰。

将带有已安装器件的掩模对准器移至溅射腔室。将掩模对准器放置到位，以进行沉积步骤。下一步是生长一层240纳米厚的氧化铟锡薄膜。

为此，将衬底加热至 80 至 90 摄氏度，并开启衬底旋转。设定射频溅射功率、氩气和氧气的气体流量以及腔内压力，然后对沉积过程进行示意图监测。此为沉积氧化铟锡后器件的状态。

下一步是金属化。使用遮蔽掩模和电子束蒸发法沉积500纳米厚的导电金属，可选择银或镍-铝叠层。这是一个已完成的样品。

请注意，此处所示样品在制备完成后已刮擦以暴露背面的钼背电极。接下来使用经过1.5空气质量系数校准的太阳光模拟器进行器件表征。首先，使用手术刀片刮除缓冲层和硫化锡层，以暴露背面的钼背电极。

接下来，将样品放置在导轨安装的样品卡盘上，通过真空固定样品，卡盘温度控制在25摄氏度。现在，使样品上的各个器件与刮擦的背电极形成电接触。此处使用定制的探针卡，通过铜铍合金同时接触所有器件。

常规测量采用四线模式的双探针尖端。对于更严格的测试，可省略光阑的使用，但应使用光阑来定义有效面积。透明导电氧化物遮蔽掩模可用于此目的。

移动卡盘，使器件处于合适位置，以便使用自动测试系统采集明暗电流电压数据。对系统进行编程，使其在打开和关闭光源快门的同时，依次对各个器件进行测试。本视频中可看到测试过程，但通常应在黑色遮光帘后进行测试，以减少环境光的影响。

完成电流-电压测量后，将样品台滑入外量子效率系统，通过光照下的电流-电压数据、外量子效率数据以及光学反射率测量，对器件进行基线表征。以下是采用热蒸镀法制备的两个样品上器件的太阳能电池性能数据。每个器件中，一个样品以灰色标识，另一个以红色标识。

给出了开路电压、短路电流密度、填充因子和功率转换效率。性能最佳的器件效率约为 4%。在两种器件中，效率与填充因子之间明显的相关性与存在并联或串联电阻损耗的器件特性一致。

红色数据还显示了效率与开路电压之间的相关性，这与并联电阻的预期行为一致。用于对比的损耗。以下是采用原子层沉积法制备的器件的太阳能电池性能数据。

这些器件的性能优于热蒸发器件，其中最佳效率达到4.6%。造成这种差异的原因可能有多种。其中一个因素是，采用原子层沉积制备的器件似乎具有更小的并联电阻损耗。

请务必注意，操作硫酸氢时可能非常危险。确保硫酸氢储罐存放在通风设备中，例如配备硫酸氢检测器的通风橱。我们认为这一基础制备方案可作为开展受控且有针对性实验的平台，旨在提高太阳能电池的整体性能，并更深入地理解特定的损耗机制。

观看本视频后，您应能充分理解如何制备可重复的基板型太阳能电池。