Name: 通过热蒸发和原子层沉积使记录效率的SnS太阳能电池 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 1 s
Description: 了解硫化亚锡（SnS）太阳能电池的制备方法，通过原子层沉积和热蒸发技术实现4.36%和3.88%的功率转换效率。该方法为无毒薄膜太阳能电池的开发提供了可靠平台。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

作者谨此感谢美国国家可再生能源实验室（NREL）的 Paul Ciszek 和 Keith Emery 提供经认证的&#160;J-V&#160;测量，感谢麻省理工学院（MIT）的 Riley Brandt 提供光电子能谱测量，以及感谢亚利桑那州立大学（ASU）的 Jeff Cotter 在假设检验部分提供的灵感。本研究工作由美国能源部通过 SunShot 计划（合同号 DE-EE0005329）以及罗伯特·博世有限责任公司通过博世能源研究网络（资助号 02.20.MC11）提供支持。V. Steinmann、R. Jaramillo 和 K. Hartman 分别感谢亚历山大·冯·洪堡基金会、美国能源部能源效率与可再生能源博士后研究奖以及英特尔博士奖学金所提供的支持。本研究利用了哈佛大学纳米系统中心的设施，该中心由美国国家科学基金会资助（项目编号 ECS-0335765）。

1. 底物选择与切割
<ol>
	<li>购买带有厚热氧化层的抛光硅片。本文所报道的器件使用500 μm厚、热氧化层厚度为300 nm或以上的硅片。基底选择标准在讨论部分中进行说明。</li>
	<li>在硅片的抛光面旋涂常规正性光刻胶（SPR 700 或 PMMA A. 495），并进行前烘（100 °C 下 30 秒）。 
	注意：此为保护层，用于防止后续切割步骤中产生损伤或污染。</li>
	<li>使用划片机将硅片切割成 1” × 1”（25.4 × 25.4 mm2）的方形基底。</li>
</ol>
2. 基底清洗
<ol>
	<li>使用压缩氮气枪去除切割步骤产生的颗粒物和其他残留物，随后在去离子水（DI水）中超声清洗5分钟，温度为45–60 °C。</li>
	<li>在丙酮中超声清洗5分钟（温度为45–60 °C），以去除光刻胶层。</li>
	<li>对暴露的基底依次进行三次超声清洗，每次5分钟，温度均为45–60 °C：丙酮、乙醇和异丙醇。最后在石英载具中用压缩氮气枪吹干。</li>
</ol>
3. 钼溅射
<ol>
	<li>将洁净的 Si / SiO2 衬底装入高真空溅射系统中。确保衬底托盘未加热，并启用衬底旋转。对于本文报道的器件，在商用系统中进行工艺，该系统配备倾斜的磁控枪，使用 2” 靶材，靶材与衬底间距约为 4”。</li>
	<li>在相对较高的本底气压（如 10 mTorr 的 Ar）下沉积第一层（粘附层）。对于本文报道的器件，采用 180 W（直流）的溅射功率，生长速率为 2.6 Å/sec，沉积厚度为 360 nm 的第一层 Mo 层。</li>
	<li>在相对较低的本底气压（如 2 mTorr 的 Ar）下沉积第二层（导电层）。使用与第一层相同的溅射功率（180 W），并沉积相同的厚度。 
	注意：本文报道的器件中，第二层 Mo 层厚度为 360 nm，与第一层相同。</li>
	<li>完成 Mo 沉积后，将衬底在真空环境中保存，直至进行 SnS 沉积步骤。</li>
</ol>
4. SnS 沉积
注意：原子层沉积（ALD）技术在第4.1小节中描述，热蒸发（TE）沉积在第4.2小节中描述。原子层沉积系统如图2所示，热蒸发沉积系统如图3所示。
<ol>
	<li>通过原子层沉积法沉积SnS
	<ol>
		<li>在将衬底装入反应器之前，先将Mo衬底放入紫外臭氧清洗仪中处理5分钟，以去除有机颗粒。随后将衬底置于衬底支架上，并插入沉积区域。</li>
		<li>在开始沉积前，将炉温稳定在 200 °C。</li>
		<li>从双(三甲基硅基)硫与锡源的反应中生长SnS薄膜N,N’-二异丙基乙脒基)亚锡(II) [Sn(MeC(N-iPr2)2，此处称为 Sn(amd)2] 和硫化氢（H₂S）2S4.
		<ol>
			<li>保持 Sn(amd)2 在95 °C的恒定温度下处理前体。使用高纯度N2 气体以辅助 Sn(amd) 的输送2 将烘箱中容器内的蒸气输送至沉积区。每个ALD循环中，供应三份Sn(amd)前驱体2 前体物质的总暴露量为 1.1 Torr·秒。</li>
			<li>使用含有4% H2S 在 N 中2 作为硫源。确保每次暴露的硫化氢蒸气剂量为1.5 Torr·秒。确保H₂的分压2S 和 H 的总压2S 在 N 中2 分别为 0.76 Torr 和 19 Torr。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>设定在 Sn 前驱体注入与 H 之间的泵送时间2S剂量仅为1秒（相较于大多数其他常规原子层沉积工艺较短），以加快沉积速度。 
		注意：由于前驱体 Sn 未通过此短暂的抽气过程完全去除，当通入 H 时，仍会残留部分 Sn 前驱体2S 到达。因此该过程可描述为一种脉冲化学气相沉积（CVD）过程。SnS 薄膜的生长速率为 0.33 Å/循环，或 0.04 Å/秒。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过TE沉积SnS
	<ol>
		<li>确保工艺腔室压力为 2 x 10-7 托或更低。通过负载锁将基底装入腔室。使用单个夹具或定制的基底支架（支架带有尺寸合适的凹槽，并用螺钉固定在基底板上）将基底固定在板上。</li>
		<li>将源加热器和衬底加热器升温至设定温度。本实验所用器件的衬底温度为 240 °C，生长速率为 1 Å/s；为达到该生长速率，需将源温度设定在 550 – 610 °C 范围内（对于同一批次的源粉末，所需源温度随时间逐渐升高）。目标薄膜厚度为 1,000 nm。</li>
		<li>使用石英晶体微天平（QCM）在SnS薄膜沉积前后测量沉积速率，通过将QCM探头臂移入工艺腔室进行测量。进行该测量时，需升起基底，以便将QCM移至基底生长位置。 
		注：在3小时的沉积时间内，沉积速率保持相对恒定（±0.05 Å/秒偏差）。</li>
		<li>沉积完成后，在向腔体通入空气之前，先将样品转移回负载锁中。随后迅速将样品通过空气环境转移至真空环境或惰性气氛手套箱中储存，再进行下一步处理。 
		注意：通常的非故意暴露于空气的时间约为 3 min。通常的储存时间为 1 天至 1 周。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
5. SnS 退火
注意：此步骤在 ALD 和 TE 太阳能电池中的操作略有不同。ALD 太阳能电池的退火程序在第 5.1 小节中描述，TE 太阳能电池的程序在第 5.2 小节中描述。退火的目的在讨论部分中讨论。
<ol>
	<li>在 H2S 气体中退火 ALD 生长的 SnS 薄膜。 
	注意：此步骤在用于 ALD 生长的同一系统中进行。
	<ol>
		<li>使用纯度为 99.5% 的纯 H2S 气体，气体流速为 40 sccm，压力为 10 Torr。</li>
		<li>将 SnS 薄膜加热至 400 °C，并在 H2S 气氛中保持 1 小时。确保在整个过程中气体持续流动，包括升温和降温阶段。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在 H2S 气体中退火 TE 生长的 SnS 薄膜。此步骤需在专用的管式炉中进行。
	<ol>
		<li>将样品置于洁净的石英板上，并推入炉子的高温区。</li>
		<li>密封炉体后，用高纯 N2 气体 purge 三次，并抽真空至本底压力。</li>
		<li>设定气体流量为 100 sccm 的 4% H2S 混气，压力维持在 28 Torr。</li>
		<li>在 10 分钟内将温度升至 400 °C，在 400 °C 下保持 1 小时，随后让样品在高温区自然冷却。在整个过程中保持 H2S 气体的恒定流速和压力，直至样品温度降至 60 °C 以下。取出样品后，立即进行下一步操作，或将其存放在惰性气体手套箱中。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. 使用原生氧化物对SnS进行表面钝化
注意：此步骤在 ALD 和 TE 太阳能电池中的操作略有不同。在第 6.1 小节中描述了 ALD 太阳能电池的表面钝化程序，而 TE 太阳能电池的相应程序则在第 6.2 小节中描述。该步骤的功能将在讨论部分进一步讨论。
<ol>
	<li>对于原子层沉积（ALD）生长的样品，生长一层薄的 SnO2 通过原子层沉积法（ALD）。 
	注意：我们使用的反应器与用于SnS生长的反应器不同。
	<ol>
		<li>生长 SnO2 通过锡的环状酰胺[(1,3-双(1,1-二甲基乙基)-4,5-二甲基-(4R,5R)-1,3,2-二氮杂锡杂环戊二烯-2-亚基)Sn(II)]与过氧化氢（H₂O₂）的反应2O2）。将环状酰胺锡前驱体在43 °C的烘箱中保存，并将H2O2 在室温下的鼓泡器中。</li>
		<li>沉积过程中保持基底温度为 120 °C。</li>
		<li>暴露锡前驱体和 H2O2 分别使用 0.33 和 1.5 Torr·秒/循环，共进行 5 个循环。检查所获得的 SnO 薄膜的厚度2 通过X射线光电子能谱（XPS）分析测得为0.6至0.7 nm10.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对于TE生长的样品，形成一层薄薄的SnO2 通过空气暴露。
	<ol>
		<li>将样品置于实验室环境空气中暴露24小时。检查所得SnO₂薄膜的厚度是否在200至300纳米之间。2 通过XPS分析测得约为0.5 nm。 
		注意：通常室温为 24 ± 1 °C，相对湿度为 45% ± 13%（夏季较高）；本文所报道的设备实验环境温度为 24.6 ˚C &#60; 30%。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
7. Zn(O,S) / ZnO 缓冲层的沉积
注意：此步骤在用于通过原子层沉积（ALD）生长 SnS 的同一 ALD 腔室中进行。
<ol>
	<li>通过原子层沉积（ALD）生长 Zn(O,S):N 层。
	<ol>
		<li>将衬底温度维持在 120 °C。</li>
		<li>通过二乙基锌（Zn(C2H5)2，DEZ）、去离子水（H2O）、4% H2S 的氮气混合气（N2）和氨气（NH3）之间的反应，采用 ALD 法生长 Zn(O,S):N11。将装有 DEZ 的鼓泡器储存在室温（RT）下。采用 [DEZ-H2O-DEZ-NH3]14-[DEZ-H2S]1 的循环序列，并重复此超循环 12 次。确保氨气的暴露量为 11 Torr·秒。</li>
		<li>通过卢瑟福背散射谱学（Rutherford backscattering spectroscopy）测定，确认所得薄膜中 S/Zn 比例为 0.1412，且薄膜厚度约为 36 nm。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>通过原子层沉积（ALD）生长 ZnO 层。
	<ol>
		<li>将衬底温度维持在 120 °C。</li>
		<li>使用 DEZ-H2O 进行 50 个 ALD 循环来生长 ZnO。 
		注：所得 ZnO 薄膜的厚度约为 18 nm。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
8. 透明导电氧化物（TCO）氧化铟锡（ITO）的沉积
<ol>
	<li>使用实验室激光切割机从厚度为 0.024 英寸（610 μm）的 6061 铝板上切割出 ITO 阴影掩模。 
	注意：这些掩模定义了 11 个面积为 0.25 cm2 的矩形器件，以及位于一角的一个较大焊盘，用于光学反射率测量，见图 4。</li>
	<li>将器件和掩模安装至掩模对准器中。 
	注意：该装置为一块带有嵌套凹槽的铝板，用于放置基底和掩模，并配有夹具以固定掩模位置。</li>
	<li>通过反应磁控溅射法沉积 ITO。
	<ol>
		<li>将基底加热至约 80 – 90 ˚C，并启动基底旋转。</li>
		<li>采用直径为 2 英寸的 ITO 靶材（In2O3/SnO2 质量比 90/10，纯度 99.99%），在总气压 4 mTorr 条件下，以 65 W 射频溅射功率，通入 40 / 0.1 sccm 的 Ar / O2 气体流量。</li>
		<li>生长厚度为 240 nm 的 ITO 薄膜。 
		注意：在此参数下，可实现约 0.5 Å/sec 的生长速率，以及 40 – 60 Ω/sq 范围内的方块电阻。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
9. 金属化
<ol>
	<li>从厚度为 127 μm 的奥氏体不锈钢片上切割金属化遮蔽掩模。 
	注意：这些掩模由商业公司加工，公差为 +10/-5 µm。金属图案由两条相距 1.5 mm 的电极指构成，每条长 7 mm，并带有一个 1 × 1 mm2 的接触焊盘，见图 4。</li>
	<li>将器件和掩模安装至掩模对准仪中，步骤同 8.2。</li>
	<li>通过电子束蒸发沉积 Ag（用于 TE 器件）或 Ni/Al（用于 ALD 器件）。
	<ol>
		<li>将掩模对准仪安装到电子束金属蒸发系统的基底托盘上。抽真空至本底压力低于 1 × 10-6 Torr。</li>
		<li>以 2 Å/sec 的速率蒸发金属，总金属厚度沉积 500 nm。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
10. 器件表征
<ol>
	<li>在黑暗条件和 AM1.5 模拟太阳光下对所有器件进行电流-电压（“J-V”）测量。
	<ol>
		<li>通过采集经校准的硅基太阳能电池的 J-V 数据，调节太阳光模拟器的光源功率和高度，直至达到 AM1.5 辐照度条件下的校准电流值，完成太阳光模拟器的校准。</li>
		<li>采用铜铍四探针探头接触器件的顶部（阳极，Ag 或 Al）和底部（阴极，Mo）层，实现四线法连接；通过手术刀片刮除缓冲层和 SnS 层，以接触底部电极层。</li>
		<li>使用源表施加电压并测量电流，获取光照和暗态下的 J-V 数据。 
		注：器件通常在 ±0.5 V 范围内进行测量。器件响应不受电压扫描方向或扫描速率的影响。在常规测试中不使用限定面积的光阑，详见讨论部分。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>对所有器件进行外量子效率（EQE）测量，测量时采用可变光照和电压偏置条件。
	<ol>
		<li>通过测量硅校准光电二极管的响应，对 EQE 系统进行校准。 
		注：软件将此数据与 NIST 认证标准的测量结果进行比对，以相应调整光强。</li>
		<li>采用与步骤 10.1.2 相同的四线法连接器件。</li>
		<li>使用商用系统进行 EQE 测量，该系统在 270 至 1,100 nm 波长范围内以 100 Hz 斩波频率照射单色光，并测量产生的电流。按照设备制造商的标准操作程序执行该测量。</li>
		<li>在施加可变电压偏置和白光偏置条件下重复 EQE 测量。使用源表提供电压偏置，卤素灯提供光偏置。在正向和反向电压偏置下进行测量，并在最高约 1 个太阳光强的可变白光强度下进行测试。</li>
		<li>使用配备积分球的分光光度计测量 ITO 顶层的光学反射率（%R），以将外量子效率转换为内量子效率（IQE）。按照设备制造商的标准操作程序执行该测量。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Woodhouse, M., Goodrich, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perspectives+on+the+pathways+for+cadmium+telluride+photovoltaic+module+manufacturers+to+address+expected+increases+in+the+price+for+tellurium%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Perspectives on the pathways for cadmium telluride photovoltaic module manufacturers to address expected increases in the price for tellurium.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 115, 199-212 (2013).</li>
<li>Bloomberg New Energy Finance University 2013 - renewable energy, CCS, EST. , Available from:
 
 <a target="_blank" href="http://about.bnef.com/presentations/bnef-university-renewable-energy-ccs-est/">http://about.bnef.com/presentations/bnef-university-renewable-energy-ccs-est/</a> (2013).</li>
<li>Ramakrishna Reddy, K. T., Koteswara Reddy, N., Miles, R. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Photovoltaic+properties+of+SnS+based+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Photovoltaic properties of SnS based solar cells.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3041-3046 (2006).</li>
<li>Sinsermsuksakul, P., Heo, J., Noh, W., Hock, A. S., Gordon, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+Layer+Deposition+of+Tin+Monosulfide+Thin+Films%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Atomic Layer Deposition of Tin Monosulfide Thin Films.</a> Advanced Energy Materials. 1 (6), 1116-1125 (2011).</li>
<li>Noguchi, H., Setiyadi, A., Tanamura, H., Nagatomo, T., Omoto, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Characterization+of+vacuum-evaporated+tin+sulfide+film+for+solar+cell+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Characterization of vacuum-evaporated tin sulfide film for solar cell materials.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 35, 325-331 (1994).</li>
<li>Hartman, K., Johnson, J. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SnS+thin-films+by+RF+sputtering+at+room+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">SnS thin-films by RF sputtering at room temperature.</a> Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).</li>
<li>Tanusevski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+and+photoelectric+properties+of+SnS+thin+films+prepared+by+chemical+bath+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Semiconductor+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition.</a> Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501(2003).</li>
<li>Sharma, R. C., Chang, Y. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+S%E2%88%92Sn+%28Sulfur-Tin%29+system%5BTitle%5D)+AND+%22Bulletin+of+Alloy+Phase+Diagrams%22%5BJournal%5D)">The S−Sn (Sulfur-Tin) system.</a> Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).</li>
<li>Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3.88%25+Efficient+Tin+Sulfide+Solar+Cells+using+Congruent+Thermal+Evaporation%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation.</a> Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).</li>
<li>Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Overcoming+Efficiency+Limitations+of+SnS-Based+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Energy+Materials%22%5BJournal%5D)">Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells.</a> Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496(2014).</li>
<li>Hejin Park, H., Heasley, R., Gordon, R. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+layer+deposition+of+Zn%28O%2CS%29+thin+films+with+tunable+electrical+properties+by+oxygen+annealing%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Atomic layer deposition of Zn(O,S) thin films with tunable electrical properties by oxygen annealing.</a> Applied Physics Letters. 102 (13), 132110(2013).</li>
<li>Palmetshofer, L. Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Surface and Thin Film Analysis. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527636921.ch11/summary">http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527636921.ch11/summary</a> 191-202 (2011).</li>
<li>Scofield, J. H., Duda, A., Albin, D., Ballard, B. L., Predecki, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sputtered+molybdenum+bilayer+back+contact+for+copper+indium+diselenide-based+polycrystalline+thin-film+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Thin+Solid+Films%22%5BJournal%5D)">Sputtered molybdenum bilayer back contact for copper indium diselenide-based polycrystalline thin-film solar cells.</a> Thin Solid Films. 260 (1), 26-31 (1995).</li>
<li>Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((First+principles+study+of+point+defects+in+SnS%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Chemistry+Chemical+Physics%22%5BJournal%5D)">First principles study of point defects in SnS.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).</li>
<li>Vaux, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+methods%3A+Know+when+your+numbers+are+significant%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Research methods: Know when your numbers are significant.</a> Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

底物选择与清洗
使用氧化硅晶圆作为基底。这些基底为所制备的太阳能电池提供机械支撑，其电学性质并不重要。相比玻璃，优先选择硅晶圆是因为商业购买的硅晶圆通常比商业购买的玻璃晶圆更洁净，从而节省基底清洗时间。硅基底还具有比玻璃更高的热导率，这有助于在生长和退火过程中实现更均匀的加热。对于商业购买的玻璃晶圆，实验发现必须使用洗涤剂清洗，包括戴手套手动擦拭，随后进行温热超声清洗，才能去除所有可见污染痕迹，即便如此仍无法保证基底的洁净度。实验已证实，使用玻璃或硅基底对器件性能没有影响。然而，该对比是在器件效率处于2%–3%范围内进行的，随着基准效率的提升，重复进行此类对比仍具有研究价值。
通常使用定制设计的石英晶片载具一次清洗10个或更多基底。相比使用镊子单独操作晶片，该方法可获得更高的结果重现性。
钼溅射
决定在内部制备Mo背电极（阴极），而非采购多家供应商提...

薄膜光伏（PV）持续受到关注并引发大量研究活动。然而，光伏市场的经济格局正在迅速变化，开发具有商业成功前景的薄膜光伏技术已成为更具挑战性的任务。相比基于晶圆的技术，薄膜光伏在制造成本上的优势已不再被视为理所当然，因此必须在效率和成本两方面同时寻求改进。1,2 鉴于这一现实，我们选择开发硫化亚锡（SnS）作为薄膜光伏的吸光层材料。SnS具有内在的实际优势，有望转化为较低的制造成本。如果能够实现高效率，SnS有望成为商业化薄膜光伏中碲化镉（CdTe）的直接替代材料。本文展示了近期报道的创纪录SnS太阳能电池的制备工艺。我们重点关注基底选择、沉积条件、器件结构以及测量协议等实际问题。
SnS 由无毒、地壳中储量丰富且廉价的元素（锡和硫）组成。SnS 是一种惰性且不溶的半导体固体（矿物名称为赫岑贝格石），具有 1.1 eV 的间接带隙，对能量高于 1.4 eV 的光子具有强吸收性（α &#62; 104 厘米-1，以及内在的 p-型导电性，载流子浓度范围为1015&#160;– 1017 厘米-3.3–7 重要的是，SnS 可在高达 600 °C 的温度下稳定存在，并发生同成分蒸发。8,9 这意味着可以通过热蒸发（TE）及其高速变体——闭合空间升华法（CSS）来沉积SnS，后者已被用于CdTe太阳能电池的制造。这也意味着SnS的相调控远比大多数薄膜光伏材料简单，尤其是相较于Cu(In,Ga)(S,Se)而言。2 （CIGS）和 Cu2ZnSnS4 （CZTS）。因此，电池效率是SnS光伏技术商业化的首要障碍，一旦在实验室规模上实现高效率，SnS有望成为CdTe的直接替代材料。然而，这一效率瓶颈不容低估。我们估计，其最高效率必须从目前的约4%提升至约15%，即提高四倍，才能激发商业化开发。要将SnS发展为CdTe的直接替代材料，还需通过CSS技术生长高质量的SnS薄膜，并进一步开发相应的 n可直接生长SnS的-type衬底材料。
以下是使用两种不同沉积技术——原子层沉积（ALD）和热蒸发（TE）——制备高性能SnS太阳能电池的逐步操作流程。ALD是一种生长速度较慢的方法，但迄今为止所制备的器件效率最高。TE速度更快，且具有工业级可扩展性，但在效率方面尚不及ALD。除了SnS的沉积方法不同外，TE与ALD太阳能电池在退火、表面钝化和金属化步骤上也略有差异。器件制备的具体步骤如图1所示。
在描述该流程后，展示了经认证的记录装置及相关样品的测试结果。这些记录结果此前已有报道。本文重点介绍典型处理运行中结果的分布情况。

<table><tbody><tr><td>石英晶圆载具</td><td>AM Quartz, Gainesville, TX</td><td></td><td>定制设计</td></tr><tr><td>溅射系统</td><td>PVD Products</td><td></td><td>带负载锁的高真空溅射系统</td></tr><tr><td>4% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S in N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Airgas Inc.</td><td>X02NI96C33A5626</td><td></td></tr><tr><td>99.5% H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S</td><td>Matheson Trigas</td><td>G1540250</td><td></td></tr><tr><td>SnS 粉末</td><td>Sigma Aldrich</td><td>741000-5G</td><td></td></tr><tr><td>束源炉</td><td>Veeco</td><td>35-LT</td><td>低温单灯丝束源炉</td></tr><tr><td>二乙基锌（Zn(C&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;H&lt;sub&gt;5&lt;/sub&gt;)&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;)</td><td>Strem Chemicals</td><td>93-3030</td><td></td></tr><tr><td>激光切割机</td><td>Electrox</td><td>Scorpian G2</td><td>用于 ITO 遮蔽掩模</td></tr><tr><td>ITO 溅射靶材（In&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;3&lt;/sub&gt;/SnO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 90/10 wt.%, 99.99% 纯度）</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EJTITOX402A4</td><td></td></tr><tr><td>金属化遮蔽掩模</td><td>MicroConnex</td><td></td><td>定制设计</td></tr><tr><td>电子束蒸发仪</td><td>Denton</td><td></td><td>带负载锁的高真空金属蒸发仪</td></tr><tr><td>AM1.5 太阳能模拟器</td><td>Newport Oriel</td><td>91194</td><td>使用 AM1.5G 滤光片的 1,300 W 氙灯</td></tr><tr><td>分光光度计</td><td>Perkin Elmer</td><td>Lambda 950 UV-Vis-NIR</td><td>150 mm 涂有 Spectralon 的积分球</td></tr><tr><td>校准过的硅太阳能电池</td><td>PV Measurements</td><td></td><td>BK-7 窗口玻璃</td></tr><tr><td>双探针探头</td><td>Accuprobe</td><td>K1C8C1F</td><td></td></tr><tr><td>源表</td><td>Keithley</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>量子效率测量系统</td><td>PV Measurements</td><td>QEX7</td><td></td></tr><tr><td>校准过的硅光电二极管</td><td>PV Measurements</td><td></td><td></td></tr><tr><td>高通量太阳能电池测试平台</td><td>PV Measurements</td><td></td><td>定制设计</td></tr><tr><td>惰性泵油</td><td>DuPont</td><td>Krytox</td><td>PFPE 油，型号 1514；供应商：Eastern Scientific</td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S 耐受型弹性体 O 型圈</td><td>DuPont</td><td>Kalrez</td><td>化合物 7075；供应商：Marco Rubber</td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S 耐受型弹性体 O 型圈</td><td>Marco Rubber</td><td>Markez</td><td>化合物 Z1028</td></tr><tr><td>H&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S 耐受型弹性体 O 型圈</td><td>Seals Eastern, Inc.</td><td>Aflas</td><td>供应商：Marco Rubber</td></tr></tbody></table>

通过热蒸发和原子层沉积法制备高效率sns太阳能电池

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

硫化亚锡（SnS）是一种具有潜力的光吸收材料，可用于地球储量丰富且无毒的太阳能电池。SnS可通过等组分热蒸发实现简便的相态控制和快速生长，并能强烈吸收可见光。然而，长期以来SnS太阳能电池的最高光电转换效率一直低于2%。最近，我们采用原子层沉积法制备的SnS实现了4.36%的新认证最高效率，采用热蒸发法制备的SnS也达到了3.88%的效率。本文描述了这些创纪录太阳能电池的制备工艺，并报告了 fabrication 过程的统计分布情况。在单个基底上测得的效率标准偏差通常超过0.5%。文中详细介绍了所有步骤，包括基底的选择与清洗、用于背电极（阴极）的钼溅射、SnS的沉积、退火、表面钝化、Zn(O,S)缓冲层的选型与沉积、透明导电层（阳极）的沉积以及金属化过程。在每个基底上，我们制备了11个独立器件，每个器件的有源面积为0.25 cm2。此外，本文还介绍了一套高通量测试系统，可用于在模拟太阳光下自动测量电流-电压曲线，并在可变光偏置条件下测量外量子效率。利用该系统，我们能够在最短时间内以自动化方式完成全部11个器件的完整数据集采集。这些结果表明，相较于仅关注性能最优的个别器件，研究大样本数据集具有更高价值。大样本数据有助于我们识别并改进影响器件性能的各类独立损耗机制。

在图6-8中，展示了上述两种典型“基线”TE生长样品的结果。图6绘制了这两个样品在光照条件下的J-V数据。第一个样品（“SnS140203F”）制备的器件经认证的效率为3.88%，该结果此前已有报道。9 每个样品的典型J-V分布也一并展示。对于给定的偏置电压，这些分布按公式<img alt="静态平衡方程 ⟨J⟩±σJ/√N，用于统计分析的数学公式。" src="/files/ftp_upload/52705/52705eq1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="方程1">计算，其中&lt;J&gt;为所有器件测得电流密度的平均值，σJ为这些测量值的标准偏差，N为测量总次数。换言之，图中表示的是平均值及其标准误差。这种表示方式有助于比较不同样品的结果，并直观评估器件制备工艺变化对器件性能的影响。
J-<e...

硫化亚锡（SnS）是一种具有潜力的地球储量丰富且无毒的太阳能电池材料。本文展示了采用原子层沉积法制备SnS太阳能电池的工艺流程，该方法获得了4.36%的认证光电转换效率；此外，采用热蒸发法制备的器件效率达到3.88%。

通过热蒸发和原子层沉积法制备高效率SnS太阳能电池

硫化亚锡（SnS）是一种具有潜力的光吸收材料，适用于地球储量丰富且无毒的太阳能电池。SnS可通过一致生长实现简便的相态控制和快速成膜……

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。

making-record-efficiency-sns-solar-cells-thermal-evaporation-atomic

Research

科研

JoVE Journal

Engineering

工程

通过热蒸发和原子层沉积使记录效率的SnS太阳能电池

在玻璃基板上制备多晶硅薄膜太阳能电池，通过沉积掺硼和掺磷的硅层，随后进行晶化、缺陷钝化和金属化。通过在硅电池表面形成银纳米颗粒，并在其上覆盖一层漫反射层，引入等离激元光捕获结构，可实现约45%的光电流增强。...

具有等离激元增强型光捕获的多晶硅薄膜太阳能电池

本文介绍了一种用于太阳能生产的电荷分离型半导体纳米晶体复合材料的通用设计策略。我们展示了将给体-受体纳米晶体结构域组装于单一纳米颗粒几何结构中，可实现光催化功能；而给体-受体纳米晶体薄膜的体相异质结则可用于光伏能量转换。...

利用电荷分离型纳米晶体及其固体收集太阳能

介绍了一种基于可转移印刷的可行方法，用于在太阳能电池中引入等离激元金属纳米结构。利用纳米柱状聚二甲基硅氧烷印章，将基于银的有序纳米盘阵列与标准的氢化微晶硅太阳能电池集成，通过等离激元光捕获效应显著提升了器件性能。...

通过转印技术将光捕获银纳米结构集成于氢化微晶硅太阳能电池中

本文介绍了一种使用微型狭缝介电涂布机制备有机薄膜太阳能电池的方案，以及利用同步辐射散射技术进行相关在线结构表征的方法。...

体异质结太阳能电池的打印制备 原位 形态学表征

本方案描述了无机纳米晶体的逐层合成及其溶液沉积方法，用于在非导电表面制备薄膜电子器件。经溶剂稳定的墨水可通过旋涂和喷雾涂覆，在玻璃基底上形成完整的光伏器件，随后进行沉积后配体交换和烧结处理。...

全溶液法制备无机纳米晶光伏器件

我们通过比较晶体结构、态密度、能级以及最终的太阳能电池性能，对有机/无机钙钛矿薄膜不同制备方法的影响进行了深入研究。...

不同钙钛矿薄膜制备方法对成膜特性、电子结构及太阳能电池性能的影响

本文描述了如何设计和制备高效的倒置 SMPV1:PC71BM 太阳能电池，其中 ZnO 纳米棒（NRs）生长在高质量的铝掺杂 ZnO（AZO）种子层上。这些高度取向且垂直排列的 ZnO 纳米棒具有优异的结晶特性，太阳能电池的功率转换效率可达...

取向规整的垂直ZnO纳米棒阵列及其在倒置型小分子太阳能电池中的应用

本文介绍了一种制备高性能GaP/Si异质结太阳能电池的方案，该电池具有较高的Si少子寿命。...

开发高性能GaP/Si异质结太阳能电池

本研究描述了用于提高效率的薄吸收层碲化镉硒/碲化镉光伏器件的完整制备过程。该过程采用可扩展的自动化在线真空系统，通过近空间升华法进行沉积，适用于小面积科研器件以及大规模组件的制备。...

密闭空间升华沉积的超薄CdSeTe/CdTe太阳能电池以增强短路电流密度和光致发光

我们介绍了一种用于合成钙钛矿和介孔二氧化钛（mesoscopic-TiO2）薄膜的闪光电红外退火方法。通过在掺氟氧化锡（FTO）玻璃和涂覆氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯（ITO...

钙钛矿太阳能电池制备中的闪光电红外退火

通过整合表面改性的SnSe颗粒来制备CdSe-SnSe纳米复合材料。采用一种简单的水相合成方法制备SnSe颗粒。用CdSe分子配合物包覆SnSe颗粒，可调控纳米复合材料的晶粒尺寸并增加其中缺陷数量，从而降低其热导率。...

溶液法加工、表面工程化多晶CdSe-SnSe，表现出低热导率

了解硫化亚锡（SnS）太阳能电池的制备方法，通过原子层沉积和热蒸发技术实现4.36%和3.88%的功率转换效率。该方法为无毒薄膜太阳能电池的开发提供了可靠平台。

通过热蒸发和原子层沉积法制备高效率SnS太阳能电池

探索更多视频