Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine zuverlässige Plattform für die Entwicklung von Solarzellen auf Basis neuer Materialien zu etablieren. Dies wird erreicht, indem zunächst ein sauberer, elektrisch isolierender Untergrund vorbereitet wird. Der zweite Schritt besteht darin, zwei Schichten gesputtertes Molybdän für das hintere Loch abzuscheiden, selektiver elektrischer Kontakt.

Als nächstes scheiden Sie den Zinnsulfidabsorber vom P-Typ entweder durch Atomlagenabscheidung oder thermische Verdampfung ab. Der letzte Schritt besteht darin, den PN-Übergang fertigzustellen, indem ein Stapel von N-Typ-Schichten abgeschieden wird, der aus einer zusammengesetzten Zinkoxysulfid-Pufferschicht besteht, gefolgt von einem transparenten leitenden Oxid und Metallfingern, die abgeschieden werden, um die Ladungssammlung zu unterstützen. Letztendlich werden die resultierenden Solarzellen getestet, indem die Stromspannungskurven unter simuliertem Sonnenlicht und die Quanteneffizienz unter monochromatischer Beleuchtung gemessen werden.

Obwohl dieses Verfahren für die Entwicklung von Zinnsulfid-Solarzellen demonstriert wird, kann es auch zur Entwicklung anorganischer Solarzellen im Dünnschichtsubstrat-Stil auf Basis anderer neuer Materialien verwendet werden. Die Abscheidung von Zinnsulfid durch Atomlagenabscheidung wird von Schwan Yang, einem Doktoranden der Gordon Group in Harvard, weit Steinman, demonstriert. Ein Postdoc im Photovoltaik-Forschungslabor am MIT wird die Abscheidung von 10-Sulfid durch thermische Verdampfung demonstrieren.

Dieses Video beginnt nach der Vorbereitung der Silizium-Wafer-Substrate. Verwenden Sie einen Quadratzoll polierte 500 Mikrometer dicke Siliziumwafer mit einem 300 Nanometer oder dickeren thermischen Oxid. Sputtern Sie zuerst eine 360 Nanometer dicke Haftschicht aus Molybdän und scheiden Sie dann eine zweite 360 Nanometer dicke Leitungsschicht aus Maum ab.

Lagern Sie die vorbereiteten Substrate in einer Stickstoffhandschuhbox, bis es Zeit für die Abscheidung des Zinnsulfids ist, um die Substrate für die Atomlagenabscheidung vorzubereiten. Übertragen Sie sie zunächst in einen UV-Ozonreiniger, um organische Partikel zu entfernen. Reinigen Sie die Untergründe fünf Minuten lang.

Stellen Sie während der Reinigung sicher, dass sich der Substrathalter für die Abscheidungskammer in der Nähe befindet. Wenn sie fertig sind, nehmen Sie die Substrate zurück und legen Sie sie in den Probenhalter. Dieser Probenhalter ist mit Substraten beladen und bereit für die Platzierung in der Abscheidungskammer.

Setzen Sie den Halter in den Ofen ein und pumpen Sie den Ofen mit einer Schruppvakuumpumpe ab. Stabilisieren Sie anschließend die Ofentemperatur bei 200 Grad Celsius. Fahren Sie fort, indem Sie die Vorläufer überprüfen.

Bewahren Sie Zinn, einen Vorläufer für die Abscheidung von Zinnsulfid, in einem Ofen bei 95 Grad Celsius auf. Ordnen Sie die Gasleitungen so an, dass reines Stickstoffgas vorhanden ist, um die Abgabe von Zinndampf zu unterstützen. Der zweite Vorläufer ist Schwefelwasserstoff in einem Gasgemisch von 4 %. Schwefelwasserstoff in Stickstoffgas setzt die Abscheidung mit einer Wachstumsrate von 0,33 Angström pro Zyklus fort.

Während jedes Atomlagenabscheidungszyklus sind drei Dosen von 10 ate für eine Gesamtexposition von 1,1 Tor Sekunde zu verabreichen. Spülen Sie dann die Kammer mit Stickstoffgas. Als nächstes wird der Schwefelwasserstoff in Stickstoffgas für eine Exposition von 1,5 Tor Sekunden injiziert.

Zum Schluss erneut mit Stickstoff spülen. Ein alternatives Abscheidungsverfahren ist die thermische Verdampfung. Stellen Sie sicher, dass der Druck der Prozesskammer zweimal 10 bis minus sieben Tor oder weniger beträgt.

Verwenden Sie einen Probenhalter mit entsprechend großen Taschen, um das Substrat sicher zu halten. Verwenden Sie wie bisher einen zuvor vorbereiteten Untergrund mit zwei Schichten Molybdän. Hier schematisch dargestellt.

Bestücken Sie den Halter mit diesem Substrat und kleinen zusätzlichen CYS-Substraten für die spätere Charakterisierung. Laden Sie den Probenhalter durch die Ladeschleuse in den thermischen Verdampfer. Pumpen Sie die Schleuse herunter und übertragen Sie die Substrate in die Wachstumskammer.

Wenn Sie den Transferarm in Position bringen, fahren Sie die Quell- und Substratheizungen hoch, um eine Wachstumsrate von einem Angström pro Sekunde und eine Substrattemperatur von 240 Grad Celsius zu erreichen. Heben Sie nun die Substrate an, um die Abscheiderate mit dem Quarzmonitor zu messen. Schalten Sie den linearen Translationsarm ein, um den Quarzkristallmonitor in die Prozesskammer zu bewegen.

Sobald er angebracht ist, öffnen Sie den Quellenverschluss, um die Messung zu starten. Die Wachstumsrate wird auf der Vorderseite des Crystal Monitor-Controllers angezeigt. Wenn die Messung abgeschlossen ist, schließen Sie den Verschluss und entfernen Sie den Quarzmonitor aus der Kammer.

Senken Sie dann die Substrate in die Wachstumsposition ab und öffnen Sie den Source-Shutter, um die Abscheidung zu starten. Bei der angestrebten Schichtdicke von 1000 Nanometern dauert die Abscheidung etwa drei Stunden. Wenn die Abscheidung abgeschlossen ist, schließen Sie den Quellenshutter.

Wiederholen Sie die Messung der Wachstumsrate mit dem Quarzkristallmonitor. Schließen Sie nach der Messung den Quellenverschluss, schalten Sie die Heizungen aus und warten Sie, bis die Substrate abgekühlt sind, bevor Sie sie in die Lastschleuse übertragen. Entlüften Sie die Schleuse, um Luft zu erhalten, und entladen Sie die Substrate.

Montieren Sie sie schnell aus dem Probenhalter und transportieren Sie sie in eine Stickstoff-Handschuhbox. Nach der Atomlagen- oder der thermischen Verdampfungsabscheidung weist die Probe eine Zinnsulfidschicht auf. Alle Proben werden dann in Schwefelwasserstoffgas gekniet, gefolgt von einer Oberflächenberuhigung mit einem nativen Oxid.

Der nächste Schritt ist die Abscheidung von Zinkoxysulfid- und Zinkoxidpufferschichten vom Typ N durch Atomlagenabscheidung. Der nächste Schritt ist die Abscheidung des transparenten Leiters. Wir verwenden Indiumzinnoxid vor der Abscheidung von Indiumzinnoxid.

Die aktiven Bereiche der Geräte müssen festgelegt sein. Verwenden Sie Metallschattenmasken, um die Größe des transparenten leitenden Oxidpads zu definieren, mit dem der aktive Gerätebereich festgelegt wird. Die Masken definieren 11 rechteckige Geräte mit einer Größe von 0,25 Quadratzentimetern sowie ein größeres Pad in einer Ecke, das für optische Reflexionsmessungen in der Zeichnung verwendet wird.

Einen Hinweis auf die Größe der Indiumzinnoxidschicht, die für ein Gerät hinzugefügt werden soll, gibt der schattierte Bereich, montieren Sie die Geräte und Masken in einen Masken-Aligner. Die Masken sollten ausreichend dick sein, damit sie sich im Mask Aligner nicht verbiegen. Andernfalls kann der Bereich des Oxidpads schlecht definiert werden.

Bringen Sie den Masken-Aligner mit den montierten Geräten in die Sputterkammer. Bringen Sie den Masken-Aligner für den Abscheidungsschritt in Position. Der nächste Schritt besteht darin, einen 240 Nanometer dicken Indiumzinnoxidfilm zu züchten.

Erhitzen Sie dazu das Substrat auf 80 bis 90 Grad Celsius und aktivieren Sie die Substratrotation. Stellen Sie das Hochfrequenz-Sputtern, die Leistung, den Argon- und Sauerstoffgasdurchfluss und den Druck ein und überwachen Sie dann die Abscheidung schematisch. Dies ist der Zustand des Geräts nach der Abscheidung von Indiumzinnoxid.

Der nächste Schritt ist die Metallisierung. Verwenden Sie eine Schattenmaske und Elektronenstrahlverdampfung, um 500 Nanometer leitfähiges Metall abzuscheiden, entweder Silber oder einen Nickel-Aluminium-Stapel. Dies ist ein vollständiges Beispiel.

Beachten Sie, dass das hier gezeigte Muster bereits zerkratzt wurde, um den Molybdän-Rückkontakt nach der Herstellung freizulegen. Fahren Sie mit der Gerätecharakterisierung fort: Verwenden Sie einen Sonnensimulator, der für einen Luftmassenkoeffizienten von 1,5 kalibriert ist. Kratzen Sie zunächst mit einer Skalpellklinge die Puffer- und Zinnsulfidschichten ab und legen Sie den Molybdän-Rückenkontakt frei.

Legen Sie anschließend die Probe auf das schienenmontierte Probenfutter, ein Vakuum hält die Probe an Ort und Stelle und die Spannfuttertemperatur wird auf 25 Grad Celsius geregelt. Stellen Sie nun elektrischen Kontakt mit jedem der Geräte auf der Probe und dem zerkratzten Rückenkontakt her. Dies geschieht hier mit einer speziellen Probe Card, die alle Geräte gleichzeitig mit Kupfer-Beryllium kontaktiert.

Doppelte Sondenspitzen im Vierdrahtmodus für Routinemessungen. Verzichten Sie auf die Verwendung einer Lichtblende für strengere Tests, und die Blende sollte zur Definition des aktiven Bereichs verwendet werden. Hierfür kann die transparente leitende Oxidschattenmaske verwendet werden.

Bewegen Sie das Spannfutter so, dass die Geräte in Position sind, um mit einem automatisierten Testsystem Daten zur Hell- und Dunkelstromspannung zu erfassen. Programmieren Sie das System so, dass es die einzelnen Geräte nacheinander abtastet, während der Lichtverschluss geöffnet und geschlossen wird. Die Tests sind in diesem Video zu sehen, sollten aber normalerweise hinter einem schwarzen Vorhang durchgeführt werden, um das Umgebungslicht zu reduzieren.

Nachdem die Stromspannungsmessungen das Probenfutter in das externe Quanteneffizienzsystem geschoben haben, liefern die beleuchteten Stromspannungsdaten, die externen Quanteneffizienzdaten und die optischen Reflexionsmessungen eine Basischarakterisierung der Bauelemente. Hier sind die Leistungsdaten von Solarzellen für Geräte an zwei Proben, die durch thermische Verdampfung hergestellt wurden. Die Proben werden für jedes Gerät farblich grau und für jedes Gerät rot unterschieden.

Angegeben sind die Leerlaufspannung, die Kurzschlussstromdichte, der Füllfaktor und der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung. Die besten Geräte haben einen Wirkungsgrad von etwa 4%. Die offensichtliche Korrelation zwischen dem Wirkungsgrad und dem Füllfaktor über beide Geräte hinweg stimmt mit Geräten überein, die unter Shunt- oder Serienwiderstandsverlusten leiden.

Die Daten in Rot zeigen auch eine Korrelation zwischen dem Wirkungsgrad und der Leerlaufspannung, wie sie für den Shunt-Widerstand erwartet wird. Verluste zum Vergleich. Hier sind die Leistungsdaten von Solarzellen für Geräte, die mit Atomlagenabscheidung hergestellt wurden.

Diese Geräte haben eine bessere Leistung als die thermischen Verdampfungsgeräte, wobei die besten einen Wirkungsgrad von 4,6 % aufweisen. Verschiedene Faktoren können für diesen Unterschied verantwortlich sein. Ein Faktor ist, dass Bauelemente, die mit Atomlagenabscheidung hergestellt werden, unter einem geringeren Shuntwiderstand zu leiden scheinen. Verluste.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hydrogensulfat sehr gefährlich sein kann. Stellen Sie sicher, dass der Sulfatwasserstofftank in einem Belüftungsgerät wie einer Folienhaube mit Chlorwasserstoffdetektoren gelagert wird. Wir betrachten dieses Baseline-Herstellungsprotokoll als eine Plattform zur Durchführung kontrollierter und fokussierter Experimente, die darauf abzielen, die Gesamtleistung der Solarzellen zu verbessern und bestimmte Verlustmechanismen besser zu verstehen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man eine reproduzierbare Solarzelle im Substratstil herstellt.