Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas

El objetivo general de este procedimiento es establecer una plataforma confiable para el desarrollo de celdas solares basadas en nuevos materiales. Esto se logra primero preparando un sustrato aislante eléctrico limpio. El segundo paso consiste en depositar dos capas de molibdeno pulverizado para el contacto eléctrico trasero selectivo para huecos.

A continuación, deposite el absorbedor de sulfuro de estaño de tipo P mediante deposición por capas atómicas o evaporación térmica. El último paso consiste en finalizar la unión PN depositando una pila de capas de tipo N compuesta por una capa tampón de oxosulfuro de zinc, seguida por un óxido conductor transparente y dedos metálicos depositados para facilitar la recolección de carga. Finalmente, las celdas solares resultantes se prueban midiendo las curvas corriente-voltaje bajo luz solar simulada y la eficiencia cuántica bajo iluminación monocromática.

Aunque este método se demuestra para el desarrollo de celdas solares de sulfuro de estaño, también puede utilizarse para desarrollar celdas solares de capa delgada inorgánica sobre sustrato basadas en otros nuevos materiales. La deposición de sulfuro de estaño mediante deposición en capas atómicas será demostrada por Schwan Yang, un estudiante de posgrado en el Grupo Gordon en Harvard, lejos de Steinman. Un postdoctorado en el laboratorio de investigación fotovoltaica del MIT demostrará la deposición de sulfuro de 10 mediante evaporación térmica.

Este video comienza después de la preparación de los sustratos de oblea de silicio. Utilice obleas cuadradas de una pulgada de silicio pulido, con un espesor de 500 micrones y una capa de óxido térmico de 300 nanómetros o más gruesa. Primero, se sputteriza una capa de adhesión de 360 nanómetros de molibdeno y luego se deposita una segunda capa conductora de 360 nanómetros de espesor de maum.

Guarde los sustratos preparados en una caja de guantes con atmósfera de nitrógeno hasta el momento del depósito de sulfuro de estaño para preparar los sustratos para la deposición por capas atómicas. Primero, transfiéralos a un limpiador de ozono UV para eliminar partículas orgánicas. Limpie los sustratos durante cinco minutos.

Mientras se lleva a cabo la limpieza, asegúrese de que el portasustratos para la cámara de deposición esté cerca. Cuando estén listos, recupere los sustratos y colóquelos en el portamuestras. Este portamuestras está cargado con sustratos y está listo para ser colocado en la cámara de deposición.

Introduzca el portador en el horno y luego bombee el horno utilizando una bomba de vacío de purga. A continuación, estabilice la temperatura del horno a 200 grados Celsius. Continúe verificando los precursores.

Mantenga el estannato como precursor para la deposición de sulfuro de estaño en un horno a 95 grados Celsius. Organice la tubería de gas para que gas nitrógeno puro ayude al transporte del vapor de estannato. El segundo precursor es sulfuro de hidrógeno en una mezcla gaseosa de 4 % de sulfuro de hidrógeno en gas nitrógeno; continúe con la deposición a una velocidad de crecimiento de 0,33 angstroms por ciclo.

En cada ciclo de deposición de capas atómicas, suministre tres dosis de 10 ate durante un tiempo total de exposición de 1,1 tor segundo. A continuación, purifique la cámara con gas nitrógeno. Después, inyecte el sulfuro de hidrógeno en gas nitrógeno durante un tiempo de exposición de 1,5 tor segundo.

Finalmente, purifique nuevamente con nitrógeno. Un método de deposición alternativo es la evaporación térmica. Asegúrese de que la presión en la cámara de proceso sea dos veces 10 a la menos siete tor o inferior.

Utilice un portamuestras con bolsillos de tamaño adecuado para sostener firmemente el sustrato. Como antes, use un sustrato previamente preparado con dos capas de molibdeno. Aquí representado esquemáticamente.

Cargue el portador con este sustrato y pequeños sustratos adicionales de CYS para su posterior caracterización. Introduzca el portador de muestras en el evaporador térmico a través de la esclusa de carga. Evacúe la esclusa de carga y luego transfiera los sustratos a la cámara de crecimiento.

Utilizando el brazo de transferencia cuando están en posición, aumente gradualmente los calentadores de la fuente y del sustrato para lograr una tasa de crecimiento de un angstrom por segundo y una temperatura del sustrato de 240 grados Celsius. Ahora eleve los sustratos para medir la tasa de deposición con el monitor de cristal de cuarzo. Active el brazo de traslación lineal para mover el monitor de cristal de cuarzo dentro de la cámara de proceso.

Una vez que esté en su lugar, abra el obturador de la fuente para comenzar la medición. La tasa de crecimiento se indica en el panel frontal del controlador del Monitor de Cristal. Cuando finalice la medición, cierre el obturador y retire el monitor de cuarzo de la cámara.

Luego, baje los sustratos a la posición de crecimiento y abra el obturador de la fuente para iniciar la deposición. Para el espesor objetivo de la película de 1000 nanómetros, la deposición tomará aproximadamente tres horas. Cuando la deposición haya finalizado, cierre el obturador de la fuente.

Repita la medición de la tasa de crecimiento utilizando el monitor de cristal de cuarzo. Después de la medición, cierre el obturador de la fuente, apague los calentadores y espere a que los sustratos se enfríen antes de transferirlos a la cámara de carga. Abra la cámara al aire y retire los sustratos.

Desmonte rápidamente los especímenes del portamuestras y transpórtelos al almacenamiento en una caja de guantes con nitrógeno. Después del proceso de deposición por capa atómica o por evaporación térmica, la muestra tendrá una capa de sulfuro de estaño. A continuación, todas las muestras se someten a un recocido en gas sulfuro de hidrógeno seguido de una pasivación superficial con un óxido natural.

El siguiente paso es la deposición de capas intermedias de óxido de zinc y oxosulfuro de zinc de tipo N mediante deposición atómica en capas. El siguiente paso es la deposición del conductor transparente. Utilizamos óxido de indio y estaño antes de la deposición del óxido de indio y estaño.

Se deben establecer las áreas activas de los dispositivos. Utilice máscaras de sombra metálicas para definir el tamaño del pad de óxido conductor transparente, lo cual determina el área activa del dispositivo. Las máscaras definen 11 dispositivos rectangulares de 0,25 centímetros cuadrados de tamaño, además de un pad más grande en una esquina que se utiliza para mediciones de reflectividad óptica en el dibujo.

Se indica el tamaño de la capa de óxido de indio y estaño que debe agregarse para un dispositivo mediante el área sombreada; monte los dispositivos y las máscaras en un alineador de máscaras. Las máscaras deben ser lo suficientemente gruesas para que no se flexionen en el alineador. De lo contrario, el área del pad de óxido puede definirse deficientemente.

Lleve el alineador de máscara con los dispositivos montados a la cámara de pulverización catódica. Coloque el alineador de máscara en posición para el paso de deposición. El siguiente paso consiste en crecer una película de óxido de indio y estaño de 240 nanómetros de espesor.

Para hacer esto, caliente el sustrato a entre 80 y 90 grados Celsius y active la rotación del sustrato. Establezca el sputtering de radiofrecuencia, la potencia, los caudales de gas argón y oxígeno y la presión, y luego supervise esquemáticamente la deposición. Este es el estado del dispositivo tras la deposición de óxido de indio y estaño.

El siguiente paso es la metalización. Utilice una máscara de sombra y evaporación por haz de electrones para depositar 500 nanómetros de metal conductor, ya sea plata o una pila de níquel y aluminio. Esta es una muestra completada.

Tenga en cuenta que la muestra mostrada aquí ya ha sido rayada para exponer el contacto posterior de molibdeno tras la fabricación. Continúe con la caracterización del dispositivo utilizando un simulador solar calibrado para un coeficiente de masa de aire de 1.5. Primero, utilice una cuchilla de bisturí para raspar las capas de buffer y sulfuro de estaño y exponer el contacto posterior de molibdeno.

A continuación, coloque la muestra sobre la mordaza para muestras montada en el riel; un vacío mantiene la muestra en su lugar y la temperatura de la mordaza se controla a 25 grados Celsius. Ahora, establezca contacto eléctrico con cada uno de los dispositivos en la muestra y con el contacto trasero rayado. Esto se realiza aquí mediante una tarjeta de prueba personalizada que contacta todos los dispositivos simultáneamente con cobre berilio.

Doble puntas de sonda en modo de cuatro hilos para mediciones rutinarias. Omita el uso de una abertura de luz para pruebas más rigurosas, y se debe utilizar una abertura para definir el área activa. La máscara de sombra de óxido conductor transparente se puede usar con este fin.

Mueva el portamuestras para que los dispositivos queden en posición y puedan recoger datos de voltaje de corriente oscura y luminosa mediante un sistema de prueba automatizado. Programe el sistema para que examine los dispositivos individuales secuencialmente mientras abre y cierra el obturador de luz. La prueba se puede observar en este video, pero normalmente debe realizarse detrás de una cortina negra para reducir la luz ambiental.

Después de realizar las mediciones de corriente y voltaje, deslice el portamuestras en el sistema de eficiencia cuántica externa; los datos de corriente y voltaje bajo iluminación, los datos de eficiencia cuántica externa y las mediciones de reflectancia óptica proporcionan una caracterización de referencia de los dispositivos. A continuación se presentan los datos de rendimiento de celdas solares para dispositivos en dos muestras fabricadas mediante evaporación térmica. Las muestras se distinguen por color: gris para una, roja para la otra, en cada dispositivo.

Se proporcionan el voltaje de circuito abierto, la densidad de corriente de cortocircuito, el factor de llenado y la eficiencia de conversión de potencia. Los mejores dispositivos tienen una eficiencia de aproximadamente el 4 %. La correlación aparente entre la eficiencia y el factor de llenado en ambos dispositivos es consistente con dispositivos que presentan pérdidas por resistencia en derivación o en serie.

Los datos en rojo también muestran una correlación entre la eficiencia y el voltaje de circuito abierto, como se espera para la resistencia en derivación. Pérdidas para comparación. A continuación se presentan los datos de rendimiento de celdas solares para dispositivos fabricados mediante deposición atómica de capas.

Estos dispositivos tienen un mejor rendimiento que los dispositivos de evaporación térmica, con un máximo de eficiencia del 4,6%. Diversos factores pueden explicar esta diferencia. Uno de ellos es que los dispositivos fabricados con deposición atómica en capas parecen presentar menores pérdidas por resistencia en derivación.

No olvide que trabajar con ácido sulfúrico puede ser muy peligroso. Asegúrese de que el tanque de ácido sulfúrico esté almacenado en un dispositivo de ventilación de aire, como una campana extractora, con detectores de ácido sulfúrico. Consideramos este protocolo básico de fabricación como una plataforma para realizar experimentos controlados y enfocados, diseñados para mejorar el rendimiento general de la celda solar y para comprender mejor los mecanismos específicos de pérdida.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar una celda solar con un estilo de sustrato reproducible.