Faire Enregistrez-efficacité SnS cellules solaires par évaporation thermique et Atomic Layer Deposition

L'objectif général de cette procédure est d'établir une plateforme fiable pour le développement de cellules solaires basées sur de nouveaux matériaux. Cela est réalisé en préparant tout d'abord un substrat isolant électriquement propre. La deuxième étape consiste à déposer deux couches de molybdène pulvérisé pour former le contact électrique sélectif arrière pour les trous.

Déposez ensuite l'absorbeur en sulfure d'étain de type P par dépôt atomique en couche ou par évaporation thermique. La dernière étape consiste à finaliser la jonction PN en déposant une pile de couches de type N composée d'une couche tampon en oxy-sulfure de zinc, suivie d'un oxyde conducteur transparent et de doigts métalliques déposés pour faciliter la collecte des charges. Enfin, les cellules solaires obtenues sont testées en mesurant les courbes courant-tension sous lumière solaire simulée et l'efficacité quantique sous éclairement monochromatique.

Bien que cette méthode soit illustrée pour le développement de cellules solaires au sulfure d'étain, elle peut également être utilisée pour concevoir des cellules solaires à couche mince inorganique de type substrat basées sur d'autres nouveaux matériaux. Le dépôt de sulfure d'étain par dépôt en couche atomique sera démontré par Schwan Yang, étudiant diplômé du groupe Gordon à Harvard, loin Steinman. Un postdoctorant du laboratoire de recherche en photovoltaïque du MIT démontrera le dépôt du sulfure de 10 par évaporation thermique.

Ce vidéo commence après la préparation des substrats de tranche de silicium. Utilisez une tranche de silicium polie d'un pouce carré d'une épaisseur de 500 micromètres avec un oxyde thermique d'au moins 300 nanomètres d'épaisseur. Tout d'abord, pulvériser une couche d'adhésion de 360 nanomètres de molybdène, puis déposer une seconde couche conductrice de 360 nanomètres d'épaisseur en maum.

Conserver les substrats préparés dans une boîte à gants sous azote jusqu’au moment du dépôt du sulfure d’étain afin de préparer les substrats pour le dépôt en couche atomique. Tout d’abord, les transférer dans un nettoyeur UV-ozone pour éliminer les particules organiques. Nettoyer les substrats pendant cinq minutes.

Pendant le nettoyage, assurez-vous que le porte-substrat pour la chambre de dépôt est à proximité. Lorsqu'ils sont prêts, récupérez les substrats et placez-les dans le porte-échantillon. Ce porte-échantillon, chargé de substrats, est prêt à être placé dans la chambre de dépôt.

Insérez le porte-échantillon dans le four, puis faites le vide dans le four à l’aide d’une pompe à vide primaire. Ensuite, stabilisez la température du four à 200 degrés Celsius. Poursuivez en vérifiant les précurseurs.

Conserver l'étain ate comme précurseur pour le dépôt du sulfure d'étain dans une étuve à 95 degrés Celsius. Organiser la tuyauterie gazeuse afin d'utiliser un gaz azote pur pour faciliter la délivrance de la vapeur d'étain ate. Le second précurseur est le sulfure d'hydrogène présent dans un mélange gazeux contenant 4 % de sulfure d'hydrogène dans du gaz azote ; procéder alors au dépôt avec une vitesse de croissance de 0,33 angström par cycle.

Lors de chaque cycle de dépôt en couche atomique, introduire trois doses de 10 ate pour une exposition totale de 1,1 tor seconde. Ensuite, purger la chambre avec du gaz azote. Puis, injecter le sulfure d'hydrogène dans du gaz azote pour une exposition de 1,5 tor seconde.

Enfin, purger à nouveau avec de l'azote. Une méthode alternative de dépôt est l'évaporation thermique. Veiller à ce que la pression dans la chambre de traitement soit deux fois 10 à la puissance moins sept torr ou inférieure.

Utilisez un porte-échantillon doté de poches de taille appropriée pour maintenir le substrat fermement. Comme précédemment, utilisez un substrat préparé au préalable comportant deux couches de molybdène. Ici représenté schématiquement.

Chargez le porte-échantillon avec ce substrat et de petits substrats supplémentaires de CYS destinés à une caractérisation ultérieure. Insérez le porte-échantillon dans l'évaporateur thermique via la chambre de chargement. Faites le vide dans la chambre de chargement, puis transférez les substrats dans la chambre de croissance.

À l'aide du bras de transfert une fois qu'ils sont en position, augmenter progressivement la puissance des chauffages de la source et du substrat afin d'obtenir une vitesse de croissance d'un angström par seconde et une température du substrat de 240 degrés Celsius. Élever maintenant les substrats afin de mesurer la vitesse de dépôt à l'aide du moniteur à cristal de quartz. Activer le bras de translation linéaire pour déplacer le moniteur à cristal de quartz dans l'enceinte de traitement.

Une fois en place, ouvrez l'obturateur de la source pour commencer la mesure. Le taux de croissance est indiqué sur le panneau avant du contrôleur du moniteur de cristal. Lorsque la mesure est terminée, fermez l'obturateur et retirez le moniteur en quartz de la chambre.

Abaissez ensuite les substrats en position de croissance et ouvrez l'obturateur de la source pour commencer le dépôt. Pour une épaisseur cible de 1000 nanomètres, le dépôt prendra environ trois heures. Une fois le dépôt terminé, fermez l'obturateur de la source.

Répétez la mesure du taux de croissance à l’aide du moniteur à cristal de quartz. Après la mesure, fermez l’obturateur de la source, éteignez les chauffages et attendez que les substrats refroidissent avant de les transférer vers la chambre de chargement. Remplissez la chambre d’air ambiant et retirez les substrats.

Démontez rapidement les échantillons du porte-échantillon et transférez-les vers un stockage dans une boîte à gants sous azote. Après le dépôt par couche atomique ou par évaporation thermique, l'échantillon présentera une couche de sulfure d'étain. Tous les échantillons subissent ensuite un recuit dans du gaz sulfure d'hydrogène, suivi d'une passivation de surface par un oxyde natif.

L'étape suivante consiste en le dépôt de couches tampons de sulfure d'oxyde de zinc de type N et d'oxyde de zinc par dépôt en couche atomique. L'étape suivante est le dépôt du conducteur transparent. Nous utilisons de l'oxyde d'indium-étain avant le dépôt de l'oxyde d'indium-étain.

Les zones actives des dispositifs doivent être définies. Utilisez des masques d'ombrage métalliques pour déterminer la taille du plot en oxyde conducteur transparent, ce qui fixe la surface active du dispositif. Les masques définissent 11 dispositifs rectangulaires de 0,25 centimètre carré chacun, ainsi qu'un plot plus grand situé dans un coin, utilisé pour les mesures de réflectivité optique sur le schéma.

Une indication de la taille de la couche d'oxyde d'indium et d'étain à ajouter pour un dispositif est donnée par la zone ombrée ; montez les dispositifs et les masques sur un aligneur de masques. Les masques doivent être suffisamment épais pour ne pas fléchir dans l'aligneur de masques. Sinon, la zone du plot d'oxyde peut devenir mal définie.

Prendre l'aligneur de masque avec les dispositifs montés et le transporter vers la chambre de pulvérisation cathodique. Placer l'aligneur de masque en position pour l'étape de dépôt. L'étape suivante consiste à faire croître un film d'oxyde d'indium-étain d'une épaisseur de 240 nanomètres.

Pour ce faire, chauffez le substrat à 80 à 90 degrés Celsius et activez la rotation du substrat. Réglez le pulvérisation cathodique à haute fréquence, la puissance, le débit de gaz argon et oxygène et la pression, puis surveillez schématiquement le dépôt. Telle est l'état du dispositif après le dépôt d'oxyde d'indium-étain.

L'étape suivante est la métallisation. Utilisez un masque d'ombre et une évaporation par faisceau d'électrons pour déposer 500 nanomètres de métal conducteur, soit de l'argent, soit un empilement de nickel et d'aluminium. Voici un échantillon terminé.

Remarquez que l'échantillon montré ici a déjà été gratté pour exposer le contact arrière en molybdène après sa fabrication. Passez à la caractérisation du dispositif à l'aide d'un simulateur solaire étalonné pour un coefficient de masse d'air de 1,5. Commencez par utiliser une lame de scalpel pour gratter les couches tampon et de sulfure d'étain et ainsi exposer le contact arrière en molybdène.

Placez ensuite l'échantillon sur le mandrin d'échantillon monté sur rail ; un vide maintient l'échantillon en place et la température du mandrin est régulée à 25 degrés Celsius. Établissez maintenant le contact électrique avec chacun des dispositifs présents sur l'échantillon ainsi qu'avec le contact arrière rayé. Ceci est réalisé ici à l'aide d'une carte de sondes sur mesure qui établit le contact simultanément avec tous les dispositifs en cuivre béryllium.

Utiliser des embouts de sonde doubles en mode quatre fils pour les mesures de routine. Omettre l'utilisation d'une ouverture lumineuse pour des tests plus rigoureux, et utiliser une ouverture afin de définir la surface active. Le masque d'ombrage en oxyde conducteur transparent peut être utilisé à cet effet.

Déplacez le mandrin afin que les dispositifs soient positionnés pour recueillir les données de tension de courant lumineux et sombre à l’aide d’un système de test automatisé. Programmez le système pour sonder les dispositifs individuellement tout en ouvrant et fermant l’obturateur de lumière. Le test peut être observé dans cette vidéo, mais il devrait normalement être effectué derrière un rideau noir afin de réduire la lumière ambiante.

Après les mesures courant-tension, insérez le porte-échantillon dans le système d'efficacité quantique externe ; les données de courant-tension sous illumination, les données d'efficacité quantique externe et les mesures de réflectance optique fournissent une caractérisation de base des dispositifs. Voici les données de performance de cellules solaires pour des dispositifs provenant de deux échantillons fabriqués par évaporation thermique. Les échantillons sont distingués par une couleur grise pour l'un, rouge pour l'autre, pour chaque dispositif.

La tension en circuit ouvert, la densité de courant de court-circuit, le facteur de forme et le rendement de conversion de puissance sont indiqués. Les meilleurs dispositifs présentent un rendement d'environ 4 %. La corrélation apparente entre le rendement et le facteur de forme pour l'ensemble des dispositifs est compatible avec des dispositifs souffrant de pertes dues à une résistance parallèle ou série.

Les données en rouge montrent également une corrélation entre l'efficacité et la tension en circuit ouvert, comme prévu pour la résistance de fuite. Pertes à titre comparatif. Voici les données de performance de cellules solaires pour des dispositifs fabriqués à l'aide du dépôt atomique en couche.

Ces dispositifs présentent de meilleures performances que les dispositifs à évaporation thermique, le meilleur d'entre eux affichant un rendement de 4,6 %. Plusieurs facteurs peuvent expliquer cette différence. L'un de ces facteurs est que les dispositifs fabriqués par dépôt en couche atomique semblent souffrir de pertes dues à une résistance shunt plus faible.

N'oubliez pas que le travail avec l'acide sulfurique peut être très dangereux. Assurez-vous que la bouteille d'acide sulfurique est stockée dans un dispositif de ventilation comme une hotte à film, équipée de détecteurs d'acide sulfurique. Nous considérons ce protocole de fabrication de base comme une plateforme permettant de réaliser des expériences contrôlées et ciblées, conçues pour améliorer les performances globales des cellules solaires et mieux comprendre des mécanismes de pertes spécifiques.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la manière de fabriquer une cellule solaire à base de substrat dont le procédé est reproductible.