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

L’objectif global de cette procédure est d’établir une plate-forme fiable pour le développement de cellules solaires basées sur de nouveaux matériaux. Pour ce faire, il suffit de préparer d’abord un substrat propre et électriquement isolant. La deuxième étape consiste à déposer deux couches de molybdène pulvérisé pour le trou arrière, par contact électrique sélectif.

Ensuite, déposez l’absorbeur de sulfure d’étain de type P par dépôt de couche atomique ou par évaporation thermique. La dernière étape consiste à terminer la jonction PN en déposant un empilement de couches de type N composé d’une couche tampon d’oxysulfure de zinc composé, suivie d’un oxyde conducteur transparent et de doigts métalliques déposés pour faciliter la collecte de charge. En fin de compte, les cellules solaires résultantes sont testées en mesurant les courbes de tension de courant sous lumière solaire simulée et l’efficacité quantique sous éclairage monochromatique.

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

Cette vidéo commence après la préparation des substrats des plaquettes de silicium. Utilisez des plaquettes de silicium polies de 500 microns d’épaisseur avec un oxyde thermique de 300 nanomètres ou plus. Vaporisez d’abord une couche d’adhérence de 360 nanomètres de molybdène, puis déposez une deuxième couche de conduction de 360 nanomètres d’épaisseur.

Stockez les substrats préparés dans une boîte à gants d’azote jusqu’à ce qu’il soit temps de déposer le sulfure d’étain pour préparer les substrats au dépôt de la couche atomique. Tout d’abord, transférez-les dans un nettoyant UV à l’ozone pour éliminer les particules organiques. Nettoyez les supports pendant cinq minutes.

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

Insérez le support dans le four, puis pompez le four à l’aide d’une pompe à vide d’ébauche. Ensuite, stabilisez la température du four à 200 degrés Celsius. Poursuivez en vérifiant les précurseurs.

Maintenir l’étain ate un précurseur pour le dépôt du sulfure d’étain dans un four à 95 degrés Celsius. Installez la tuyauterie de gaz de manière à ce qu’il y ait de l’azote gazeux pur pour faciliter la distribution de vapeur d’étain. Le deuxième précurseur est le sulfure d’hydrogène dans un mélange gazeux de 4 %Le sulfure d’hydrogène dans l’azote gazeux procède au dépôt à un taux de croissance de 0,33 angströms par cycle.

Au cours de chaque cycle de dépôt de couche atomique, fournir trois doses de 10 ate pour une exposition totale de 1,1 tor seconde. Purgez ensuite la chambre avec de l’azote gazeux. Ensuite, injectez le sulfure d’hydrogène dans de l’azote gazeux pour une exposition de 1,5 tor.

Enfin, purgez à nouveau avec de l’azote. Une autre méthode de dépôt est l’évaporation thermique. Assurez-vous que la pression de la chambre de traitement est de deux fois 10 à moins sept pour ou moins.

Utilisez un porte-échantillon avec des poches de taille appropriée pour maintenir le substrat en toute sécurité. Comme précédemment, utilisez un substrat préalablement préparé avec deux couches de molybdène. Ici représenté schématiquement.

Chargez le support avec ce substrat et de petits substrats CYS supplémentaires pour une caractérisation ultérieure. Chargez le porte-échantillon dans l’évaporateur thermique par le sas de charge. Pompez le verrou de charge, puis transférez les substrats dans la chambre de croissance.

À l’aide du bras de transfert lorsqu’ils sont en position, faites ramper la source et les réchauffeurs de substrat pour atteindre un taux de croissance d’un angström par seconde et une température de substrat de 240 degrés Celsius. Soulevez maintenant les substrats afin de mesurer le taux de dépôt avec le moniteur à cristal de quartz. Engagez le bras de translation linéaire pour déplacer le moniteur à cristal de quartz dans la chambre de traitement.

Une fois qu’il est en place, ouvrez l’obturateur de la source pour commencer la mesure. Le taux de croissance est indiqué sur le panneau avant du contrôleur Crystal Monitor. Une fois la mesure terminée, fermez l’obturateur et retirez le moniteur à quartz de la chambre.

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

Répétez la mesure du taux de croissance à l’aide du moniteur à cristal de quartz. Après la mesure, fermez l’obturateur source, éteignez les radiateurs et attendez que les substrats refroidissent avant de les transférer dans le sas de charge. Aérez la serrure à l’air libre et déchargez les substrats.

Démontez-les rapidement du porte-échantillon et transportez-les dans une boîte à gants d’azote. Après le processus de dépôt par couche atomique ou par évaporation thermique, l’échantillon aura une couche de sulfure d’étain. Tous les échantillons sont ensuite agenouillés dans du sulfure d’hydrogène gazeux, suivis d’une pacification de surface avec un oxyde natif.

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

Les zones actives des appareils doivent être établies. Utilisez des masques d’ombre métalliques pour définir la taille du tampon d’oxyde conducteur transparent, qui définit la zone active de l’appareil. Les masques définissent 11 appareils rectangulaires d’une taille de 0,25 centimètre carré, plus un tampon plus grand dans un coin qui est utilisé pour les mesures de réflectivité optique dans le dessin.

Une indication de la taille de la couche d’oxyde d’indium et d’étain à ajouter pour un appareil est donnée par la zone ombrée, montez les appareils et les masques dans un aligneur de masque. Les masques doivent être suffisamment épais pour ne pas fléchir dans l’aligneur de masque. Sinon, la zone du tampon d’oxyde peut devenir mal définie.

Apportez l’aligneur de masque avec les appareils montés dans la chambre de pulvérisation. Mettez l’aligneur de masque en position pour l’étape de dépôt. La prochaine étape consiste à faire pousser un film d’oxyde d’indium et d’étain de 240 nanomètres d’épaisseur.

Pour ce faire, chauffez le substrat à 80 à 90 degrés Celsius et activez la rotation du substrat. Réglez la pulvérisation par radiofréquence, la puissance, le débit d’argon et d’oxygène gazeux et la pression, puis surveillez le dépôt de manière schématique. Il s’agit de l’état de l’appareil après dépôt d’oxyde d’indium et d’étain.

L’étape suivante est la métallisation. Utilisez un masque d’ombre et l’évaporation par faisceau d’électrons pour déposer 500 nanomètres de métal conducteur, soit de l’argent, soit une pile de nickel-aluminium. Il s’agit d’un échantillon complet.

Notez que l’échantillon présenté ici a déjà été rayé pour exposer le contact arrière du molybdène après la fabrication. Passez à la caractérisation du dispositif à l’aide d’un simulateur solaire calibré pour un coefficient de masse d’air de 1,5. Tout d’abord, utilisez une lame de scalpel pour gratter les couches de tampon et de sulfure d’étain et exposer le contact arrière du molybdène.

Ensuite, placez l’échantillon sur le mandrin d’échantillonnage monté sur rail, un vide maintient l’échantillon en place et la température du mandrin est contrôlée à 25 degrés Celsius. Maintenant, établissez un contact électrique avec chacun des dispositifs sur l’échantillon et le contact arrière rayé. Cela se fait ici avec une carte sonde personnalisée qui contacte tous les appareils simultanément avec du béryllium de cuivre.

Pointes de sonde doubles en mode quatre fils pour les mesures de routine. Omettez l’utilisation d’une ouverture lumineuse pour des tests plus rigoureux, et l’ouverture doit être utilisée pour définir la zone active. Le masque d’ombre d’oxyde conducteur transparent peut être utilisé à cet effet.

Déplacez le mandrin de manière à ce que les appareils soient en position pour collecter les données de tension de courant clair et sombre à l’aide d’un système de test automatisé. Programme, le système pour sonder les différents appareils de manière séquentielle lors de l’ouverture et de la fermeture de l’obturateur lumineux. Les tests peuvent être vus dans cette vidéo, mais devraient normalement être effectués derrière un rideau noir pour réduire la lumière ambiante.

Une fois que les mesures de tension de courant ont glissé le mandrin d’échantillon dans le système d’efficacité quantique externe, les données de tension de courant éclairées, les données d’efficacité quantique externe et les mesures de réflectance optique fournissent une caractérisation de base des dispositifs. Voici les données de performance des cellules solaires pour les dispositifs sur deux échantillons fabriqués par évaporation thermique. Les échantillons sont de couleur grise pour l’un, rouge pour l’autre pour chaque appareil.

La tension en circuit ouvert, la densité de courant de court-circuit, le facteur de remplissage et l’efficacité de conversion de puissance sont donnés. Les meilleurs appareils ont une efficacité d’environ 4 %. La corrélation apparente entre l’efficacité et le facteur de remplissage entre les deux dispositifs est cohérente avec les dispositifs qui souffrent de pertes de résistance shunt ou série.

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

Ces appareils ont de meilleures performances que les dispositifs d’évaporation thermique, les meilleurs affichant une efficacité de 4,6 %. Divers facteurs peuvent expliquer cette différence. L’un des facteurs est que les dispositifs produits avec un dépôt de couche atomique semblent souffrir d’une résistance de dérivation moindre. Pertes.

N’oubliez pas que travailler avec du sulfate d’hydrogène peut être très dangereux. Assurez-vous que le réservoir de sulfate d’hydrogène est stocké dans un dispositif de ventilation comme une hotte en film avec des détecteurs de sulfate d’hydrogène. Nous considérons ce protocole de fabrication de base comme une plate-forme pour réaliser des expériences contrôlées et ciblées conçues pour améliorer les performances globales des cellules solaires et pour mieux comprendre des mécanismes de perte particuliers.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la fabrication d’une cellule solaire de type substrat reproductible.