מה שהופך את התאים סולריים שיא יעילות SNS על ידי אידוי תרמי ואטומית שכבת הפקדת
22 במאי 2015
פח גופרתי (SnS) הוא חומר מועמד לתאים סולאריים שאינם רעילים בשפע בכדור הארץ. כאן, אנו מדגימים את הליך הייצור של התאים הסולאריים SnS המשתמשים בתצהיר שכבה אטומית, המניב יעילות המרת הספק מאושרת של 4.36%, ואידוי תרמי המניב 3.88%.
המטרה הכוללת של פרוצדורה זו היא לבסס פלטפורמה מהימנה לפיתוח תאי סולאריים המבוססים על חומרים חדשים. דבר זה מושג תחילה על ידי הכנת מצע מבודד חשמלית ונקי. השלב השני הוא שיקוע של שתי שכבות של molybdenum בשיטת sputtered עבור מגע חשמלי סלקטיבי בחור האחורי.
לאחר מכן, שקיעו את השכבה הבולעת של בדיל סולפיד מסוג P באמצעות שיקוע שכבות אטומיות (atomic layer deposition) או התאיידות תרמית. השלב הסופי הוא השלמת צומת ה-PN על ידי שיקוע ערימה של שכבות מסוג N, המורכבת משכבת חיץ של תרכובת אבץ אוקסי-סולפיד, ולאחריה תחמוצת מוליכה שקופה ואצבעות מתכת ששוקעו כדי לסייע באיסוף המטענים. לבסוף, תאי השמש שהתקבלו נבחנים באמצעות מדידת עקומות זרם-מתח תחת אור שמש סימולטיבי ונצילות קוונטית תחת הארה מונוכרומטית.
למרות ששיטה זו מודגמת עבור פיתוח של תאי סולאריים מסינייד הבדיל, ניתן להשתמש בה גם לפיתוח תאי סולאריים מסוג מצע קרום דק אנאורגני המבוססים על חומרים חדשים אחרים. שכיבת סינייד הבדיל באמצעות שיטת ALD (atomic layer deposition) תודגם על ידי Schwan Yang, סטודנט לתואר מתקדם מקבוצת Gordon באוניברסיטת הרווארד. Steinman, פוסט-דוקטורנט במעבדה למחקר פוטו-וולטאי ב-MIT, ידגים את השקיעה של סינייד הבדיל באמצעות אידוי תרמי.
סרטון זה מתחיל לאחר הכנת תשביתי פרוסות הסיליקון. השתמשו בפרוסות סיליקון מלוטשות בעובי 500 micron ובגודל אינץ' רבוע אחד, עם תחמוצת תרמית בעובי 300 nanometer או יותר. ראשית, בצעו התזה (sputter) של שכבת הידבקות של molybdenum בעובי 360 nanometer, ולאחר מכן השקיעו שכבת הולכה שנייה של maum בעובי 360 nanometer.
יש לאחסן את התשתיות שהוכנו בתוך תא כפפות עם חנקן עד למועד שיקוע בדיבדדי הבדיל להכנת התשתיות להשקעה בשכבות אטומיות. ראשית, העבר אותן למנקה UV-אוזון כדי להסיר חלקיקים אורגניים. נקה את התשתיות במשך חמש דקות.
בזמן ביצוע הניקוי, ודאו שתושבת התשתית עבור תא השקיעה נמצאת בקרבת מקום. כאשר התשתיות מוכנות, הוציאו אותן והניחו אותן בתושבת הדגימות. תושבת דגימות זו טעונה בתשתיות ומוכנה להצבה בתא השקיעה.
הכנס את התושבת לתנור, ולאחר מכן בצע פינוי של התנור באמצעות משאבת ואקום גסה. בשלב הבא, ייצב את טמפרטורת התנור ב-200 °C. המשך בבדיקת החומרים המקדימים (precursors).
שמרו את הפרקורסור של בדיל (tin ate) עבור שיקוע של בדיל סולפיד בתנור בטמפרטורה של 95 °C. הגדירו את צנרת הגז כך שתספק גז חנקן טהור כדי לסייע בהובלת אדי ה-tin ate. הפרקורסור השני הוא מימן סולפיד בתערובת גזים של 4% Hydrogen sulfide בגז חנקן; המשיכו בשיקוע בקצב גדילה של 0.33 angstroms למחזור.
במהלך כל מחזור של שיקוע שכבה אטומית, ספק שלוש מנות של 10 ate לחשיפה כוללת של 1.1 tor second. לאחר מכן, נקה את התא באמצעות גז חנקן. בשלב הבא, הזרק מימן גופרי בתוך גז חנקן לחשיפה של 1.5 tor second.
לבסוף, בצע שוב פירגון (purge) עם חנקן. שיטת השקיעה החלופית היא אידוי תרמי. ודא שלחץ תא התהליך הוא 2×10⁻⁷ tor או פחות.
השתמש במחזיק דגימות עם תאים בגודל מתאים כדי להחזיק את התשתית בצורה מאובטחת. כפי שנעשה קודם לכן, השתמש בתשתית שהוכנה מראש עם שתי שכבות של molybdenum. מוצג כאן באופן סכמטי.
טען את התומך בתצע זה ובשאר תת-תצעי CYS קטנים לצורך אפיון מאוחר יותר. הכנס את תומך הדגימה למאדה התרמי דרך מנעול הטעינה (load lock). בצע ריקון של מנעול הטעינה, ולאחר מכן העבר את התצעים לתא הגידול.
בעת שהן נמצאות במיקומן, הגבירו את חימום המקור והמצע באמצעות זרוע ההעברה כדי להגיע לקצב גדילה של אנגסטרם אחד לשנייה ולטמפרטורת מצע של 240 °C. כעת הרימו את המצעים כדי למדוד את קצב השקיעה באמצעות ניטור קריסטל הקוורץ. הפעילו את זרוע התרגום הליניארית כדי להזיז את ניטור קריסטל הקוורץ אל תוך תא התהליך.
לאחר שהמכשיר הותקן במקומו, פתחו את תריס המקור כדי להתחיל במדידה. קצב הצמיחה מוצג על לוח הבקרה הקדמי של בקר ה-Crystal Monitor. עם סיום המדידה, סגרו את התריס והוציאו את נגב הקוורץ מהתא.
לאחר מכן, הורד את המצעים לעמדת הצמיחה ופתח את תריס המקור כדי להתחיל את השקיעה. עבור עובי סרט יעד של 1000 nanometers, השקיעה תימשך כשלוש שעות. עם סיום השקיעה, סגור את תריס המקור.
חזור על מדידת קצב הצמיחה באמצעות ניטור קריסטל הקוורץ. לאחר המדידה, סגור את תריס המקור, כבה את המחממים והמתן לקירור המצעים לפני העברתם למנעול הטעינה (load lock). פתח את המנעול לאוויר ופרוק את המצעים.
פרקו אותם במהירות מתושבת הדגימות והעבירו אותם לאחסון בתוך תא כפפות עם חנקן. לאחר תהליך השקיעה בשיטת השכבות האטומית או באידוי תרמי, הדגימה תכיל שכבת בדיל סולפיד. לאחר מכן, כל הדגימות עוברות תהליך של annealing בגז מימן סולפיד, ולאחריו פסיבציה של הפני השטח באמצעות תחמוצת טבעית.
השלב הבא הוא שיקוע של שכבות בופר של אבץ אוקסי-סולפיד מסוג N ואבץ תחמוצת באמצעות שיקוע שכבות אטומיות. השלב הבא הוא שיקוע המוליך השקוף. אנו משתמשים באינדיום טין תחמוצת לפני שיקוע אינדיום טין תחמוצת.
יש להגדיר את האזורים הפעילים של ההתקנים. השתמשו במסכות צל מתכתיות כדי להגדיר את גודל פד התחמוצת המוליכה השקופה, אשר קובע את השטח הפעיל של ההתקן. המסכות מגדירות 11 התקנים מלבניים שגודלם 0.25 סמ"ר, בתוספת פד גדול יותר בפינה אחת המשמש למדידות החזריות אופטיות בשרטוט.
השטח המוצל מציין את גודל שכבת האינדיום-בדיל-תחמוצת (indium tin oxide) שיש להוסיף עבור התקן בודד; התקן את ההתקנים ואת המסכות במכשיר ליישור מסכות (mask aligner). המסכות צריכות להיות בעבות מספקת כדי שלא יתגמשו בתוך מכשיר ליישור המסכות. אחרת, שטח פד התחמוצת עלול להיות לא מוגדר היטב.
העבירו את ה-mask aligner עם המכשירים המותקנים לתא ה-sputtering. הניחו את ה-mask aligner במיקום המתאים לשלב השקיעה. השלב הבא הוא גידול של שכבת indium tin oxide בעובי 240 nanometer.
כדי לבצע זאת, חממו את התשתית ל-80 עד 90 °C והפעילו את סיבוב התשתית. הגדירו את sputtering בתדר רדיו, את ההספק, את קצב זרימת גזי הארגון והחמצן ואת הלחץ, ולאחר מכן עקבו באופן סכמטי אחר השקיעה. זהו מצב המכשיר לאחר שקיעת indium tin oxide.
השלב הבא הוא מתכת化 (metalization). השתמשו במסכת צל (shadow mask) ובאידוי באמצעות אלומת אלקטרונים כדי לשקיע 500 nanometers של מתכת מוליכה, כסף או שכבה של ניקל-אלומיניום. זוהי דגימה שהושלמה.
שימו לב כי הדגימה המוצגת כאן כבר נשרטה כדי לחשוף את מגע הגב מ-molybdenum לאחר הייצור. עברו לאפיון המכשיר באמצעות סימולטור שמש המכויל למקדם מסת powietש (air mass coefficient) של 1.5. ראשית, השתמשו בלהב סקלפל כדי לגרד את שכבות הבאפר והבדיל-סולפיד ולחשוף את מגע הגב מ-molybdenum.
בשלב הבא הניחו את הדגימה על תפס הדגימה המותקן על המסילה; ואקום מחזיק את הדגימה במקומה וטמפרטורת התפס נשלטת ב-25 °C. כעת, צרו מגע חשמלי עם כל אחד מההתקנים שעל הדגימה ועם מגע הגב שנשרט. פעולה זו מבוצעת כאן באמצעות כרטיס גששים מותאם אישית היוצר מגע עם כל ההתקנים בו-זמנית באמצעות נחושת-בריליום.
קצות גשש כפולים במצב ארבעה חוטים למדידות שגרתיות. השמיטו את השימוש במפתח אור עבור בדיקות קפדניות יותר; יש להשתמש במפתח כדי להגדיר את השטח הפעיל. ניתן להשתמש במסכת צל של תחמוצת מוליכה שקופה למטרה זו.
הזז את המצמד כך שההתקנים יהיו במיקום המאפשר איסוף נתוני מתח של זרם אור וזרם חשוך באמצעות מערכת בדיקה אוטומטית. תכנת את המערכת לסרוק את ההתקנים הבודדים באופן רציף תוך פתיחה וסגירה של תריס האור. ניתן לראות את הבדיקה בסרטון זה, אך בדרך כלל יש לבצעה מאחורי מסך שחור כדי להפחית את האור הסביבתי.
לאחר מדידות המתח והזרם, החלק את תושבת הדגימה לתוך מערכת הנצילות הקוונטית החיצונית; נתוני המתח והזרם תחת הארה, נתוני הנצילות הקוונטית החיצונית ומדידות ההחזר האופטי מספקים אפיוני בסיס של ההתקנים. להלן נתוני ביצועים של תאי סולאריים עבור התקנים בשני דגימות שהוכנו באמצעות אידוי תרמי. הדגימות מובחנות באמצעות הצבעים אפור עבור אחת ואדום עבור השנייה, עבור כל התקן.
מתח המעגל הפתוח, צפיפות זרם הקצר, מקדם המילוי ונצילות המרת האנרגיה מוצגים. ההתקנים הטובים ביותר מראים נצילות של כ-4%. המתאם הניכר בין הנצילות למקדם המילוי בשני ההתקנים עקבי עם התקנים הסובלים מהפסדי התנגדות מקבילית (shunt) או טורית.
הנתונים באדום מראים גם מתאם בין הנצילות לבין מתח המעגל הפתוח, כצפוי עבור התנגדות מקבילית (shunt resistance). הפסדים לצורך השוואה. להלן נתוני ביצועים של תאי סולאריים עבור התקנים שיוצרו באמצעות שיטת השבחה בשכבות אטומיות (atomic layer deposition).
התקנים אלו מפגינים ביצועים טובים יותר מאשר התקנים המיוצרים באמצעות התאיידות תרמית, כאשר הטובים ביותר הראו נצילות של 4.6%. גורמים שונים עשויים להסביר הבדל זה. גורם אחד הוא שנראה כי התקנים שיוצרו באמצעות שיקוע שכבות אטומיות סובלים מפחות הפסדי התנגדות מקבילית (shunt resistance).
אין לשכוח כי עבודה עם מימן-סולפט עלולה להיות מסוכנת מאוד. ודאו שמיכל המימן-סולפט מאוחסן במכשיר לאוורור אוויר, כגון מנדף עם גלאי מימן-סולפט. אנו רואים בפרוטוקול ייצור בסיסי זה פלטפורמה לביצוע ניסויים מבוקרים וממוקדים שנועדו לשפר את ביצועי התא הסולארי הכוללים ולהבין טוב יותר מנגנוני הפסד ספציפיים.
לאחר צפייה בסרטון זה, תרכשו הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן להכין תא סולארי בעל סגנון מצע הניתן לשחזור.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג הליך ייצור עבור תאי סולאריים של בדיל סולפיד (SnS), המהווים פתרון מבטיח ליישומים של אנרגיה סולארית לא רעילה. המחקר מדגים את השימוש בטכניקות של משקעי שכבות אטומית (atomic layer deposition) ואידוי תרמי להשגת נצילות המרה של אנרגיה של 4.36% ו-3.88%, בהתאמה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- חומרים לאנרגיה סולארית
- תאי סולארים בעלי שכבה דקה
- טכניקות לייצור חומרים
רקע
- בדיל סולפיד (SnS) הוא חומר נפוץ בכדור הארץ שאינו רעיל.
- תאי סולאריים הם קריטיים עבור פתרונות אנרגיה ברי-קיימא.
- שיטות ייצור יעילות הן חיוניות עבור יישומים מעשיים.
- נצילות המרת ההספק היא מדד ביצועים מרכזי עבור תאי סולאריים.
מטרת המחקר
- להקמת פלטפורמה מהימנה לפיתוח תאי סולאריים מבוססי SnS.
- להשוואת טכניקות שיקוע שונות לצורך בחינת היעילות.
- לאופטימיזציה של תהליך הייצור לשיפור הביצועים.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הכנה של מצע מבודד חשמלית ונקי.
- שקיעת מוליבדן בשיטת התזה (sputtering) עבור מגע חשמלי.
- שקיעת בולעם של בדיל סולפיד מסוג P באמצעות שיטת השקיעה השכבתית האטומית (ALD) או אידוי תרמי.
- יצירת צומת PN באמצעות שכבה של שכבות מסוג N ומוליך תחמוצני שקוף.
תוצאות עיקריות
- הושגה נצילות המרה של אנרגיה מאושרת של 4.36% באמצעות שיקוע שכבות אטומיות.
- הושגה נצילות המרה של אנרגיה של 3.88% באמצעות התאיידות תרמית.
- הוכח איסוף יעיל של מטענים באמצעות המבנה שתוכנן.
- נבחנו תאי שמש תחת אור שמש סימולטיבי ונמדדה נצילות קוונטית.
מסקנות
- תאי סולאריים מסוג SnS מראים פוטנציאל כחלופה לא רעילה להמרת אנרגיה סולארית.
- שתי שיטות השקיעה מניבות נצילות תחרותיות.
- אופטימיזציה נוספת עשויה לשפר את הביצועים ואת יכולת ההרחבה.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
עבודה זו מבססת פלטפורמה הניתנת לשחזור להערכה של חומרים סופגים שאינם רעילים ונפוצים בכדור הארץ עבור פוטוולטאיקה של קשטי שכבה דקה, ובכך היא תומכת ישירות בתיקוף יעדים בשלבים מוקדמים עבור טכנולוגיות של אנרגיה בת-קיימא. על ידי כימות שונות התהליך והתפלגויות הנצילות על פני מספר התקנים לכל מצע, גישה זו מאפשרת הפחתת סיכונים מכנית של מערכות חומרים לפני השקעה משמעותית בהגדלת קנה המידה או באינטגרציה. ההתמקדות בריגור סטטיסטי ובזיהוי מנגנוני אובדן תואמת את סדרי העדיפויות של מו"פ בביופארמה להשגת ביטחון ניבוי בבחירת מועמדים מובילים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופרמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של קשרי מבנה-תכונה בחומרי ספיגה חדשניים באמצעות שיקוע מבוקר ומיפוי שיטתי של הביצועים.
- ערך תפעולי: מספק מסגרת סטנדרטית להשוואת מועמדים לחומרים באמצעות מדדי יעילות כמותיים וניתוח הפסדים.
- ערך חיזויי: תומך בקבלת החלטות של המשך או הפסקה (go/no-go) על ידי זיהוי מנגנוני רקומבינציה או התנגדות דומיננטיים המגבילים את ביצועי המכשיר.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתונים של זרם-מתח ונצילות קוונטית חיצונית בעדירות גבוהה ובשחזוריות גבוהה לצורך סריקה מהירה של משתני תהליך.
- ערך תפעולי: מדידה אוטומטית של 11 התקנים לכל מצע מפחיתה את השונות ומגבירה את העוצמה הסטטיסטית של קריאות הבדיקה.
- מוכנות הבדיקה: הגדרה של שטח פעיל (0.25 cm²) וסטנדרטיזציה של מסיכת צל מבטיחות תוצאים עקביים וניתנים להשוואה בין ניסויים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- המשכיות תרגומית: מקשרת בין גילוי חומרים לביצועי התקן הפונקציונליים, ומאפשרת קידום מותאם סיכונים המבוסס על מדדי יעילות מאושרים.
- הפחתת סיכונים מכניסטית: מקשרת פרמטרי ייצור למנגנוני אובדן ספציפיים (למשל, התנגדות נזילה) באמצעות ניתוח מתאם על קבוצות גדולות של התקנים.
- ביטחון חיזוי: משתמשת בהתפלגות סטטיסטית של יעילויות כדי להבחין בין שיפורים אמיתיים לערכים חריגים, ובכך מפחיתה תוצאות חיוביות שגויות בבחירת המועמדים.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף שבין הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי אפשור אופטימיזציה של שכבות סופגות המונעת מהשערות, עם קריאות ישירות המנחות מחזורי תכנון איטרטיביים.
- ביולוגיית גילוי: תומך בתיקוף תפקודי של בדיל סולפיד כבולע מסוג p באמצעות שיקיעה מבוקרת ויצירת צומת.
- סריקה: מאפשר סריקה דמוית-בדיקה (assay) של פרמטרי שיקיעה (ALD לעומת התאיידות תרמית) באמצעות מערכי התקנים סטנדרטיים ובדיקה אוטומטית.
- אנליטיקה: מספק פלטים כמותיים הכוללים נצילות המרת אנרגיה, מתח מעגל פתוח, זרם קצר, מקדם מילוי ונצילות קוונטית חיצונית לצורך השוואה רב-פרמטרית.
- מחקר תרגומי: מאפשר מעבר מהוכחת היתכנות של החומר לתיקוף ביצועים ברמת ההתקן, דבר הקריטי להעברת טכנולוגיה.
- שימוש חוזר ארגוני: הפלטפורמה ניתנת להתאמה למערכות קולטניות דקות אחרות, ובכך תומכת בהערכת חומרים בין-פרויקטלית ללא צורך בתיקוף מחדש של זרימת העבודה המרכזית.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מפחית עמימות מכניסטית על ידי הצלבת ביצועי המכשיר עם תהליך הייצור וניתוח מנגנוני הפסד.
- ערך תפעולי: מבטיח הדירות באמצעות סטנדרטיזציה של התשתית, טיפול בתוך תא כפפות עם חנקן ופרוטוקולי בדיקה אוטומטיים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי זיהוי מוקדם של גורמים המגבילים את הביצועים, ובכך מפחית את הסיכון לכשלים בשלבים מאוחרים של תוכניות פיתוח חומרים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף של חומרי בולע (absorber materials) מותאם סיכונים, בהתבסס על התפלגויות נצילות הדירות ונתיבי הפסד הניתנים לתיקון.
שיקולי יישום
- מומחיות בטכניקות של שיקום בוואקום (ALD, התאיידות תרמית, sputtering) ובפיזיקה של התקני מוליכים למחצה.
- גישה לתאי שיקום, סימולטורים סולאריים, מערכות לנצילות קוונטית וטיפול בדגימות התואם לתנאי ואקום.
- סטנדרטיזציה של נהלי ניקוי מצעים, מיסוך ומטליזציה בין צוותים ואתרים שונים.
- שיקולי התאמה עבור חומרי מצע שונים, עבי שונות של השכבה הסופגת והרכבים שונים של שכבות חוצץ.
- מגבלות מעשיות כוללות סיכוני רעילות מחומר מוצא של hydrogen sulfide, הדורשים אוורור מבוקר וניטור.
שאלות נפוצות בנושאי ביו-פארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:39
Substrate Preparation
2:21
Atomic Layer Deposition of Tin Sulfide
4:21
Thermal Evaporation Deposition of Tin Sulfide
6:55
Additional Steps after Tin Sulfide Deposition
7:29
Deposition of Indium Tin Oxide for the Transparent Conducting Oxide
9:45
Device Characterization
11:40
Results: Solar Cell Performance Data for Devices Made with Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition Protocols
13:09
Conclusion
