Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e Atomic Layer Deposition

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di stabilire una piattaforma affidabile per lo sviluppo di celle solari basate su nuovi materiali. Ciò si ottiene preparando prima un substrato pulito e elettricamente isolante. Il secondo passo consiste nel depositare due strati di molibdeno spruzzato per il foro posteriore, contatto elettrico selettivo.

Successivamente depositare l'assorbitore di solfuro di stagno di tipo P mediante deposizione di strato atomico o evaporazione termica. Il passaggio finale consiste nel completare la giunzione PN depositando una pila di strati di tipo N costituiti da uno strato tampone composto di ossisolfuro di zinco, seguito da un ossido conduttore trasparente e dita metalliche depositate per facilitare la raccolta della carica. In definitiva, le celle solari risultanti vengono testate misurando le curve di tensione di corrente sotto la luce solare simulata e l'efficienza quantistica sotto l'illuminazione monocromatica.

Sebbene questo metodo sia dimostrato per lo sviluppo di celle solari al solfuro di stagno, può essere utilizzato anche per sviluppare celle solari inorganiche a substrato a film sottile basate su altri nuovi materiali. La deposizione di solfuro di stagno mediante deposizione di strato atomico sarà dimostrata da Schwan Yang, uno studente laureato del Gordon Group di Harvard, lontano Steinman. Un postdoc nel laboratorio di ricerca sul fotovoltaico del MIT dimostrerà la deposizione di 10 solfuro per evaporazione termica.

Questo video inizia dopo la preparazione dei substrati del wafer di silicio. Utilizzare wafer di silicio lucidati da 500 micron di spessore da un pollice quadrato con un ossido termico di 300 nanometri o più spesso. Per prima cosa spruzzare uno strato di adesione a 360 nanometri di molibdeno, quindi depositare un secondo strato di conduzione di maum spesso 360 nanometri.

Conservare i substrati preparati in una scatola a guanti di azoto fino al momento della deposizione del solfuro di stagno per preparare i substrati per la deposizione dello strato atomico. Per prima cosa, trasferiscili in un detergente all'ozono UV per rimuovere le particelle organiche. Pulire i substrati per cinque minuti.

Durante la pulizia, assicurarsi che il supporto del substrato per la camera di deposizione si trovi nelle vicinanze. Quando sono pronti, recuperare i substrati e posizionarli nel portacampioni. Questo portacampioni è caricato con substrati ed è pronto per essere posizionato nella camera di deposizione.

Inserire il supporto nel forno, quindi pompare il forno utilizzando una pompa per vuoto di sgrossatura. Quindi, stabilizzare la temperatura del forno a 200 gradi Celsius. Continuare controllando i precursori.

Mantenere lo stagno un precursore per la deposizione di solfuro di stagno in un forno a 95 gradi Celsius. Disporre le tubazioni del gas in modo che abbiano azoto gassoso puro per facilitare l'erogazione del vapore di stagno. Il secondo precursore è l'idrogeno solforato in una miscela gassosa del 4%L'idrogeno solforato in azoto gassoso procede con la deposizione a un tasso di crescita di 0,33 angstrom per ciclo.

Durante ogni ciclo di deposizione dello strato atomico, fornire tre dosi da 10 ate per un'esposizione totale di 1,1 al secondo. Quindi spurgare la camera con azoto gassoso. Quindi, iniettare l'idrogeno solforato nell'azoto gassoso per un'esposizione di 1,5 al secondo.

Infine, spurgare nuovamente con azoto. Un metodo di deposizione alternativo è l'evaporazione termica. Assicurarsi che la pressione della camera di processo sia due volte 10 rispetto a meno sette tor o inferiore.

Utilizzare un portacampioni con tasche di dimensioni adeguate per tenere saldamente il substrato. Come in precedenza, utilizzare un substrato precedentemente preparato con due strati di molibdeno. Qui raffigurato schematicamente.

Caricare il supporto con questo substrato e piccoli substrati CYS aggiuntivi per una successiva caratterizzazione. Caricare il portacampione nell'evaporatore termico attraverso il blocco del carico. Pompare verso il basso il blocco del carico, quindi trasferire i substrati nella camera di crescita.

Utilizzando il braccio di trasferimento quando sono in posizione, rampare i riscaldatori della sorgente e del substrato per ottenere un tasso di crescita di un angstrom al secondo e una temperatura del substrato di 240 gradi Celsius. Sollevare ora i substrati per misurare la velocità di deposizione con il monitor a cristalli di quarzo. Agganciare il braccio di traslazione lineare per spostare il monitor a cristalli di quarzo nella camera di processo.

Una volta posizionato, aprire l'otturatore della sorgente per iniziare la misurazione. Il tasso di crescita è indicato sul pannello frontale del controller Crystal Monitor. Al termine della misurazione, chiudere l'otturatore e rimuovere il monitor al quarzo dalla camera.

Quindi abbassare i substrati nella posizione di crescita e aprire l'otturatore della sorgente per avviare la deposizione. Per lo spessore del film target di 1000 nanometri, la deposizione richiederà circa tre ore. Al termine della deposizione, chiudere l'otturatore della sorgente.

Ripetere la misurazione del tasso di crescita utilizzando il monitor a cristalli di quarzo. Dopo la misurazione, chiudere l'otturatore della sorgente, spegnere i riscaldatori e attendere che i substrati si raffreddino prima di trasferirli al blocco del carico. Sfiatare il blocco per arieggiare e scaricare i substrati.

Smontali rapidamente dal portacampioni e trasportali in un vano portaoggetti per azoto. Dopo lo strato atomico o il processo di deposizione per evaporazione termica, il campione avrà uno strato di solfuro di stagno. Tutti i campioni vengono quindi sottoposti a un inginocchiamento in gas di idrogeno solforato seguito da una pacificazione superficiale con un ossido nativo.

Il passo successivo è la deposizione di ossisolfuro di zinco di tipo N e strati tampone di ossido di zinco mediante deposizione di strati atomici. Il passo successivo è la deposizione del conduttore trasparente. Usiamo l'ossido di indio stagno prima della deposizione dell'ossido di indio e stagno.

Le aree attive dei dispositivi devono essere stabilite. Utilizzare maschere d'ombra metalliche per definire la dimensione dell'ossido conduttore trasparente, che imposta l'area attiva del dispositivo. Le maschere definiscono 11 dispositivi rettangolari di 0,25 centimetri quadrati, più un pad più grande in un angolo che viene utilizzato per le misurazioni della riflettività ottica nel disegno.

Un'indicazione della dimensione dello strato di ossido di indio e stagno da aggiungere per un dispositivo è data dall'area ombreggiata, montare i dispositivi e le maschere in un allineatore a maschera. Le maschere devono essere sufficientemente spesse in modo da non flettersi nell'allineatore della maschera. In caso contrario, l'area del cuscinetto di ossido può diventare poco definita.

Portare l'allineatore della maschera con i dispositivi montati nella camera di sputtering. Posizionare l'allineatore della maschera per la fase di deposizione. Il passo successivo è quello di far crescere un film di ossido di indio e stagno spesso 240 nanometri.

Per fare ciò, riscaldare il substrato a 80-90 gradi Celsius e consentire la rotazione del substrato. Impostare lo sputtering a radiofrequenza, la potenza, la portata di argon e ossigeno gassoso e la pressione, quindi monitorare schematicamente la deposizione. Questo è lo stato del dispositivo dopo la deposizione di ossido di indio-stagno.

Il passo successivo è la metallizzazione. Utilizzare una maschera d'ombra e l'evaporazione a fascio di elettroni per depositare 500 nanometri di metallo conduttivo, argento o una pila di nichel-alluminio. Questo è un esempio completo.

Si noti che il campione mostrato qui è già stato graffiato per esporre il contatto posteriore con molibdeno dopo la fabbricazione. Passa alla caratterizzazione del dispositivo Utilizzando un simulatore solare calibrato per un coefficiente di massa d'aria di 1,5. Innanzitutto, usa una lama di bisturi per grattare via gli strati di tampone e solfuro di stagno ed esporre il contatto posteriore con il molibdeno.

Quindi posizionare il campione sul mandrino per campioni montato su guida, un vuoto mantiene il campione in posizione e la temperatura del mandrino è controllata a 25 gradi Celsius. Ora, stabilire un contatto elettrico con ciascuno dei dispositivi sul campione e il contatto posteriore graffiato. Questo viene fatto qui con una scheda sonda personalizzata che contatta tutti i dispositivi contemporaneamente con il rame berillio.

Punte a doppia sonda in modalità a quattro fili per misure di routine. Omettere l'uso di un'apertura della luce per test più rigorosi e l'apertura dovrebbe essere utilizzata per definire l'area attiva. A questo scopo è possibile utilizzare la maschera d'ombra in ossido conduttore trasparente.

Spostare il mandrino in modo che i dispositivi siano in posizione per raccogliere i dati di tensione di corrente chiara e scura utilizzando un sistema di test automatizzato. Programma, il sistema per sondare i singoli dispositivi in sequenza durante l'apertura e la chiusura della tapparella della luce. Il test può essere visto in questo video, ma normalmente dovrebbe essere condotto dietro una tenda nera per ridurre la luce ambientale.

Dopo le misurazioni della tensione di corrente, far scorrere il mandrino del campione nel sistema di efficienza quantistica esterno, i dati di tensione di corrente illuminati, i dati di efficienza quantistica esterna e le misurazioni della riflettanza ottica forniscono una caratterizzazione di base dei dispositivi. Di seguito sono riportati i dati sulle prestazioni delle celle solari per i dispositivi su due campioni realizzati utilizzando l'evaporazione termica. I campioni sono distinti di colore grigio per uno, rosso per l'altro per ogni dispositivo.

Vengono fornite la tensione a circuito aperto, la densità di corrente di cortocircuito, il fattore di riempimento e l'efficienza di conversione di potenza. I migliori dispositivi hanno un'efficienza di circa il 4%. L'apparente correlazione tra l'efficienza e il fattore di riempimento in entrambi i dispositivi è coerente con i dispositivi che soffrono di perdite di resistenza in serie o shunt

I dati in rosso mostrano anche una correlazione tra l'efficienza e la tensione a circuito aperto come previsto per la resistenza di shunt. Perdite per confronto. Ecco i dati sulle prestazioni delle celle solari per i dispositivi realizzati utilizzando la deposizione di strati atomici.

Questi dispositivi hanno prestazioni migliori rispetto ai dispositivi di evaporazione termica con la migliore efficienza del 4,6%. Vari fattori possono spiegare questa differenza. Un fattore è che i dispositivi prodotti con la deposizione di strato atomico sembrano soffrire di una minore resistenza allo shunt. Perdite.

Non dimenticare che lavorare con l'idrogeno solforato può essere molto pericoloso. Assicurarsi che il serbatoio dell'idrogeno solforato sia conservato in un dispositivo di ventilazione dell'aria come una cappa a pellicola con rilevatori di idrogeno solfato. Pensiamo a questo protocollo di fabbricazione di base come a una piattaforma per eseguire esperimenti controllati e mirati progettati per migliorare le prestazioni complessive delle celle solari e per comprendere meglio particolari meccanismi di perdita.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare una cella solare riproducibile in stile substrato.