熱蒸着および原子層堆積法によって記録し、効率のSnS太陽電池を作ります

この手順の全体的な目的は、新素材に基づいた太陽電池を開発するための信頼性の高いプラットフォームを構築することです。まず、清潔な電気絶縁基板を準備します。次に、背面ホール選択電極として、スパッタリング法によりモリブデンを2層堆積させます。

次に、原子層堆積法または熱蒸着法のいずれかによって、P型硫化スズ吸収層を堆積させます。最終ステップでは、化合物亜鉛オキシサルファイドバッファ層、それに続く透明導電酸化物、および電荷収集を補助するために堆積させた金属フィンガーで構成されるN型層のスタックを堆積させ、PN接合を完成させます。最終的に、得られた太陽電池を、擬似太陽光下での電流-電圧曲線の測定および単色光照射下での量子効率の測定によって評価します。

この手法は硫化スズ太陽電池の開発で実演されていますが、他の新材料に基づいた無機薄膜基板スタイルの太陽電池の開発にも利用可能です。原子層堆積法による硫化スズの堆積は、ハーバード大学Gordonグループの大学院生であるSchwan Yangが実演します。また、MIT光電変換研究室のポストドクターであるSteinmanが、熱蒸着法による硫化スズの堆積を実演します。

このビデオは、シリコンウェハ基板の準備後の工程から始まります。厚さ500 µmの研磨済み1平方インチシリコンウェハ（300 nm以上の熱酸化膜付き）を使用してください。まず、360 nmのモリブデン密着層をスパッタリングし、次に360 nm厚のまうむ（maum）導電層を堆積させます。

準備した基板は、原子層堆積（ALD）に向けた硫化スズの堆積を行うまで、窒素グローブボックス内で保管します。まず、有機粒子を除去するため、基板をUVオゾンクリーナーに移します。基板を5分間洗浄します。

洗浄を行っている間に、堆積室用の基板ホルダーを近くに準備しておきます。洗浄が完了したら、基板を取り出してサンプルホルダーに配置します。これで、サンプルホルダーに基板がセットされ、堆積室への設置準備が整いました。

ホルダーを炉内に挿入し、粗真空ポンプを用いて炉内を排気します。次に、炉の温度を200 °Cで安定させます。続いて、前駆剤を確認します。

スズ硫化物の堆積のため、スズ前駆体を95 °Cのオーブン内で保持します。スズ前駆体蒸気の搬送を助けるために、純窒素ガスを供給できるようガス配管を配置します。2つ目の前駆体は硫化水素であり、窒素ガス中に4%の硫化水素を含む混合ガスを用います。1サイクルあたり0.33 Åの成長速度で堆積を行います。

各原子層堆積サイクルにおいて、10 ateを3回投与し、合計露光量を1.1 tor secondとします。その後、窒素ガスでチャンバーをパージします。次に、窒素ガス中の硫化水素を注入し、1.5 tor secondの間露光させます。

最後に、再び窒素でパージします。別の堆積方法として、熱蒸着があります。プロセスチャンバーの圧力が2×10⁻⁷ tor以下であることを確認してください。

基板をしっかりと固定するため、適切なサイズのポケットを備えたサンプルホルダーを使用します。以前と同様に、モリブデンを2層形成して事前に準備した基板を使用してください。ここでは模式的に示しています。

この基板と、後の特性評価に使用する少量の追加CYS基板をホルダーにセットします。ロードロックを介してサンプルホルダーを熱蒸着装置にロードします。ロードロック内を排気し、その後、基板を成長室へと転送します。

基板が定位置にある状態でトランスファーアームを使用し、ソースヒーターおよび基板ヒーターを昇温させ、成長速度 1 Å/s、基板温度 240 °C に調整します。次に、水晶振動子モニターで堆積速度を測定するため、基板を上昇させます。リニアトランスレーションアームを動作させ、水晶振動子モニターをプロセスチャンバー内に移動させます。

設置が完了したら、ソースシャッターを開いて測定を開始します。成長速度は、水晶振動子モニター（Crystal Monitor）コントローラーのフロントパネルに表示されます。測定が完了したら、シャッターを閉じて、チャンバーから水晶振動子モニターを取り出します。

次に、基板を成長位置まで下げ、ソースシャッターを開いて堆積を開始します。目標膜厚を1000 nanometersとする場合、堆積には約3時間かかります。堆積が完了したら、ソースシャッターを閉じます。

水晶振動子モニターを用いて成長速度の測定を繰り返します。測定後、ソースシャッターを閉じ、ヒーターの電源を切ります。基板をロードロックに転送する前に、基板が冷却されるまで待ちます。ロック内を大気開放し、基板を取り出します。

サンプルホルダーから速やかに取り外し、窒素グローブボックス内の保存場所へ輸送します。原子層堆積法または熱蒸着法のいずれかの堆積プロセス後、サンプルには硫化スズ層が形成されます。その後、すべてのサンプルに対して硫化水素ガスによるアニール処理を行い、続いて自然酸化膜による表面パッシベーションを行います。

次のステップは、原子層堆積法によるN型亜鉛オキシサルファイドおよび酸化亜鉛バッファ層の堆積です。続くステップは、透明導電膜の堆積です。酸化インジウムスズを堆積させる前に、酸化インジウムスズを使用します。

デバイスの活性領域を形成する必要があります。金属シャドウマスクを使用して、透明導電酸化物パッドのサイズを定義し、これによりデバイスの活性領域を決定します。このマスクでは、サイズが0.25 square centimetersの長方形デバイス11個と、作図における光反射率測定に使用するためのコーナー部分の大きなパッドが定義されています。

1つのデバイスに添加する酸化インジウムスズ層のサイズは、網掛け部分で示されています。デバイスとマスクをマスクアライナーに装着してください。マスクアライナー内でマスクがたわまないよう、十分な厚さのマスクを使用する必要があります。そうしないと、酸化物パッド領域の定義が不十分になる可能性があります。

デバイスを装着したマスクアライナーをスパッタリングチャンバーへ運搬します。マスクアライナーを堆積工程のための位置に配置します。次のステップでは、厚さ 240 nanometer の酸化インジウムスズ（ITO）薄膜を成長させます。

これを実行するには、基板を80〜90°Cに加熱し、基板回転を有効にします。高周波スパッタリングの電力、アルゴンおよび酸素ガスの流量、ならびに圧力を設定し、その後、成膜を概略的にモニタリングします。これが、酸化インジウムスズ（ITO）成膜後のデバイスの状態です。

次のステップはメタライゼーションです。シャドウマスクと電子ビーム蒸着を用いて、導電性金属（銀またはニッケル・アルミニウム積層）を500 nanometers蒸着させます。これでサンプルが完成しました。

ここで示すサンプルは、作製後にモリブデン背面電極を露出させるために、すでにスクラッチ処理が施されていることに注意してください。次に、エアマス係数1.5で校正されたソーラーシミュレータを用いてデバイス特性評価を行います。まず、メスを用いてバッファー層と硫化スズ層を削り取り、モリブデン背面電極を露出させます。

次に、サンプルをレールに取り付けられたサンプルチャックに設置します。真空によってサンプルが固定され、チャックの温度は25 °Cに制御されます。続いて、サンプル上の各デバイスおよびスクラッチされた背面電極に電気的に接触させます。ここでは、ベリリウム銅を用いてすべてのデバイスに同時に接触させるカスタムプローブカードを使用して行います。

ルーチン測定には、4端子法（four wire mode）のダブルプローブチップを使用します。より厳密な試験を行う場合は、光アパーチャの使用を省きます。アパーチャは活性領域を定義するために使用されるべきであり、この目的には透明導電酸化物シャドウマスクが利用可能です。

自動テストシステムを用いて光電流および暗電流電圧データを収集できるよう、チャックを移動してデバイスを配置します。光シャッターの開閉を行いながら、個々のデバイスを順次プローブするようにシステムをプログラムしてください。テストの様子はこのビデオで確認できますが、通常は周囲の光を遮断するために黒いカーテンの後ろで実施する必要があります。

電流電圧測定の後、サンプルチャックを外部量子効率測定システムにスライドさせます。照射下での電流電圧データ、外部量子効率データ、および光反射率測定により、デバイスの基本特性を評価します。ここでは、熱蒸着法を用いて作製した2つのサンプルのデバイスにおける太陽電池性能データを示します。各デバイスについて、一方のサンプルは灰色、もう一方は赤色で区別されています。

オープンサーキット電圧、短絡電流密度、フィルファクター、および電力変換効率が示されています。最適なデバイスは約4%の効率を示しています。両デバイスにおける効率とフィルファクターの間の明らかな相関関係は、シャント抵抗または直列抵抗による損失の影響を受けているデバイスと一致しています。

赤色のデータは、シャント抵抗に期待される通り、効率と開放電圧の間の相関関係も示しています。比較用の損失データです。ここでは、原子層堆積法を用いて作製されたデバイスの太陽電池性能データを示します。

これらのデバイスは熱蒸着法によるデバイスよりも優れた性能を示し、最高で 4.6% の効率を達成しました。この差にはさまざまな要因が考えられます。一つの要因として、原子層堆積法で作製されたデバイスは、シャント抵抗による損失が少ないと考えられます。

硫酸水素塩の取り扱いは非常に危険であることに注意してください。硫酸水素塩タンクは、硫酸水素塩検知器を備えたフィルムフードなどの換気装置内に保管してください。本ベースライン作製プロトコルは、太陽電池の全体的な性能を向上させ、特定の損失メカニズムをより深く理解するために設計された、制御された集中的な実験を行うためのプラットフォームであると考えています。

このビデオを視聴することで、再現性のある基板スタイルの太陽電池を製作する方法について十分に理解できるはずです。