Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 1 s
Description: 学ぶ、熱蒸着および原子層堆積法を用いた硫化スズ（SnS）太陽電池の製造プロセス。無毒で地球に豊富な材料を活用し、4.36%の変換効率を達成する方法を解説します。

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著者らは、認定JV測定のため国立再生可能エネルギー研究所（NREL）からポールCiszekとキースエメリーに感謝したいと思い、ライリーブラント（MIT）光電子分光測定のため、と仮説試験部のためのインスピレーションのためのジェフ·コッター（ASU）。この作品は、付与02.20.MC11下ボッシュエネルギー研究ネットワークを介して契約DE-EE0005329下、およびロバート·ボッシュLLCによってSunShotイニシアティブを通じて、米国エネルギー省によってサポートされています。 V.シュタインマン、R. Jaramilloの、およびK.ハートマンは、アレクサンダー·フォン·フンボルト財団、それぞれDOE EEREポスドク研究賞、およびIntel博士号フェローシップ、のサポートを認めます。この作品は賞ECS-0335765の下で国立科学財団によってサポートされているハーバード大学のナノスケールシステムセンターを利用しました。

1。基板の選択および切断<ol><li>購入厚い熱酸化物とSiウエハを研磨します。ここで報告されたデバイスについては、300 nm以下厚い熱酸化物で厚さ500μmのウェーハを使用しています。基板の選択基準は、ディスカッションのセクションで説明されています。 </li><li>代表的なポジ型フォトレジスト（SPR 700またはPMMA A. 495）およびソフトベーク（100℃で30秒）をスピンコートウェーハの研磨面を。 注：これは、その後の切断工程時に損傷や汚染を防止するための保護層です。 </li><li> 1 &quot;×1&quot;（25.4 X 25.4ミリメートル2）の正方形基板にウエハーを切断するために、ダイソーを使用してください。 </li></ol> 2.基板洗浄<ol><li> 60°C - 45で5分​​間、脱イオン（DI）水中で超音波浴に続く圧縮窒素銃を使用して切断工程から生じる微粒子および他の残留物を除去。 </li><li>超音波BAにフォトレジスト層を除去60℃ - 45で5分​​間アセトン中番目。 </li><li>アセトン、エタノール、イソプロピルアルコール：60°C - 3以降の超音波風呂、45で5分​​間すべてと露出された基板をきれいにしてください。基板は石英キャリアに残っている間、圧縮窒素銃で乾燥させることによって終了します。 </li></ol> 3. Moのスパッタリング<ol><li>高真空スパッタ装置に清浄なSi /のSiO 2基板をロードします。基板プレートが非加熱であり、基板の回転が有効になっていることを確認してください。ここで報告されたデバイスの場合、2「ターゲットと約4の投写距離」と傾斜マグネトロン銃を持った商用システムでの処理。 </li><li>比較的高いバックグラウンド圧力のArのような10ミリトールで第1の層（接着層）を堆積させます。ここで報告されたデバイスについては、2.6オングストローム/秒の成長率、および360nmの厚さである第一のMo層を与える180 W（DC）のスパッタパワーを持つプロセス。 </li><li>第二の入金比較的低いバックグラウンド圧力のArのような2ミリトールで層（導電層）。第一層（180 W）と同じスパッタパワーを使用し、同じ厚さで堆積させます。 注：ここで報告デバイスは、第一層と同じ、厚い360 nmであった第二のMo層を有していました。 </li><li> Moの堆積の後、のSNS成膜工程まで真空下で基板を格納します。 </li></ol> 4.のSNS堆積注：ALD堆積技術は、サブセクション4.1に記載されており、TE堆積は、サブセクション4.2に記載されています。 ALD堆積システムを図2に示し、TE堆積システムは、 図3に示されています。 <ol><li> ALDによる預金のSnS <ol><li>反応器内にロードする前に、有機粒子を除去するために、5分間UVオゾンクリーナーでのMo基板を置きます。その後、基板ホルダーに基板を配置し、堆積ゾーンに挿入。 </li><li>炉テンペを安定させます堆積を開始する前に、200℃でrature。 </li><li>のSnSにビス（N、N &#39;-diisopropylacetamidinato） -錫（II）の反応から薄膜を成長[錫（MEC（N -iPr）2）2、Snの（AMD）としてここで呼ばれる2]、硫化水素（H 2 S）、4。 <ol><li> 95℃の一定温度でのSn（AMD）2前駆体を保管してください。堆積ゾーンにオーブンで容器からのSn（AMD）2蒸気の供給を支援するために、純粋なN 2ガ ​​スを使用してください。各ALDサイクルの間に、Snを供給3回投与（AMD）1.1トル秒の合計露光用2前駆体。 </li><li>硫黄源としてN 2中4％のH 2 Sの混合ガスを使用してください。硫化水素蒸気への曝露は、用量あたり1.5トル秒であることを確認してください。 H 2 Sの分圧とN 2中のH 2 Sの全圧は、それぞれ、0.76トルと19トルであることを確認します。 </li></ol></li><li>集合T彼は、Snの前駆体量と堆積速度を上げるためにわずか1秒（ほとんどの他の従来のALD手法に比べて短く）なるようにH 2 S量との間の時間をポンピング。 注：Snの前駆体は完全にこの短い励起時間によって除去されないため、H 2 Sが到着したときに、いくらかの残留錫前駆体が残っています。したがって、プロセスは、パルスCVDプロセスとして記述することができました。のSNS膜の成長速度は0.33Å/サイクル、または0.04オングストローム/秒です。 </li></ol></li><li> TEによる預金のSnS <ol><li>プロセスチャンバ圧力は2×10 -7 Torr以下であることを確認してください。ロードロックを介してチャンバ内に基板をロードします。単一のクリップで、または基板プレートにネジ止めされている適切なサイズのポケットを持つカスタム基板ホルダーのいずれかでプレートに基板を保持します。 </li><li>その設定値にソースと基板ヒータをランプアップします。装置は、基板温度が240°Cであり、ここで報告され、成長率が1の場合7; /秒; 610°C（源粉末の単一のロード時間と必要なソース温度が上昇） - 領域550のソース温度を設定し、この成長率を達成します。目標膜厚は1000nmです。 </li><li>プロセスチャンバ内にQCMアームを移動させることによってのSNS成膜前後の水晶モニタ（QCM）を使用して堆積速度を測定します。 QCMは、基板成長位置に移動させることができるように、この測定のために基板を上昇させます。 注：堆積速度は（0.05Å/秒の偏差±）3時間の堆積時間にわたってかなり一定のままです。 </li><li>堆積後、空気に通気する前に戻ってロードロックにサンプルを転送します。すぐに真空中または次の処理ステップの前に、不活性雰囲気グローブボックスのいずれかで貯蔵中に空気を介してサンプルを輸送します。 注：典型的な意図しない空気曝露時間は約3分です。典型的な保存時間は一日とAWとの間にありますEEK。 </li></ol></li></ol> 5.のSNSアニーリング注：このステップは、ALDおよびTE太陽電池に少し異なる方法で実行されています。 ALD太陽電池のアニーリング手順は、サブセクション5.1に記載されており、TE太陽電池のための手順は、サブセクション5.2に記載されています。アニーリングの目的は、ディスカッションのセクションで説明します。 <ol><li> H 2 Sガス中のALD成長のSNSフィルムをアニール。 注：このステップは、ALDの成長のために使用したのと同じ方式で行われます。 <ol><li> 10トールの40 SCCMと圧力の流量で純粋なH 2 Sガス（純度99.5％）を使用します。 </li><li> 400°Cの温度までのSNSフィルムを加熱し、H 2 Sガス環境中で1時間保持します。ガスが上下に傾斜温度など、プロセス全体を通して流れていることを確認してください。 </li></ol></li><li> H 2 Sガス中のTE-成長のSNSフィルムをアニール。専用のチューブ炉で、この手順を実行します。 <ol><li>ロード番目炉のホットゾーン領域にきれいな水晶板とスライド上に電子サンプル。 </li><li>炉を密封した後、純粋なN 2で3回パージし、ベース圧力までポンプダウンすることを可能にします。 </li><li> 28トールで4％のH 2 Sの100 SCCMでガスの流れを確立します。 </li><li> 10分かけて400℃まで温度をランプアップします。サンプルは、ホットゾーンで補助なし冷却することができ、その後、1時間400℃で保持します。サンプルは60℃以下に冷却されるまで一定のH 2 Sガスの流量と圧力を維持します。サンプルを削除して、いずれかの次のステップに進んですぐ、または不活性ガスグローブボックス内のストレージに入れます。 </li></ol></li></ol>ネイティブ酸化物と6のSNS表面パッシベーション注：このステップは、ALDおよびTE太陽電池に少し異なる方法で実行されています。サブセクション6.1でALD太陽電池用表面保護手順が記述され、TE太陽電池のための手順は、サブセクションに記載されています6.2。このステップの機能は、さらなる議論のセクションで説明します。 <ol><li> ALD-成長したサンプルについては、ALDでのSnO 2の薄層を成長させます。 注：私たちはのSNSの成長のために使用されるものとは異なる反応装置を使用しています。 <ol><li>スズの環状アミドとの反応によりたSnO 2を成長[（1,3-ビス（1,1-ジメチルエチル）-4,5-ジメチル- （4R、5R）-1,3,2-diazastannolidin -2-イリデン）錫（II）]と、過酸化水素（H 2 O 2）。 43℃のオーブン内で環状アミドスズ前駆体を保管し、そしてRTでバブラー中のH 2 O 2。 </li><li>堆積のための120℃の基板温度を維持します。 </li><li> 5サイクルの合計のために、それぞれ0.33およびサイクル当たり1.5トル秒を使用して、スズ前駆体とH 2 O 2を公開します。 X線光電子分光法（XPS）分析10によって測定されるように、得られたSnO 2の厚さは、0.6〜0.7 nmであることを確認してください。 </li></ol></li><li> TE-成長したサンプルの場合は、THIを形成大気暴露によるSnO 2をN層。 <ol><li> 24時間実験室周囲の空気にサンプルを公開します。 XPS分析によって測定されるように、得られたSnO 2の厚さは、約0.5 nmであることを確認してください。 注意：一般的なRTが24±1℃であり、典型的な湿度は45％±13％（夏に高い）です。ここで報告されたデバイスのために、値はそれぞれ24.6 Cおよび&lt;30％でした。 </li></ol></li></ol>のZn（O、S）/ ZnOのバッファ層7を堆積注：このステップでは、ALDによるのSNS成長のために使用されるのと同じALDチャンバ内で行われます。 <ol><li> ALDによるN層：亜鉛（O、S）を成長させます。 <ol><li> 120℃の基板温度を維持します。 </li><li>成長のZn（O、S）：ジエチル亜鉛の反応亜鉛（Zn（C 2 H 5）2、DEZ）、脱イオン水（H 2 O）、S 2 N 2中4％H、およびアンモニアからALDによるN（NH 3）11。バブラcontaiを保存RTで寧DEZ。のサイクルシーケンスを使用して、[DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1、このスーパーサイクルを12回繰り返します。アンモニアの露出が11トル秒であることを確認してください。 </li><li>ラザフォード後方散乱分光法12によって測定されるように得られたフィルム中のS / Znの比は、0.14であることを確認し、フィルムの厚さは約36 nmであること。 </li></ol></li><li> ALDによりZnO層を成長させます。 <ol><li> 120℃の基板温度を維持します。 </li><li> DEZ-H 2 Oの50 ALDサイクルでのZnOを成長させます 注：得られたZnO膜の厚さは約18 nmです。 </li></ol></li></ol>透明導電酸化物（TCO）、インジウムスズ酸化物（ITO）の8堆積<ol><li>実験用レーザーカッターを使用して、0.024 &quot;（610μm）のアルミニウム6061シートからITOのシャドウマスクをカットします。 注：マスクは0.25 cm 2である11長方形のデバイスを定義しますサイズと光反射率測定のために使用される一つの角が大きいパッドは、 図4を参照してください。 </li><li>マスクアライナ内のデバイスとマスクをマウントします。 注：これは、所定の位置にマスクを確保するために、ネストされた基板用ポケットやマスクやクリップでアルミ板です。 </li><li>反応性マグネトロンスパッタリングによりデポジットITO。 <ol><li>約80に基板を加熱 - 90℃と基板回転を可能にします。 </li><li> 4ミリトールの全圧のAr / O 2ガス流量SCCM 40 / 0.1と65 W、RFスパッタ電力で直径2インチのITOターゲット（2 O 3 / SnO 2の 90/10重量で。％、純度99.99％）を使用します。 </li><li> 240 nmのITO膜を成長させます。 注：これらのパラメータを使用すると、範囲の0.5オングストローム/秒、シート抵抗の成長率は40から60Ω/□が達成されます。 </li></ol></li></ol> 9.メタライゼーション<ol><li> 127ミクロンの厚さのオースティンからのメタライゼーションシャドウマスクをカットITICステンレス鋼板。 注：これらのマスクは、営利企業による+ 10 / -5μmの公差で切断されています。金属パターンは、1.5ミリメートルで区切られた2本の指、長い各7ミリメートルであり、x 1 mm 2のコンタクトパッドで構成され、 図4を参照してください。 </li><li>ステップ8.2のように、マスクアライナ内のデバイスとマスクをマウントします。 </li><li> （TEデバイスの場合）デポジットのAgまたはNi / Alの（ALDデバイスの場合）、電子ビーム蒸着により。 <ol><li>電子ビーム金属蒸着装置の基板プレート上にマウントマスクアライナ。 1×10 -6トール未満のベース圧力にポンプダウン。 </li><li> 2オングストローム/秒の速度で金属を蒸発させます。 500 nmの全金属の厚さを堆積。 </li></ol></li></ol> 10.デバイスの特性評価<ol><li>太陽の光をシミュレートし、暗所でとAM1.5内のすべてのデバイスの測定-電流-電圧（「V J」）を実行します。 <ol><li> Jを収集することによってソーラーシミュレータを校正- Vデータ FR較正されたシリコン太陽電池OMとAM1.5の日射のために較正された電流値に達するまで、ソーラシミュレータのランプ電力と高さを調整します。 </li><li>トップ（アノード、AgやAl）で、ボトム（カソードはMo）層の両方に接触するベリリウム銅ダブルプローブ·チップを使用して、4線式モードでデバイスにお問い合わせください。メスの刃でバッファやSNS層を離れてスクラッチすることにより底層にお問い合わせください。 </li><li>メジャー明暗J - Vデータソーシング電圧によってソースメータを使用し、電流を測定します。 注：デバイスは、典型的には0.5±範囲内で測定されたV.デバイスは、電圧スイープの方向や速度に応答しません。通常の試験のための領域を規定する光開口部が使用されていません、詳細については、議論のセクションを参照してください。 </li></ol></li><li>可変光と電圧バイアスで、すべてのデバイス上の外部量子効率（EQE）の測定を行います。 <ol><li> RESPOを測定することにより、EQEシステムのキャリブレーションSiの較正フォトダイオードのNSE。 注意：ソフトウェアは、それに応じて光レベルを調整するために、NIST担保規格に行われた測定に、このデータを比較します。 </li><li>ステップ10.1.2のように、4線式の方法を使用してデバイスにお問い合わせください。 </li><li> 270 1100ナノメートルの波長範囲にわたって100Hzでチョップ単色光を試料に照射し、結果として生じる電流を測定する商業的システムを使用して、EQEを測定します。メーカーの標準的な操作手順に従って、この測定を行います。 </li><li>可変電圧と白色光バイアスをEQE測定を繰り返します。光バイアスを供給するために電圧バイアスを供給するためのソースメータ、およびハロゲンランプを使用してください。前方の両方でデバイスを測定し、電圧バイアスを逆転し、〜1太陽までの可変白色光強度の下で。 </li><li>内部に外部変換するために積分球を分光光度計を使用してITOの上部表面の光反射率（％のR）を測定量子効率（IQE）。メーカーの標準的な操作手順に従って、この測定を行います。 </li></ol></li></ol>

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著者らは、開示することは何もありません。

基板選択クリーニング 酸化されたSiウエハが基板として使用されています。基材は、得られる太陽電池の機械的支持体であり、その電気的特性は重要ではありません。市販Siウエハは、典型的には、市販のガラスウェーハよりもきれいであり、これは、基板の洗浄に時間を節約するため、Siウエハをガラスに好適です。 Siはまた、成長およびアニーリングの間に、より均一な加熱をもたらす、ガラスよりも高い熱伝導率を有する基板。市販ガラスウェーハと、それは汚染のすべての可視痕跡を除去するために、暖かい超音波浴が続く手袋をはめた指でマニュアル摩擦を含む洗剤で基板を、きれいにする必要があったし、その後も基板の清浄度がないことが判明しました保証されます。これは、実験的に、ガラスやSi基板の選択は、デバイス性能に影響を及ぼさないことが確認されました。 Howevえー、この比較は、デバイスを用いて実施した2％であった - 3％効率的な範囲、およびベースラインの効率が向上するように繰り返し比較は価値があるだろう。 典型的には10以...

薄膜太陽光発電（PV）は、関心と重要な研究活動を魅了し続けます。しかし、太陽光発電市場の経済は急速にシフトし、商業的に成功した薄膜PVを開発しているが、より困難な見通しとなっています。当然のウエハベースの技術を介して製造コストの優位性はもはや行われないことができ、効率化とコストの両方の改善が対等な立場で求められている必要があります。1,2このような現実を踏まえて、我々はのための吸収材料としてのSnSを開発することを選択しました薄膜PV。 SNSが低い製造コストにつながる可能性が本質的な実用上の利点があります。高い効率を示すことができる場合は、商用薄膜PVでのCdTeのドロップイン代替品として考えられます。ここでは、最近報告されたSnS記録太陽電池の製造手順が示されています。我々は、このような基板の選択、堆積条件、デバイスレイアウト、及び測定プロトコルなどの実用的な側面に焦点を当てます。 SNは、非毒性地球豊富で安価な要素（錫と硫黄）で構成されています。 SNSは1.1 eVでの間接的なバンドギャップを有する不活性、不溶性の半導体固体（鉱物名Herzenbergite）で、1.4 eVの上記のエネルギーを有する光子のための強力な光吸収（α&gt; 10 4 cm -1で）、およびキャリア濃度の内因性のp型の導電性範囲の10月15日から10月17日まで cm -3の3 -重要な7は 、SNSが合同蒸発し600℃までの相安定である8,9これは、たSnSは熱蒸発（TE）と高いによって堆積することができることを意味します。のCdTe太陽電池の製造に使用されているよう-speedいとこ、密閉空間昇華（CSS）。またのSNS位相制御は、特にたCu（In、Gaの）（S、SE）2（CIGS）及びCu 2 ZnSnS 4（CZTS）を含む、ほとんどの薄膜PV材料よりもはるかに単純であることを意味します。したがって、細胞EFFICIENCYはPVのSnSの商業化への一次障壁として立って、やSNSを一旦高い効率を実験室規模で実証されたCdTeのドロップイン置換と考えることができます。しかし、この効率の障壁は誇張することはできません。我々は、記録効率が商業開発を刺激するために、〜4％〜15％から、4倍に増加しなければならないと推定しています。ドロップインのCdTeの代替としてSNを開発することは、高品質のSNの成長CSSによる薄膜、およびSNSは直接成長させることができるその上のn型の相手材料の開発が必要になります。 以下は、2つの異なる堆積技術、原子層堆積（ALD）とTEを使用して、レコードのSnS太陽電池を製造するための段階的な手順について説明します。 ALDは、低成長法であるだけに、最新の高効率のデバイスをもたらしました。 TEは、より速く、工業的にスケーラブルであるが、効率がALDに遅れます。別のSNS堆積方法に加えて、TEとALD太陽電池は、アニール、表面パッシベーション、および金属化ステップで若干異なります。デバイスの製造工程を図1に列挙されています。 手順を説明した後、認定記録装置および関連するサンプルについての試験結果を示します。記録結果は、以前に報告されています。ここでの焦点は、典型的な処理の実行の結果の分布にあります。

<table><tbody><tr><td>クォーツウェーハキャリア</td><td>AMクォーツ、ゲインズビル、テキサス州</td><td></td><td>オーダーメイド設計</td></tr><tr><td>スパッタリングシステム</td><td>PVD製品</td><td></td><td>ロードロック付き高真空スパッタリングシステム</td></tr><tr><td>N<<sub<>>2SのNsub2/sub></td><td>Airgas Inc.</td><td></td><td></td>X02NI96C33A5626</tr><tr><td>99.5% H2S</td><td>Matheson Trigas</td><td>G1540250</td><td></td></tr><tr><td>SnS 粉末</td><td>Sigma Aldrich</td><td>741000-5G</td><td></td></tr><tr><td>エフュージョンセル</td><td>Veeco</td><td>35-LT</td><td>低温、シングルフィラメントエフュージョンセル</td></tr><tr><td>ジエチル亜鉛 (Zn(C2H5)2)</td><td>Strem Chemicals</td><td>93-3030</td><td></td></tr><tr><td>レーザーカッター</td><td>エレクトロックス</td><td>スコーピアン G2</td><td>ITOシャドーマスクに使用</td></tr><tr><td>ITOスパッタリングターゲット(In2O3/SnO2 90/10 wt.%, 99.99% pure))</td> <td>Kurt J. Lesker</td><td>EJTITOX402A4</td><td></td></tr><tr><td>メタライゼーションシャドウマスク</td><td>MicroConnex</td><td></td><td>別注デザイン</td></tr><tr><td>電子ビーム蒸発器</td><td>デントン</td><td></td><td>ロードロック付き高真空金属蒸発器</td></tr><tr><td>AM1.5ソーラーシミュレータ</td><td>ニューポート オリエル</td><td>91194</td><td>1,300 W Xe-ランプ AM1.5Gフィルターを使用</td></tr><tr><td>分光光度計</td><td>パーキン・エルマー</td><td>ラムダ 950 UV-VIS-NIR</td><td>150 mm スペクトルコーティング積分球</td></tr><tr><td>校正済み Si太陽電池</td><td>PV測定</td><td></td><td>BK-7 窓ガラス</td></tr><tr><td>ダブルプローブチップ</td><td>アキュプローブ</td><td></td><td></td>K1C8C1F</tr><tr><td>ソースメータ</td><td>ケース</td><td>レー2400</td><td></td></tr><tr><td>量子効率測定システム</td><td>PV測定</td><td>QEX7</td><td></td></tr><tr><td>キャリブレーション済みSiフォトダイオード</td><td>PV測定</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ハイスループット太陽電池テストステーション</td><td>PV測定</td><td></td><td>オーダーメイド設計</td></tr><tr><td>不活性ポンプオイル</td><td>デュポン</td><td>・クライトックス</td><td>PFPEオイル、グレード1514;ベンダー: Eastern Scientific</td></tr><tr><td>H2S resistant elastomer o-rings</td><td>DuPont</td><td>Kalrez</td><td>compound 7075; ベンダー: Marco Rubber</td></tr><tr><td>H2S resistant elastomer o-rings</td><td>Marco Rubber</td><td>Markez</td><td>compound Z1028</td></tr><tr><td>H2S Seals</td><td>Eastern, Inc.</td><td>アフラス</td><td>ベンダー:マルコラバー</td></tr></tbody></table>

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

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

錫スルフィド（SNS）は、地球の豊富な、非毒性の太陽電池の候補吸収材料です。 SNSが合同熱蒸着によって容易位相制御と急速な成長を提供し、それが強く、可視光を吸収します。しかし、長時間のSnS太陽電池の記録パワー変換効率は2％未満のままでした。最近では、熱蒸着を用いた原子層堆積によって堆積のSnS、および3.88パーセントを使用して4.36パーセントの新しい認定記録効率を実証しました。ここでは、これらのレコードの太陽電池の製造手順を説明すると、製造プロセスの統計的分布が報告されています。単一の基板上で測定効率の標準偏差は、典型的には0.5％以上です。基質の選択および洗浄を含むすべてのステップは、Moが記載されているリアコンタクト（カソード）のSNS堆積、アニーリング、表面パッシベーションはZn（O、S）バッファ層の選択および堆積、透明導電体（陽極）の堆積、及び金属スパッタリング。各基板上に、我々は、アクティブ領域とそれぞれ0.25センチメートル2 11個々のデバイスを、製造します。また、模擬太陽光の下での電流 - 電圧曲線の高スループット測定、及び可変軽バイアスと外部量子効率測定のためのシステムが記載されています。このシステムでは、我々は、自動化された方法で、最小限の時間ですべての11のデバイスの完全なデータセットを測定することができます。これらの結果は、大規模なサンプルセットを勉強ではなく、最高のパフォーマンスデバイスに狭くフォーカスの値を示しています。大規模なデータセットは、私たちは私たちの機器に影響を与える個々の損失機構を区別し、改善するのに役立ちます。

上述したように図において6-8の結果は2つの代表的な「ベースライン」TE-成長したサンプルについて示されています。イルミネーションJ -これらの二つのサンプルに対するVデータを図6にプロットされた第1のサンプル（「SnS140203F」）は、以前に報告された3.88パーセントの認定された効率を有するデバイスをもたらした9代表JV分布は、各試料について示されています。。。所定のバイアス電圧は、これらの分布は次のように計算され<img alt="式（1）" src="/files/ftp_upload/52705/52705eq1.jpg" />ここで、&lt;J&gt;は 、すべてのデバイスのために測定した電流密度の平均値である、σJは、これらの測定値の標準偏差であり、Nは測定値の合計数です。つまり、平均値と標準誤差は、グラフィックで表現されます。この表現は、異なるサンプルからの結果を比較すると、視覚的に評...

スズ硫化スズ(SnS)は、地球に豊富に存在する無毒の太陽電池の候補材料です。ここでは、原子層堆積法による電力変換効率4.36%と熱蒸着法によるSnS太陽電池の作製手順を示します。

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

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

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。

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ガラス基板上に多結晶シリコン薄膜太陽電池は、結晶化、欠陥のパッシベーションおよびメタライゼーションに続いてホウ素やリンをドープしたシリコン層の堆積によって製造されています。プラズモニック光トラッピングは〜45％の光電流の増強の結果、拡散反射板でキャップシリコン細胞表面上のAgナノ粒子を形成することによって導入されています。...

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ここでは、シンクロトロン散乱技術を使用して、ミニスロットダイコーターを用いた有機薄膜太陽電池を製造するためのプロトコルとインライン関連構造の特徴付けを示します。...

バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製とその場で形態キャラクタリゼーション

このプロトコルは、非導電性表面上に薄膜電子回路を製造するための層による無機ナノクリスタル膜の合成及び溶液堆積を記載しています。溶剤安定化インクは、堆積後の配位子交換及び焼結次のスピンおよびスプレーコーティングによりガラス基板上に完全な光起電力素子を製造することができます。...

完全に解決策が処理無機ナノ結晶太陽電池素子の作製

我々は、結晶構造、状態密度、エネルギーレベル、および最終的に太陽電池の性能を比較することにより、有機/無機ペロブスカイト薄膜の別の製造方法の効果について鋭意研究を提示します。...

製膜上のハイブリッドペロブスカイト製造方法、電子構造、および太陽電池の性能に及ぼす影響

本稿では、設計および高品質 Al ドープ ZnO (AZO) シード層上に成長した ZnO ナノロッド (陸) の効率的な逆 SMPV1:PC71BM 太陽電池を作製する方法をについて説明します。縦方向に ZnO 陸展示高結晶性、配向。太陽電池の電力変換効率は、6.01%...

整列垂直方向に配向 ZnO ナノロッド配列と反転小さな分子の太陽電池の応用

ここでは、高 Si 少数キャリア寿命の高性能ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池を開発するためのプロトコルを提案する.

高パフォーマンス ギャップ/Si ヘテロ接合太陽電池の開発

この研究は、効率を高める薄吸収体カドミウムセレンテルル化物/カドミウムテルル化物の完全な製造プロセスを説明する。このプロセスでは、小規模領域研究デバイスの製造や大規模モジュールの製造など、スケーラブルな近接スペース昇華堆積のための自動インライン真空システムを利用しています。...

短絡電流密度と光発光を高めるクローズスペース昇華堆積超薄型CdSeTe/CdTe太陽電池

ペロブスカイトおよびメゾスコピック・チオ2 膜の合成に用いられるフラッシュ赤外線アニール法について述べている。アニーリングパラメータは、フッ素ドープ酸化スズ(FTO)ガラスおよび酸化スズコーティングポリエチレンテレフタレート(ITO...

ペロブスカイト太陽電池処理用フラッシュ赤外線アニール

CdSe-SnSeナノ複合材料は、表面工学的なSnSe粒子を固めて作製します。SnSe粒子を生成するために、単純な水性合成が用いられます。SnSe粒子をCdSe分子複合体でコーティングすると、ナノ複合材料に存在する粒子サイズを制御し、欠陥の数を増やすことができるため、熱伝導率が低下する。...

溶液処理、表面工学、低熱伝導率を示す多結晶CdSe-SnSe

学ぶ、熱蒸着および原子層堆積法を用いた硫化スズ（SnS）太陽電池の製造プロセス。無毒で地球に豊富な材料を活用し、4.36%の変換効率を達成する方法を解説します。

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

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