Het maken van Record-efficiëntie SnS Zonnecellen door thermische verdamping en Atomic Layer Deposition

Het algemene doel van deze procedure is het creëren van een betrouwbaar platform voor de ontwikkeling van zonnecellen op basis van nieuwe materialen. Dit wordt bereikt door eerst een schoon, elektrisch isolerend substraat voor te bereiden. De tweede stap bestaat uit het depositeren van twee lagen gesputterd molybdeen voor het achterste gat, het selectieve elektrische contact.

Breng vervolgens de P-type tin-sulfideabsorber aan via atomaire laagdepositie of thermische verdamping. De laatste stap is het voltooien van de PN-overgang door een stapel N-type lagen aan te brengen, bestaande uit een bufferlaag van een zink-oxysulfideverbinding, gevolgd door een transparante geleidende oxide en metalen vingers die zijn aangebracht om de ladingsverzameling te ondersteunen. Tot slot worden de resulterende zonnecellen getest door stroom-spanningscurves te meten onder gesimuleerd zonlicht en de kwantumefficiëntie onder monochromatische verlichting.

Hoewel deze methode wordt gedemonstreerd voor de ontwikkeling van tinsulfide-zonnecellen, kan deze ook worden gebruikt voor de ontwikkeling van anorganische dunne-film substraat-zonnecellen op basis van andere nieuwe materialen. De depositie van tinsulfide via atoomlaagdepositie zal worden gedemonstreerd door Schwan Yang, een promovendus in de Gordon Group aan Harvard. Steinman, een postdoc in het fotovoltaïsche onderzoekslaboratorium aan MIT, zal de depositie van tinsulfide via thermische verdamping demonstreren.

Deze video begint na de voorbereiding van de substraten van de siliciumwafers. Gebruik gepolijste siliciumwafers van één vierkante inch met een dikte van 500 micron en een thermische oxidelaag van 300 nanometer of dikker. Sputter eerst een adhesielaag van molybdeen van 360 nanometer en breng vervolgens een tweede geleidende laag van maum aan met een dikte van 360 nanometer.

Bewaar de voorbereide substraten in een stikstof-handschoenenkast tot het tijd is voor de depositie van het tinsulfide om de substraten gereed te maken voor atomic layer deposition. Plaats ze vervolgens in een UV-ozonreiniger om organische deeltjes te verwijderen. Reinig de substraten gedurende vijf minuten.

Zorg ervoor dat de substraathouder voor de depositiekamer in de buurt is terwijl de reiniging plaatsvindt. Haal de substraten op zodra ze klaar zijn en plaats ze in de monsterhouder. Deze monsterhouder is nu gevuld met substraten en klaar voor plaatsing in de depositiekamer.

Plaats de houder in de oven en pomp de oven vervolgens leeg met een voorvacuumpomp. Stabiliseer daarna de oventemperatuur op 200 °C. Controleer vervolgens de precursoren.

Houd de tin-ate precursor voor de depositie van tinsulfide in een oven bij 95 °C. Richt de gasleidingen zo in dat puur stikstofgas de toevoer van tin-ate damp ondersteunt. De tweede precursor is waterstofsulfide in een gasmengsel van 4% waterstofsulfide in stikstofgas; voer de depositie uit met een groeisnelheid van 0,33 angstrom per cyclus.

Lever tijdens elke cyclus van atomaire laagdepositie drie doses van 10 ate voor een totale blootstelling van 1,1 tor seconde. Spoel vervolgens de kamer met stikstofgas. Injecteer daarna waterstofsulfide in stikstofgas voor een blootstelling van 1,5 tor seconde.

Spoel tot slot opnieuw met stikstof. Een alternatieve depositiemethode is thermische verdamping. Zorg ervoor dat de druk in de proceskamer 2 × 10⁻⁷ tor of lager is.

Gebruik een monsterhouder met pockets van de juiste grootte om het substraat stevig vast te houden. Gebruik, zoals voorheen, een vooraf geprepareerd substraat met twee lagen molybdeen. Hier schematisch weergegeven.

Laad de houder met dit substraat en kleine aanvullende CYS-substraten voor latere karakterisering. Plaats de monsterhouder via de load lock in de thermische evaporator. Pomp de load lock vacuüm en breng de substraten vervolgens over naar de groeikamer.

Gebruik de transportarm wanneer deze in positie zijn om de bron- en substraatverwarmers op te voeren tot een groeisnelheid van 1 angstrom per seconde en een substraattemperatuur van 240 °C is bereikt. Til nu de substraten op om de depositiesnelheid met de kwartskristalmonitor te meten. Activeer de lineaire translatiearm om de kwartskristalmonitor in de proceskamer te bewegen.

Zodra deze op zijn plaats zit, open je het bronluik om de meting te starten. De groeisnelheid wordt aangegeven op het voorpaneel van de controller van de Crystal Monitor. Wanneer de meting is voltooid, sluit je het luik en verwijder je de kwartsmeter uit de kamer.

Breng vervolgens de substraten naar de groeipositie en open de bronsluiter om de depositie te starten. Voor een beoogde filmdikte van 1000 nanometers zal de depositie ongeveer drie uur duren. Sluit de bronsluiter zodra de depositie voltooid is.

Herhaal de meting van de groeisnelheid met behulp van de kwartskristalmonitor. Sluit na de meting de bronsluiter, schakel de verwarmers uit en wacht tot de substraten zijn afgekoeld voordat u deze overbrengt naar de load lock. Ventileer de lock met lucht en neem de substraten uit.

Verwijder ze snel uit de monsterhouder en transporteer ze naar de opslag in een stikstofhandschoenenkast. Na het proces van atomaire laagdepositie of thermische dampdepositie is het monster voorzien van een tin sulfide-laag. Alle monsters ondergaan vervolgens een gloeiing in waterstofsulfidegas, gevolgd door oppervlaktepassivering met een natuurlijk oxide.

De volgende stap is de depositie van n-type zinkoxysulfide- en zinkoxidbufferlagen via atoomlaagdepositie. De volgende stap is de depositie van de transparante geleider. We gebruiken indiumtinoxide vóór de depositie van indiumtinoxide.

De actieve gebieden van de apparaten moeten worden vastgesteld. Gebruik metalen schaduwmaskers om de grootte van het transparante geleidende oxidepad te bepalen, wat het actieve apparaatgebied vaststelt. De maskers definiëren 11 rechthoekige apparaten met een grootte van 0,25 vierkante centimeter, plus een grotere pad in één hoek die in de tekening wordt gebruikt voor optische reflectiemetingen.

Een indicatie van de grootte van de indiumtinoxide-laag die voor één device moet worden toegevoegd, wordt gegeven door het gearceerde gebied; monteer de devices en maskers in een maskeruitlijner. De maskers moeten voldoende dik zijn zodat ze niet buigen in de maskeruitlijner. Anders kan het oxidepad-gebied onduidelijk gedefinieerd worden.

Breng de mask-aligner met de gemonteerde componenten naar de sputterkamer. Plaats de mask-aligner in de juiste positie voor de depositiestap. De volgende stap is het groeien van een 240 nanometer dikke indiumtinoxidefilm.

Om dit te doen, verhit het substraat tot 80 tot 90 °C en activeer de rotatie van het substraat. Stel de radiofrequente sputterinstellingen, het vermogen, de argon- en zuurstofgasstroom en de druk in, en monitor vervolgens schematisch de depositie. Dit is de toestand van het apparaat na de depositie van indiumtinoxide.

De volgende stap is metallisatie. Gebruik een schaduwmasker en elektronenstraalevaporatie om 500 nanometers geleidend metaal te deposeren, entweder zilver of een nikkel-aluminiumstack. Dit is een voltooid monster.

Let op dat het hier getoonde monster na fabricage al is bekrast om het molybdeen-achtercontact bloot te leggen. Ga over naar de karakterisering van het device met behulp van een zonne-simulator die is gekalibreerd voor een air mass-coëfficiënt van 1.5. Gebruik eerst een scalpelblad om de buffer- en tinsulfide-lagen weg te krassen en het molybdeen-achtercontact bloot te leggen.

Plaats vervolgens de sample op de op de rail gemonteerde samplehouder; een vacuüm houdt de sample op zijn plaats en de temperatuur van de houder wordt geregeld op 25 °C. Maak nu elektrisch contact met elk van de componenten op de sample en het bekraste achtercontact. Dit gebeurt hier met een op maat gemaakte probe-kaart die via koperberyllium gelijktijdig contact maakt met alle componenten.

Dubbele probesondes in vierdraadsmodus voor routinemetingen. Laat het gebruik van een lichtopening weg voor nauwkeurigere tests; de opening moet worden gebruikt om het actieve gebied te definiëren. Het schaduwmasker van transparant geleidend oxide kan hiervoor worden gebruikt.

Verplaats de houder zodat de apparaten in positie zijn om gegevens van de licht- en donkerstroomspanning te verzamelen met behulp van een geautomatiseerd testsysteem. Programmeer het systeem om de individuele apparaten opeenvolgend te meten terwijl de lichtsluiter wordt geopend en gesloten. De test is te zien in deze video, maar moet normaal gesproken achter een zwart gordijn worden uitgevoerd om omgevingslicht te verminderen.

Na de huidige spanningsmetingen schuift u de monsterhouder in het systeem voor externe quantumefficiëntie; de verlichte stroom-spanningsgegevens, de gegevens over de externe quantumefficiëntie en de optische reflectiemetingen bieden een basiskarakterisering van de componenten. Hier zijn de prestatiegegevens van zonnecellen voor componenten op twee monsters die zijn vervaardigd middels thermische verdamping. De monsters worden voor elk apparaat onderscheiden door de kleur grijs voor de ene en rood voor de andere.

De open-klemspanning, de kortsluitstroomdichtheid, de vulfactor en de energie-omzettingsefficiëntie worden weergegeven. De beste apparaten hebben een efficiëntie van ongeveer 4%. De schijnbare correlatie tussen de efficiëntie en de vulfactor in beide apparaten is consistent met apparaten die last hebben van shunt- of serieweerstandsverliezen.

De gegevens in het rood tonen ook een correlatie tussen de efficiëntie en de open-klemspanning, zoals verwacht bij shuntweerstand. Verliezen ter vergelijking. Hier zijn de prestatiegegevens van zonnecellen voor apparaten die zijn vervaardigd met behulp van atoomlaagdepositie.

Deze apparaten vertonen betere prestaties dan de apparaten die via thermische verdamping zijn vervaardigd, waarbij de beste een rendement van 4,6% laat zien. Verschillende factoren kunnen deze różDifference verklaren. Eén factor is dat apparaten die zijn geproduceerd met atoomlaagdepositie minder last lijken te hebben van shuntweerstandsverliezen.

Vergeet niet dat het werken met waterstofsulfaat zeer gevaarlijk kan zijn. Zorg ervoor dat de waterstofsulfaattank wordt bewaard in een luchtventilatievoorziening, zoals een zuurkast met waterstofsulfaatdetectoren. Wij beschouwen dit basis fabricageprotocol als een platform om gecontroleerde en gerichte experimenten uit te voeren die zijn ontworpen om de algehele prestaties van de zonnecel te verbeteren en om specifieke verliesmechanismen beter te begrijpen.

Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht moeten hebben in het vervaardigen van een reproduceerbare zonnecel op substraatbasis.