Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

42.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/52705

⸱

22 maja 2015

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Laboratory for Manufacturing and Productivity, Massachusetts Institute of Technology, 3School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 4Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 5Department of Chemistry & Chemical Biology, Harvard University

W tym artykule

Podsumowanie

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Streszczenie

Siarczek cyny (SnS) jest kandydatem na materiał absorbujący dla powszechnie występujących na Ziemi, nietoksycznych ogniw słonecznych. SnS oferuje łatwą kontrolę fazy i szybki wzrost poprzez kongruentne parowanie termiczne oraz silnie pochłania światło widzialne. Jednak przez długi czas rekordowa sprawność konwersji energii ogniw słonecznych SnS utrzymywała się poniżej 2%. Niedawno wykazaliśmy nową certyfikowaną sprawność na poziomie 4,36% przy użyciu SnS osadzanego przez osadzanie warstwy atomowej i 3,88% przy odparowywaniu termicznym. W tym miejscu opisano procedurę wytwarzania tych rekordowych ogniw słonecznych oraz przedstawiono statystyczny rozkład procesu produkcyjnego. Odchylenie standardowe wydajności mierzonej na pojedynczym podłożu wynosi zwykle ponad 0,5%. Opisano wszystkie etapy, w tym wybór i czyszczenie podłoża, rozpylanie Mo dla tylnego styku (katody), osadzanie SnS, wyżarzanie, pasywację powierzchni, wybór i osadzanie warstwy buforowej Zn(O,S), osadzanie przezroczystego przewodnika (anody) i metalizację. Na każdym podłożu wykonujemy 11 pojedynczych urządzeń, każde o powierzchni czynnej 0,25cm2. Ponadto opisano system do wysokoprzepustowych pomiarów krzywych prąd-napięcie w symulowanym świetle słonecznym oraz zewnętrznego pomiaru wydajności kwantowej ze zmiennym odchyleniem światła. Dzięki temu systemowi jesteśmy w stanie zmierzyć pełne zbiory danych na wszystkich 11 urządzeniach w sposób zautomatyzowany i w minimalnym czasie. Wyniki te ilustrują wartość badania dużych zestawów próbek, a nie skupiania się wąsko na urządzeniach o najwyższej wydajności. Duże zbiory danych pomagają nam rozróżnić i zaradzić poszczególnym mechanizmom strat wpływającym na nasze urządzenia.

Wprowadzenie

Fotowoltaika cienkowarstwowa (PV) nadal cieszy się zainteresowaniem i znaczącą działalnością badawczą. Jednak ekonomia rynku fotowoltaiki szybko się zmienia, a rozwój cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych, które odniosły sukces komercyjny, stał się coraz bardziej wymagającą perspektywą. Przewaga kosztów produkcji nad technologiami opartymi na płytkach krzemowych nie może być już oczywista, a poprawa zarówno wydajności, jak i kosztów musi być poszukiwana na równych zasadach. 1,2 W świetle tej rzeczywistości zdecydowaliśmy się opracować SnS jako materiał absorbujący dla cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych. SnS ma same w sobie praktyczne zalety, które mogą przełożyć się na niskie koszty produkcji. Jeśli uda się wykazać wysoką sprawność, można go rozważyć jako bezpośredni zamiennik CdTe w komercyjnych cienkowarstwowych instalacjach fotowoltaicznych. W tym miejscu zademonstrowano procedurę produkcji niedawno zgłoszonych rekordowych ogniw słonecznych SnS. Skupiamy się na aspektach praktycznych, takich jak dobór podłoża, warunki osadzania, układ urządzenia i protokoły pomiarowe.

SnS składa się z nietoksycznych, dostępnych w Ziemi i niedrogich pierwiastków (cyna i siarka). SnS jest obojętnym i nierozpuszczalnym półprzewodnikowym ciałem stałym (nazwa mineralna Herzenbergite) o pośredniej przerwie energetycznej 1,1 eV, silnej absorpcji światła dla fotonów o energii powyżej 1,4 eV (α > 104 cm-1) i wewnętrznej przewodności typu p o stężeniu nośnika w zakresie 1015 – 1017 cm-3. 3–7 Co ważne, SnS odparowuje przystale i jest stabilny fazowo do 600 °C.8,9 Oznacza to, że SnS może być osadzany przez parowanie termiczne (TE) i jego szybkiego kuzyna, sublimację w przestrzeni zamkniętej (CSS), jak to jest stosowane w produkcji ogniw słonecznych CdTe. Oznacza to również, że regulacja fazy SnS jest znacznie prostsza niż w przypadku większości cienkowarstwowych materiałów fotowoltaicznych, w tym Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) i Cu2ZnSnS4 (CZTS). W związku z tym wydajność ogniw stanowi główną barierę dla komercjalizacji SnS PV, a SnS można uznać za bezpośredni zamiennik CdTe, gdy zostanie wykazana wysoka wydajność w skali laboratoryjnej. Nie można jednak przecenić tej bariery efektywności. Szacujemy, że rekordowa efektywność musi wzrosnąć czterokrotnie, z ~4% do ~15%, aby stymulować rozwój komercyjny. Opracowanie SnS jako bezpośredniego zamiennika CdTe będzie również wymagało wyhodowania wysokiej jakości cienkich warstw SnS przez CSS oraz opracowania materiału partnerskiego typu n, na którym SnS może być hodowany bezpośrednio.

Poniżej opisana jest procedura krok po kroku do produkcji ogniw słonecznych Record SnS przy użyciu dwóch różnych technik osadzania, osadzania warstwy atomowej (ALD) i TE. ALD jest metodą powolnego wzrostu, ale do tej pory przyniosła urządzenia o najwyższej wydajności. TE jest szybszy i skalowalny przemysłowo, ale pozostaje w tyle za ALD pod względem wydajności. Oprócz różnych metod osadzania SnS, ogniwa słoneczne TE i ALD różnią się nieznacznie etapami wyżarzania, pasywacji powierzchni i metalizacji. Etapy produkcji urządzenia są wymienione na rysunku 1.

Po opisaniu procedury, prezentowane są wyniki testów dla certyfikowanych urządzeń nagrywających i powiązanych próbek. Rekordowe wyniki były już wcześniej zgłaszane. W tym miejscu nacisk kładziony jest na rozkład wyników dla typowego przebiegu przetwarzania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Wybór i cięcie podłoża

  1. Kup polerowane wafle krzemowe z grubym tlenkiem termicznym. W przypadku opisywanych tutaj urządzeń należy używać wafli o grubości 500 μm z tlenkiem termicznym o długości fali 300 nm lub grubszym. Kryteria wyboru podłoża są omówione w sekcji Dyskusja.
  2. Odwiruj wypolerowaną stronę wafla typowym dodatnim fotorezystem (SPR 700 lub PMMA A. 495) i miękkim pieczeniem (30 sekund w temperaturze 100 °C).
    Uwaga: Jest to warstwa ochronna zapobiegająca uszkodzeniom lub zanieczyszczeniu podczas kolejnego etapu cięcia.
  3. Użyj piły matrycowej, aby pociąć wafel na kwadratowe podłoża 1" × 1" (25,4 x 25,4 mm2).

2. Czyszczenie podłoża

  1. Usunąć cząstki stałe i inne pozostałości powstałe w wyniku etapu cięcia za pomocą pistoletu do sprężonego azotu, a następnie kąpiel ultradźwiękową w wodzie dejonizowanej (DI) przez 5 minut w temperaturze 45 – 60 °C.
  2. Usunąć warstwę fotorezystu za pomocą kąpieli ultradźwiękowej w acetonie przez 5 minut w temperaturze 45 – 60 °C.
  3. Odsłonięte podłoże należy oczyścić 3 kolejnymi kąpielami ultradźwiękowymi, wszystkie przez 5 minut w temperaturze 45 – 60 °C: acetonem, etanolem i alkoholem izopropylowym. Na koniec wysusz za pomocą pistoletu do sprężonego azotu, podczas gdy podłoża pozostaną w nośniku kwarcowym.

3. Rozpryskiwanie Mo

  1. Załaduj czyste podłoża Si / SiO2 do systemu napylania wysokopróżniowego. Upewnij się, że płyta podłoża jest nieogrzewana i że obrót podłoża jest włączony. W przypadku opisywanych tutaj urządzeń proces w systemie komercyjnym z pochylonymi działami magnetronowymi z 2-calowymi tarczami i odległością rzutu około 4".
  2. Pierwszą warstwę (warstwę adhezyjną) należy nałożyć na stosunkowo wysokie ciśnienie tła, takie jak 10 mTorr Ar. W przypadku opisywanych tutaj urządzeń, proces ten odbywa się z mocą rozpylania 180 W (DC), co daje szybkość wzrostu 2,6 A/s, oraz pierwszą warstwę Mo o grubości 360 nm.
  3. Drugą warstwę (warstwę przewodzącą) należy osadzić przy stosunkowo niskim ciśnieniu tła, takim jak 2 mTorr Ar. Użyj takiej samej mocy rozpylania jak pierwsza warstwa (180 W) i nałóż tę samą grubość.
    Uwaga: Opisywane tutaj urządzenia miały drugą warstwę Mo o grubości 360 nm, taką samą jak pierwsza warstwa.
  4. Po osadzeniu Mo należy przechowywać podłoża w próżni do momentu etapu osadzania SnS.

4. Osadzanie SnS

Uwaga: Technika osadzania ALD jest opisana w podsekcji 4.1, a depozycja TE jest opisana w podsekcji 4.2. System osadzania ALD pokazano na rysunku 2, a system osadzania TE pokazano na rysunku 3.

  1. Depozyt SnS od ALD
    1. Przed załadowaniem do reaktora umieść substraty Mo w urządzeniu do czyszczenia ozonem UV na 5 minut, aby usunąć cząstki organiczne. Następnie umieść podłoża na uchwycie podłoża i włóż do strefy osadzania.
    2. Ustabilizować temperaturę pieca na poziomie 200 °C przed rozpoczęciem osadzania.
    3. Hoduj cienkie warstwy SnS z reakcji bis(N,N'-diizopropyloacetamidynamat)-cyny(II) [Sn(MeC(N-iPr)2)2, określanej tutaj jako Sn(amd)2] i siarkowodoru (H2S)4.
      1. Przechowywać prekursor Sn(amd)2 w stałej temperaturze 95 °C. Użyć czystego gazuN2 w celu wspomagania dostarczania pary Sn(amd)2 z pojemnika w piecu do strefy osadzania. Podczas każdego cyklu ALD należy podać trzy dawki prekursora Sn(amd)2 przy całkowitej ekspozycji 1,1 Torr sekundy.
      2. Jako źródło siarki należy użyć mieszaniny gazów 4%H2Sw N2. Upewnij się, że narażenie na opary siarkowodoru wynosi 1,5 Tora sekundy na dawkę. Upewnij się, że ciśnienie parcjalne H2S i całkowite ciśnienie H2S w N2 wynoszą odpowiednio 0,76 Torr i 19 Torr.
    4. Ustaw czas pompowania między dawką prekursora Sn a dawkąH2Sna zaledwie 1 sekundę (krótki w porównaniu z większością innych konwencjonalnych procedur ALD), aby przyspieszyć osadzanie.
      Uwaga: Ponieważ prekursor Sn nie jest całkowicie usuwany przez ten krótki czas pompowania, pewna ilość pozostałości prekursora Sn pozostaje po nadejściuH2S. W związku z tym proces ten można opisać jako pulsacyjny proces CVD. Szybkość wzrostu folii SnS wynosi 0,33 A/cykl lub 0,04 A/sek.
  2. Depozyt SnS przez TE
    1. Upewnij się, że ciśnienie w komorze procesowej wynosi 2 x 10-7 Torr lub mniej. Załaduj podłoża do komory przez blokadę załadunku. Przymocuj podłoża do płyty za pomocą pojedynczego klipsa lub niestandardowego uchwytu podłoża z kieszeniami o odpowiednim rozmiarze, który jest przykręcony do płyty podłoża.
    2. Zwiększ nagrzewnice źródła i podłoża do ich wartości zadanych. Dla podanego tutaj urządzenia temperatura podłoża wynosi 240 °C, a szybkość wzrostu wynosi 1 TΥ/s; Aby osiągnąć tę szybkość wzrostu, należy ustawić temperaturę źródła w zakresie 550 – 610 °C (wymagana temperatura źródła wzrasta z czasem dla pojedynczego ładunku proszku źródłowego). Docelowa grubość warstwy wynosi 1 000 nm.
    3. Zmierz szybkość stapiania za pomocą monitora kwarcowego (QCM) przed i po osadzaniu folii SnS, przesuwając ramię QCM do komory procesowej. W tym pomiarze substrat jest podnoszony, aby QCM mógł zostać przesunięty do pozycji wzrostu substratu.
      Uwaga: Szybkość stapiania pozostaje dość stała przez cały czas osadzania wynoszący 3 godziny (odchylenie ±0,05 A/s).
    4. Po osadzeniu przenieś próbki z powrotem do zamka ładunku przed odpowietrzeniem. Przed kolejnym etapem przetwarzania należy szybko przetransportować próbki drogą powietrzną do magazynu, w próżni lub w atmosferze obojętnej.
      Uwaga: Typowy czas niezamierzonej ekspozycji na powietrze wynosi około 3 minut. Typowy czas przechowywania wynosi od jednego dnia do tygodnia.

5. Wyżarzanie SnS

Uwaga: Ten krok jest wykonywany nieco inaczej dla ogniw słonecznych ALD i TE. Procedura wyżarzania ogniw słonecznych ALD jest opisana w podsekcji 5.1, a procedura dla ogniw słonecznych TE jest opisana w podsekcji 5.2. Cel wyżarzania jest omówiony w sekcji Dyskusja.

  1. Wyżarzanie folii SnS wyhodowanych przez ALD w gazieH2SS.
    Uwaga: Ten krok jest wykonywany w tym samym systemie, który jest używany do wzrostu ALD.
    1. Stosować czysty gazH2S(o czystości 99,5%) o natężeniu przepływu 40 sccm i ciśnieniu 10 Torr.
    2. Podgrzać folię SnS do temperatury 400 °C i trzymać przez 1 godzinę w środowisku gazowymH2S. Upewnij się, że gaz przepływa przez cały proces, w tym zwiększa i zmniejsza temperaturę.
  2. Wyżarzać folie SnS wyhodowane przez TE w gazieH2S. Wykonaj ten krok w dedykowanym piecu rurowym.
    1. Załaduj próbki na czystą płytę kwarcową i wsuń do obszaru gorącej strefy pieca.
    2. Po uszczelnieniu pieca należy trzykrotnie przepłukać go czystymN2 i pozostawić do przepompowania do ciśnienia podstawowego.
    3. Ustalić przepływ gazu przy 100 sccm 4% H2S przy 28 Torr.
    4. Zwiększyć temperaturę do 400 °C w ciągu 10 minut. Utrzymać temperaturę 400 °C przez 1 godzinę, a następnie pozostawić próbki do samodzielnego ostygnięcia w gorącej strefie. Utrzymać stały przepływ i ciśnienie gazuH2Sdo momentu, gdy próbki ostygną poniżej 60 °C. Usunąć próbki i natychmiast przejść do następnego etapu lub umieścić je w schowku rękawicowym z gazem obojętnym.

6. Pasywacja powierzchni SnS z natywnym tlenkiem

Uwaga: Ten krok jest wykonywany nieco inaczej dla ogniw słonecznych ALD i TE. W podsekcji 6.1 opisano procedurę pasywacji powierzchniowej dla ogniw słonecznych ALD, a procedurę dla ogniw słonecznych TE opisano w podsekcji 6.2. Funkcja tego kroku jest bardziej szczegółowo omówiona w sekcji Dyskusja.

  1. W przypadku próbek wyhodowanych przez ALD należy wyhodować cienką warstwę SnO2 przez ALD.
    Uwaga: Używamy innego reaktora niż ten, który jest używany do wzrostu SnS.
    1. Hodować SnO2 w reakcji cyklicznego amidu cyny [(1,3-bis(1,1-dimetyloetylo)-4,5-dimetylo-(4R,5R)-1,3,2-diazastannolidyno-2-ylideno)Sn(II)] i nadtlenku wodoru (H2O2). Przechowywać cykliczny prekursor cyny amidowej w suszarce w temperaturze 43 °C, aH2O2w bełkotce w temperaturze pokojowej.
    2. Utrzymać temperaturę podłoża na poziomie 120 °C do osadzania.
    3. Wystawić prekursor cyny iH2O2za pomocą odpowiednio 0,33 i 1,5 sekundy Torr na cykl, co daje w sumie 5 cykli. Sprawdzić, czy grubość otrzymanego SnO2 wynosi 0,6 0,7 nm, zgodnie z pomiarem za pomocą analizy rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS)10.
  2. W przypadku próbek wyhodowanych przez TE należy utworzyć cienką warstwę SnO2 poprzez ekspozycję na powietrze.
    1. Wystawić próbki na działanie laboratoryjnego powietrza otoczenia przez 24 godziny. Sprawdzić, czy grubość powstałego SnO2 wynosi około 0,5 nm, mierzona za pomocą analizy XPS.
      Uwaga: Typowy RT wynosi 24 ± 1 °C, a typowa wilgotność to 45% ± 13% (wyższa latem); Dla zgłoszonych tutaj urządzeń wartości wynosiły odpowiednio 24,6 °C i < 30%.

7. Osadzanie warstwy buforowej Zn(O,S) / ZnO

Uwaga: Ten krok jest wykonywany w tej samej komorze ALD, która jest używana do wzrostu SnS przez ALD.

  1. Wyhoduj warstwę Zn(O,S):N za pomocą ALD.
    1. Utrzymać temperaturę podłoża na poziomie 120 °C.
    2. Wzrost Zn(O,S):N przez ALD z reakcji dietylocynku (Zn(C2H5)2, DEZ), wody dejonizowanej (H2O), 4% H2S w N2 i amoniaku (NH3)11. Przechowywać bełkotkę zawierającą DEZ w temperaturze pokojowej. Użyć sekwencji cykli [DEZ-H2O-DEZ-NH3]14-[DEZ-H2S]1 i powtórzyć ten super cykl 12 razy. Upewnij się, że narażenie na amoniak wynosi 11 Torr sekundy.
    3. Sprawdź, czy stosunek S/Zn w otrzymanym filmie wynosi 0,14, jak zmierzono za pomocą spektroskopii rozpraszania wstecznegoRutherforda 12, i czy grubość filmu wynosi około 36 nm.
  2. Wyhoduj warstwę ZnO za pomocą ALD.
    1. Utrzymać temperaturę podłoża na poziomie 120 °C.
    2. Uprawa ZnO w 50 cyklach ALD DEZ-H2O.
      Uwaga: Grubość powstałej warstwy ZnO wynosi około 18 nm.

8. Osadzanie przezroczystego tlenku przewodzącego (TCO), tlenku indu i cyny (ITO)

  1. Wytnij maski cieni ITO z arkusza aluminium 6061 o grubości 0,024 cala (610 μm) za pomocą laboratoryjnej wycinarki laserowej.
    Uwaga: Maski definiują 11 prostokątnych urządzeń o rozmiarze 0,25cm2 oraz większą podkładkę w jednym rogu, która służy do pomiarów odbicia optycznego, patrz rysunek 4.
  2. Zamontuj urządzenia i maski w wyrównywaczu masek.
    Uwaga: Jest to aluminiowa płyta z zagnieżdżonymi kieszeniami na podłoże oraz maski i klipsy do mocowania masek na miejscu.
  3. Depozyt ITO przez reaktywne rozpylanie magnetronowe.
    1. Podgrzać podłoże do temperatury około 80 – 90 °C i umożliwić rotację substratu.
    2. Użyj tarczy ITO o średnicy 2 cali (In2O3/SnO2 90/10 wt., czystość 99.99%) przy mocy rozpylania RF 65 W przy przepływie gazu 40 / 0.1 sccm Ar / O2 przy całkowitym ciśnieniu 4 mTorr.
    3. Wyhoduj folię ITO o grubości 240 nm.
      Uwaga: Przy tych parametrach osiąga się tempo wzrostu 0,5 A/s i rezystancję blachy w zakresie 40 – 60 Ω/sq.

9. Metalizacja

  1. Wytnij maski cieni metalizacyjnych z austenitycznej blachy ze stali nierdzewnej o grubości 127 μm.
    Uwaga: Te maski są cięte z tolerancją +10/-5 μm przez firmę handlową. Metalowy wzór składa się z 2 palców oddalonych od siebie o 1,5 mm, każdy o długości 7 mm, oraz podkładki kontaktowej 1 x 1 mm2, patrz rysunek 4.
  2. Zamontuj urządzenia i maski w wyrównywaczu maski, jak w kroku 8.2.
  3. Osadzanie Ag (dla urządzeń TE) lub Ni/Al (dla urządzeń ALD) przez odparowanie wiązką elektronów.
    1. Zamontuj wyrównywacz maski na płycie podłoża systemu odparowywania metali wiązką elektronów. Pompować do ciśnienia podstawowego poniżej 1 x 10-6 Torr.
    2. Odparowywanie metalu z szybkością 2 Μ/sek. Osadzanie o całkowitej grubości metalu 500 nm.

10. Charakterystyka urządzenia

  1. Wykonuj pomiary prądu i napięcia ("J-V") na wszystkich urządzeniach w ciemności i w symulowanym świetle słonecznym AM1.5.
    1. Skalibruj symulator słoneczny, zbierając dane J-V ze skalibrowanego krzemowego ogniwa słonecznego i dostosowując moc i wysokość lampy symulatora słonecznego, aż do osiągnięcia skalibrowanej wartości prądu dla nasłonecznienia AM1.5.
    2. Skontaktuj się z urządzeniami w trybie czteroprzewodowym za pomocą miedzianych końcówek podwójnej sondy berylowej, aby zetknąć się zarówno z górną (anoda, Ag lub Al), jak i dolną (katoda, Mo). Skontaktuj się z dolną warstwą, zdrapując warstwy bufora i SnS ostrzem skalpela.
    3. Mierz jasne i ciemne dane J-V za pomocą miernika źródła, pobierając napięcie i mierząc prąd.
      Uwaga: Urządzenia są zwykle mierzone w zakresie ±0.5 V. Urządzenia nie reagują na kierunek ani szybkość przemiatania napięcia. Do rutynowych testów nie jest używana apertura światła definiująca obszar, więcej informacji można znaleźć w sekcji Dyskusja.
  2. Wykonuj zewnętrzne pomiary wydajności kwantowej (EQE) na wszystkich urządzeniach, ze zmiennym odchyleniem światła i napięcia.
    1. Skalibruj system EQE, mierząc odpowiedź fotodiody kalibracyjnej Si.
      Uwaga: Oprogramowanie porównuje te dane z pomiarami wykonanymi za pomocą standardu opartego na NIST, aby odpowiednio dostosować poziom światła.
    2. Skontaktuj się z urządzeniami metodą czteroprzewodową, jak w kroku 10.1.2.
    3. Zmierz EQE za pomocą komercyjnego systemu, który oświetla próbkę monochromatycznym światłem rozdrobnionym na 100 Hz w zakresie długości fal 270, 1,100 nm i mierzy wynikowy prąd. Wykonaj ten pomiar zgodnie ze standardową procedurą operacyjną producenta.
    4. Powtórz pomiar EQE ze zmiennym napięciem i polaryzacją światła białego. Użyj miernika źródła, aby zapewnić polaryzację napięcia i lampę halogenową, aby zapewnić polaryzację światła. Mierz urządzenia zarówno w kierunku przewodzenia, jak i wstecznego napięcia oraz przy zmiennym natężeniu światła białego do ~1 Słońca.
    5. Zmierzyć współczynnik odbicia optycznego (%R) górnej powierzchni ITO za pomocą spektrofotometru z kulą całkującą w celu przekształcenia zewnętrznej na wewnętrzną wydajność kwantową (IQE). Wykonaj ten pomiar zgodnie ze standardową procedurą operacyjną producenta.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Na rycinach 6-8 przedstawiono wyniki dla dwóch reprezentatywnych próbek „bazowych” wyhodowanych metodą TE, zgodnie z powyższym opisem. Dane J-V dla tych dwóch próbek przy oświetleniu naniesiono na rycinę 6. Pierwsza próbka („SnS140203F”) pozwoliła na uzyskanie urządzenia o certyfikowanej sprawności 3,88%, o czym raportowano wcześniej.9 Przedstawiono również reprezentatywne rozkłady J-V dla każdej próbki. Dla danego napięcia polaryzacji rozkłady te ob...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Czyszczenie wybranego podłoża

W jako podłoża wykorzystuje się utlenione wafle Si. Podłoża stanowią wsparcie mechaniczne dla powstałych ogniw słonecznych, a ich właściwości elektryczne nie są istotne. Wafle Si są preferowane względem szkła, ponieważ komercyjnie dostępne wafle Si są zazwyczaj czystsze niż komercyjnie dostępne wafle szklane, co skraca czas czyszczenia podłoży. Podłoża Si charakteryzują się również wyższą przewodnością cieplną niż szkło, co prowadzi do bardziej ró...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Paulowi Ciszkowi i Keithowi Emery'emu z National Renewable Energy Laboratory (NREL) za certyfikowane pomiary J-V, Rileyowi Brandtowi (MIT) za pomiary spektroskopii fotoelektronów oraz Jeffowi Cotterowi (ASU) za inspirację do sekcji testowania hipotez. Prace te są wspierane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych w ramach inicjatywy SunShot w ramach umowy DE-EE0005329 oraz przez Robert Bosch LLC za pośrednictwem Bosch Energy Research Network w ramach grantu 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo i K. Hartman dziękują za wsparcie fundacji Alexandra von Humboldta, odpowiednio nagrody DOE EERE Postdoctoral Research Award i Intel PhD Fellowship. W pracy wykorzystano Centrum Systemów Nanoskalowych na Uniwersytecie Harvarda, które jest wspierane przez National Science Foundation w ramach nagrody ECS-0335765.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Kwarcowy nośnik wafliAM Quartz, Gainesville, TXna zamówienie
System napylaniaPVD ProductsSystem napylania wysokopróżniowego z blokadą obciążenia
4% H2S w N2Airgas Inc.
99,5% H2SMatheson TrigasG1540250
SnS w proszkuSigma Aldrich741000-5G
Komórka efuzyjnaVeeco35-LTNiskotemperaturowa, jednowłóknowa komórka efuzyjna
dietylocynk (Zn(C2H5)2)Strem Chemicals93-3030
Wycinarka laserowaElectroxScorpian G2Używana do masek cieni ITO
Cel rozpylania ITO (In2O3/SnO2 90/10 wt.%, czystość 99,99%)Kurt J. LeskerEJTITOX402A4
Maski cieni do metalizacji IndywidualnyprojektMicroConnex
Parownik wiązkielektronów DentonParownik metali o wysokiej próżni z blokadą obciążenia
Symulator słoneczny AM1.5Newport Oriel91194Lampa Xe 1,300 W z filtrem AM1.5G
SpektrofotometrPerkin ElmerLambda 950 UV-Vis-NIR150 mm Kula integrująca pokryta spektralonem
Skalibrowane ogniwo słoneczne SiPomiaryBK-7
szyba okienna Podwójne końcówki sondySonda Accuprobe
Souce-meterKeithley2400
System pomiaru wydajności kwantowejPomiary fotowoltaikiQEX7
Skalibrowana fotodioda SiPomiary
Wysokoprzepustowa stacja testowa ogniw słonecznychPomiary fotowoltaiczne Indywidualnyprojekt
Obojętny olej do pompyDuPontKrytoxOlej PFPE, klasa 1514; dostawca: Eastern Scientific
O-ringi elastomerowe odporne na H2S Odporny na o-ringi elastomeroweDuPontKalrez7075; Sprzedawca: Marco Rubber
O-ringi elastomerowe odporne na H2SRubberMarkezcompound Z1028
H2S odporne na o-ringi elastomeroweSeals Eastern, Inc.Sprzedawca Aflas: Marco Rubber
projekt X02NI96C33A5626 PV K1C8C1Ffotowoltaiczne Marco

Bibliografia

  1. Woodhouse, M., Goodrich, A., et al. Perspectives on the pathways for cadmium telluride photovoltaic module manufacturers to address expected increases in the price for tellurium. Solar Energy Materials and Solar Cells. 115, 199-212 (2013).
  2. Bloomberg New Energy Finance University 2013 - renewable energy, CCS, EST. , Available from: http://about.bnef.com/presentations/bnef-university-renewable-energy-ccs-est/ (2013).
  3. Ramakrishna Reddy, K. T., Koteswara Reddy, N., Miles, R. W. Photovoltaic properties of SnS based solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3041-3046 (2006).
  4. Sinsermsuksakul, P., Heo, J., Noh, W., Hock, A. S., Gordon, R. G. Atomic Layer Deposition of Tin Monosulfide Thin Films. Advanced Energy Materials. 1 (6), 1116-1125 (2011).
  5. Noguchi, H., Setiyadi, A., Tanamura, H., Nagatomo, T., Omoto, O. Characterization of vacuum-evaporated tin sulfide film for solar cell materials. Solar Energy Materials and Solar Cells. 35, 325-331 (1994).
  6. Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).
  7. Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501(2003).
  8. Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).
  9. Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).
  10. Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496(2014).
  11. Hejin Park, H., Heasley, R., Gordon, R. G. Atomic layer deposition of Zn(O,S) thin films with tunable electrical properties by oxygen annealing. Applied Physics Letters. 102 (13), 132110(2013).
  12. Palmetshofer, L. Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Surface and Thin Film Analysis. , Available from: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527636921.ch11/summary 191-202 (2011).
  13. Scofield, J. H., Duda, A., Albin, D., Ballard, B. L., Predecki, P. K. Sputtered molybdenum bilayer back contact for copper indium diselenide-based polycrystalline thin-film solar cells. Thin Solid Films. 260 (1), 26-31 (1995).
  14. Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
  15. Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Ogniwa s oneczne na bazie siarczku cynyrozpylanie molibdenubufor z tlenku siarczku cynkuosadzanie tlenku indu i cynypomiar pr dowo napi ciowyzewn trzna wydajno kwantowaprzygotowanie pod o awykonanie urz dzenia

Powiązane artykuły