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

Ogólnym celem tej procedury jest stworzenie niezawodnej platformy do opracowywania ogniw słonecznych opartych na nowych materiałach. Osiąga się to poprzez przygotowanie najpierw czystego podłoża izolującego elektrycznie. Drugim krokiem jest nałożenie dwóch warstw napylonego molibdenu na tylny otwór, selektywny kontakt elektryczny.

Następnie umieść absorber siarczku cyny typu P przez osadzanie warstwy atomowej lub odparowanie termiczne. Ostatnim krokiem jest zakończenie złącza PN poprzez zdeponowanie stosu warstw typu N składających się ze złożonej warstwy buforowej tlenowo-siarczkowej, a następnie przezroczystego przewodzącego tlenku i metalowych palców osadzonych w celu wspomagania zbierania ładunku. Ostatecznie powstałe ogniwa słoneczne są testowane poprzez pomiar krzywych napięcia prądu w symulowanym świetle słonecznym i wydajności kwantowej w oświetleniu monochromatycznym.

Chociaż metoda ta została zademonstrowana do opracowywania ogniw słonecznych z siarczku cyny, można ją również wykorzystać do opracowania nieorganicznych ogniw słonecznych typu cienkowarstwowego podłoża opartych na innych nowych materiałach. Osadzanie siarczku cyny przez osadzanie warstwy atomowej zostanie zademonstrowane przez Schwan Yanga, doktoranta w Gordon Group na Harvardzie, daleko od Steinmana. Stażysta podoktorski w laboratorium badawczym fotowoltaiki na MIT zademonstruje osadzanie 10 siarczków przez odparowanie termiczne.

Ten film rozpoczyna się po przygotowaniu podłoży wafli krzemowych. Użyj polerowanych wafli krzemowych o grubości 500 mikronów o grubości jednego cala kwadratowego z tlenkiem termicznym o grubości 300 nanometrów lub grubszym. Najpierw napyl warstwę adhezyjną molibdenu o grubości 360 nanometrów, a następnie nałóż drugą warstwę przewodzącą mamu o grubości 360 nanometrów.

Przygotowane substraty należy przechowywać w komorze rękawicowej z azotem do czasu osadzania siarczku cyny w celu przygotowania substratów do osadzania warstwy atomowej. Najpierw przenieś je do środka czyszczącego UV z ozonem, aby usunąć cząsteczki organiczne. Czyść podłoża przez pięć minut.

Podczas czyszczenia upewnij się, że w pobliżu znajduje się uchwyt podłoża do komory osadzania. Gdy będą gotowe, odzyskaj substraty i umieść je w uchwycie na próbki. Ten uchwyt na próbkę jest załadowany substratami i jest gotowy do umieszczenia w komorze osadzania.

Włóż uchwyt do pieca, a następnie przepompuj w dół piec za pomocą pompy próżniowej do obróbki zgrubnej. Następnie ustabilizuj temperaturę pieca na poziomie 200 stopni Celsjusza. Kontynuuj, sprawdzając prekursory.

Utrzymuj cynę zjedzoną jednym prekursorem do osadzania siarczku cyny w piecu w temperaturze 95 stopni Celsjusza. Ułóż rurociągi gazowe tak, aby miały czysty azot, aby wspomóc dostarczanie oparów cyny. Drugim prekursorem jest siarkowodór w mieszaninie gazowej 4%Siarkowodór w gazowym azocie postępuje z szybkością wzrostu 0,33 angstrema na cykl.

Podczas każdego cyklu osadzania warstwy atomowej należy dostarczyć trzy dawki po 10 kalorii, co daje łączną ekspozycję 1,1 tor sekundy. Następnie przeoczyść komorę gazowym azotem. Następnie wstrzyknąć siarkowodór do gazowego azotu na ekspozycję 1,5 tora sekundy.

Na koniec ponownie przepłucz azotem. Alternatywną metodą osadzania jest odparowanie termiczne. Upewnij się, że ciśnienie w komorze procesowej jest dwa razy 10 do minus siedmiu torów lub mniej.

Użyj uchwytu na próbki z kieszeniami o odpowiedniej wielkości, aby bezpiecznie przytrzymać podłoże. Tak jak poprzednio, użyj wcześniej przygotowanego podłoża z dwiema warstwami molibdenu. Tutaj przedstawione schematycznie.

Załaduj uchwyt tym substratem i małymi dodatkowymi substratami CYS w celu późniejszej charakterystyki. Załadować uchwyt próbki do parownika termicznego przez blokadę obciążenia. Przepompuj blokadę obciążenia, a następnie przenieś substraty do komory wzrostu.

Używając ramienia przenoszącego, gdy są na swoim miejscu, zwiększ nagrzewnice źródła i podłoża, aby osiągnąć szybkość wzrostu jednego angstrema na sekundę i temperaturę podłoża 240 stopni Celsjusza. Teraz podnieś podłoża, aby zmierzyć szybkość osadzania za pomocą monitora kwarcowego. Włącz liniowe ramię translacyjne, aby przesunąć monitor kwarcowy do komory procesowej.

Po umieszczeniu na miejscu otwórz migawkę źródła, aby rozpocząć pomiar. Szybkość wzrostu jest wskazywana na przednim panelu kontrolera Crystal Monitor. Po zakończeniu pomiaru zamknij migawkę i wyjmij monitor kwarcowy z komory.

Następnie opuść podłoża do pozycji wzrostu i otwórz przesłonę źródła, aby rozpocząć osadzanie. W przypadku docelowej grubości warstwy 1000 nanometrów osadzanie zajmie około trzech godzin. Po zakończeniu osadzania zamknij migawkę źródła.

Powtórz pomiar szybkości wzrostu za pomocą monitora kwarcowego. Po pomiarze zamknij przesłonę źródła, wyłącz grzałki i poczekaj, aż podłoża ostygną przed przeniesieniem ich do zamka obciążenia. Odpowietrzyć śluzę, aby przewietrzyć i rozładować podłoża.

Szybko wyjmij je z uchwytu na próbkę i przetransportuj do przechowywania w schowku na rękawiczki z azotem. Po warstwie atomowej lub procesie osadzania termicznego przez odparowanie, próbka będzie miała warstwę siarczku cyny. Wszystkie próbki są następnie poddawane klęczeniu w gazowym siarkowodorze, a następnie uspokajaniu powierzchni za pomocą rodzimego tlenku.

Kolejnym krokiem jest osadzanie warstw tlenowo-siarczkowych typu N i tlenku poprzez osadzanie warstwy atomowej. Kolejnym krokiem jest osadzenie przezroczystego przewodnika. Używamy tlenku indu cyny przed osadzaniem tlenku indowo-cyny.

Należy ustalić obszary aktywne urządzeń. Użyj metalowych masek cieni, aby zdefiniować rozmiar przezroczystej przewodzącej podkładki tlenkowej, który ustawia aktywny obszar urządzenia. Maski definiują 11 prostokątnych urządzeń o rozmiarze 0,25 centymetra kwadratowego oraz większą podkładkę w jednym rogu, która służy do pomiarów odbicia optycznego na rysunku.

Wskazanie wielkości warstwy tlenku indu i cyny, która ma zostać dodana dla jednego urządzenia, jest podane przez zacieniony obszar, zamontuj urządzenia i maski w nakładce maski. Maski powinny być wystarczająco grube, aby nie zginały się w nakładkach maski. W przeciwnym razie obszar podkładki tlenkowej może stać się słabo zdefiniowany.

Zabierz wyrównywacz maski z zamontowanymi urządzeniami do komory napylania. Umieść wyrównywacz maski na miejscu na etapie osadzania. Następnym krokiem jest wyhodowanie warstwy tlenku indu i cyny o grubości 240 nanometrów.

Aby to zrobić, podgrzej podłoże do 80 do 90 stopni Celsjusza i włącz obrót podłoża. Ustaw rozpylanie o częstotliwości radiowej, moc, natężenie przepływu argonu i tlenu oraz ciśnienie, a następnie schematycznie monitoruj osadzanie. Jest to stan urządzenia po osadzeniu tlenku indu i cyny.

Następnym krokiem jest metalizacja. Użyj maski cienia i odparowania wiązką elektronów, aby zdeponować 500 nanometrów przewodzącego metalu, srebra lub stosu niklowo-aluminiowego. To jest ukończona próbka.

Zauważ, że pokazana tutaj próbka została już porysowana, aby odsłonić tylny kontakt molibdenu po wyprodukowaniu. Przejdź do charakterystyki urządzenia za pomocą symulatora słonecznego skalibrowanego dla współczynnika masy powietrza 1,5. Najpierw użyj ostrza skalpela, aby zdrapać warstwy bufora i siarczku cyny oraz odsłonić tylny kontakt molibdenu.

Następnie umieść próbkę na uchwycie na próbkę zamontowanym na szynie, próżnia utrzymuje próbkę na miejscu, a temperatura uchwytu jest kontrolowana na poziomie 25 stopni Celsjusza. Teraz nawiąż kontakt elektryczny z każdym z urządzeń na próbce i porysowanym stykiem tylnym. Odbywa się to tutaj za pomocą niestandardowej karty sondy, która styka się ze wszystkimi urządzeniami jednocześnie za pomocą miedzianego berylu.

Podwójne końcówki sondy w trybie czteroprzewodowym do rutynowych pomiarów. Pomiń użycie jasnej przysłony do bardziej rygorystycznych testów, a przysłona powinna być używana do zdefiniowania obszaru aktywnego. W tym celu można użyć przezroczystej przewodzącej maski cienia tlenkowego.

Przesuń uchwyt tak, aby urządzenia były w pozycji do zbierania danych o napięciu prądu jasnego i ciemnego za pomocą zautomatyzowanego systemu testowego. Zaprogramuj system do sekwencyjnego sondowania poszczególnych urządzeń podczas otwierania i zamykania żaluzji świetlnej. Testy można zobaczyć na tym filmie, ale zwykle powinny być przeprowadzane za czarną kurtyną, aby zmniejszyć ilość światła otoczenia.

Po pomiarach napięcia prądu wsuń uchwyt próbki do zewnętrznego systemu wydajności kwantowej, oświetlone dane dotyczące napięcia prądu, zewnętrzne dane dotyczące wydajności kwantowej i pomiary odbicia optycznego zapewniają podstawową charakterystykę urządzeń. Poniżej znajdują się dane dotyczące wydajności ogniw słonecznych dla urządzeń na dwóch próbkach wykonanych przy użyciu parowania termicznego. Próbki są rozróżniane w kolorze szarym dla jednego, czerwonym dla drugiego dla każdego urządzenia.

Podano napięcie obwodu otwartego, gęstość prądu zwarciowego, współczynnik wypełnienia i sprawność konwersji mocy. Najlepsze urządzenia mają około 4% sprawności. Pozorna korelacja między wydajnością a współczynnikiem wypełnienia w obu urządzeniach jest zgodna z urządzeniami, które cierpią z powodu strat rezystancji bocznikowej lub szeregowej.

Dane zaznaczone na czerwono pokazują również korelację między sprawnością a napięciem obwodu otwartego, zgodnie z oczekiwaniami dotyczącymi rezystancji bocznikowej. Straty dla porównania. Oto dane dotyczące wydajności ogniw słonecznych dla urządzeń wykonanych przy użyciu osadzania warstw atomowych.

Urządzenia te mają lepszą wydajność niż urządzenia do odparowywania termicznego, przy czym najlepsze wykazują sprawność 4,6%. Na tę różnicę mogą odpowiadać różne czynniki. Jednym z czynników jest to, że urządzenia produkowane z osadzaniem warstw atomowych wydają się cierpieć z powodu mniejszej rezystancji bocznikowej. Straty.

Nie zapominaj, że praca z siarczanem wodoru może być bardzo niebezpieczna. Upewnij się, że zbiornik siarczanu wodoru jest przechowywany w urządzeniu wentylacyjnym, takim jak okap foliowy z detektorami siarkowodoru. Myślimy o tym podstawowym protokole produkcyjnym jako o platformie do przeprowadzania kontrolowanych i ukierunkowanych eksperymentów mających na celu poprawę ogólnej wydajności ogniw słonecznych i lepsze zrozumienie poszczególnych mechanizmów strat.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak zrobić powtarzalne ogniwo słoneczne w stylu podłoża.