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

Ogólnym celem niniejszej procedury jest stworzenie niezawodnej platformy do opracowywania ogniw słonecznych opartych na nowych materiałach. Jest to osiągane poprzez wstępne przygotowanie czystego, elektrycznie izolującego podłoża. Drugim krokiem jest naniesienie dwóch warstw molibdenu metodą rozpylania dla tylnego, selektywnego kontaktu elektrycznego dla dziur.

Następnie nanosi się absorber z siarczku cyny typu P, wykorzystując osadzanie warstw atomowych lub odparowywanie termiczne. Ostatnim krokiem jest ukończenie złącza PN poprzez nałożenie stosu warstw typu N, składającego się z buforowej warstwy tlenkosiarczku cynku, a następnie przezroczystego tlenku przewodzącego oraz naniesionych metalowych elektrod pomocnych w zbieraniu ładunków. Ostatecznie otrzymane ogniwa słoneczne są testowane poprzez pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych w symulowanym świetle słonecznym oraz wydajności kwantowej pod wpływem oświetlenia monochromatycznego.

Chociaż metoda ta została zaprezentowana na przykładzie opracowania ogniw słonecznych na bazie siarczku cyny, może ona zostać wykorzystana również do tworzenia nieorganicznych ogniw słonecznych z cienką warstwą na podłożu opartych na innych nowych materiałach. Osadzanie siarczku cyny metodą osadzania warstw atomowych zostanie zademonstrowane przez Schwan Yang, doktoranta w grupie Gordona na Harvardzie. Steinman, postdoc w laboratorium badawczym nad fotowoltaiką w MIT, zaprezentuje osadzanie siarczku cyny metodą odparowania termicznego.

Niniejszy film rozpoczyna się po przygotowaniu podłoży z wafli krzemowych. Należy użyć polerowanych wafli krzemowych o grubości 500 µm i powierzchni jednego cala kwadratowego, z warstwą tlenku termicznego o grubości 300 nm lub większej. W pierwszej kolejności należy nałożyć metodą rozpylania 360 nm warstwę adhezyjną molibdenu, a następnie nanieść drugą, 360 nm warstwę przewodzącą z maum.

Przechowuj przygotowane podłoża w komorze rękawicowej wypełnionej azotem do momentu osadzania siarczku cyny, aby przygotować podłoża do osadzania warstw atomowych. Najpierw przenieś je do urządzenia do czyszczenia ozonem UV w celu usunięcia cząstek organicznych. Czyść podłoża przez pięć minut.

Podczas czyszczenia należy upewnić się, że uchwyt podłoża do komory osadzania znajduje się w pobliżu. Po zakończeniu procesu należy wyjąć podłoża i umieścić je w uchwycie na próbki. Tak przygotowany uchwyt z podłożami jest gotowy do umieszczenia w komorze osadzania.

Włóż uchwyt do pieca, a następnie wypompuj powietrze z pieca za pomocą pompy wstępnej. Następnie ustabilizuj temperaturę pieca na poziomie 200 °C. Kontynuuj, sprawdzając prekursory.

Utrzymuj prekursor cyny w piecu w temperaturze 95°C w celu osadzania siarczku cyny. Skonfiguruj instalację gazową tak, aby czysty azot wspomagał doprowadzanie par prekursora cyny. Drugim prekursorem jest siarkowodór w mieszaninie gazowej zawierającej 4% siarkowodoru w azocie; przeprowadź osadzanie z szybkością wzrostu 0,33 Å na cykl.

Podczas każdego cyklu osadzania warstw atomowych podaj trzy dawki 10 ate, aby uzyskać całkowitą ekspozycję wynoszącą 1,1 tor sekundy. Następnie przedmuchaj komorę azotem. W kolejnym kroku wprowadź siarkowodór w gazie azotowym z ekspozycją wynoszącą 1,5 tor sekundy.

Na koniec ponownie przedmuchać azotem. Alternatywną metodą osadzania jest odparowanie termiczne. Należy upewnić się, że ciśnienie w komorze procesowej wynosi 2 × 10⁻⁷ tor lub mniej.

Należy użyć uchwytu do próbek z kieszeniami o odpowiednim rozmiarze, aby stabilnie utrzymać podłoże. Podobnie jak poprzednio, należy zastosować wcześniej przygotowane podłoże z dwiema warstwami molibdenu. Przedstawiono to schematycznie na rysunku.

Umieść w uchwycie ten podłoże oraz dodatkowe małe podłoża CYS do późniejszej charakterystyki. Wprowadź uchwyt z próbkami do parownika termicznego poprzez śluzę załadowczą. Odessaj powietrze ze śluzy, a następnie przenieś podłoża do komory wzrostu.

Korzystając z ramienia transferowego, gdy znajduje się ono w odpowiedniej pozycji, zwiększ moc grzałek źródła i podłoża, aby osiągnąć szybkość wzrostu na poziomie 1 Å/s oraz temperaturę podłoża wynoszącą 240 °C. Następnie podnieś podłoża, aby zmierzyć szybkość osadzania za pomocą kwarcowego monitora kryształowego. Uruchom ramię translacyjne, aby wprowadzić kwarcowy monitor kryształowy do komory procesowej.

Po umieszczeniu go na miejscu, otwórz migawkę źródła, aby rozpocząć pomiar. Szybkość wzrostu jest wyświetlana na przednim panelu kontrolera monitora kwarcowego. Po zakończeniu pomiaru zamknij migawkę i wyjmij monitor kwarcowy z komory.

Następnie obniżyć podłoża do pozycji wzrostu i otworzyć migawkę źródła, aby rozpocząć nanoszenie. Dla docelowej grubości warstwy wynoszącej 1000 nanometrów proces nanoszenia potrwa około trzech godzin. Po zakończeniu nanoszenia zamknąć migawkę źródła.

Powtórz pomiar szybkości wzrostu przy użyciu monitora kwarcowego. Po zakończeniu pomiaru zamknij przesłonę źródła, wyłącz grzałki i poczekaj do ochłodzenia podłoży przed ich przeniesieniem do śluzy załadowczej. Odpowietrz śluzę i wyjmij podłoża.

Szybko zdejmij je z uchwytu na próbki i przenieś do przechowywania w rękawicy laboratoryjnej wypełnionej azotem. Po procesie osadzania metodą warstw atomowych lub parowania termicznego próbka będzie posiadać warstwę siarczku cyny. Wszystkie próbki są następnie poddawane wygrzewaniu w gazie wodorosiarczku wodoru, a następnie pasywacji powierzchni tlenkiem natywnym.

Kolejnym krokiem jest osadzanie warstw buforowych z tlenku cynku oraz oksysiarczku cynku typu N metodą osadzania warstw atomowych. Następnym etapem jest osadzanie przezroczystego przewodnika. Przed osadzeniem tlenku indu i cynku stosujemy tlenek indu i cynku.

Należy wyznaczyć obszary czynne urządzeń. Użyj metalowych masek cieniujących, aby zdefiniować rozmiar elektrod z przezroczystego tlenku przewodzącego, co określi aktywną powierzchnię urządzenia. Maski wyznaczają 11 prostokątnych urządzeń o powierzchni 0,25 cm², oraz większą elektrodę w jednym z narożników, która służy do pomiarów odbiciowości optycznej na rysunku.

Zacieniony obszar wskazuje wielkość warstwy tlenku indu i cyny, którą należy nanieść na jedno urządzenie; zamontuj urządzenia i maski w wyrównywaczu masek. Maski powinny być wystarczająco grube, aby nie wyginały się w wyrównywaczu masek. W przeciwnym razie obszar kontaktu tlenkowego może zostać niedokładnie zdefiniowany.

Przenieś mask aligner z zamontowanymi urządzeniami do komory rozpylania. Umieść mask aligner w pozycji odpowiedniej do etapu osadzania. Kolejnym krokiem jest wytworzenie warstwy tlenku indu i cyny o grubości 240 nanometrów.

Aby to osiągnąć, należy podgrzać podłoże do 80-90 °C i włączyć obrót podłoża. Następnie należy ustawić częstotliwość radiową rozpylania, moc, przepływ argonu i tlenu oraz ciśnienie, a następnie schematycznie monitorować proces osadzania. Tak prezentuje się urządzenie po osadzeniu tlenku indu i cyny.

Kolejnym krokiem jest metalizacja. Należy użyć maski cieniującej oraz naparowania wiązką elektronów, aby nanieść 500 nanometrów przewodzącego metalu: srebra lub warstwy niklu i aluminium. To jest gotowa próbka.

Należy zauważyć, że próbka pokazana tutaj została już zarysowana w celu odsłonięcia tylnego kontaktu molibdenowego po zakończeniu procesu wytwarzania. Przejdź do charakterystyki urządzenia, używając symulatora słonecznego skalibrowanego dla współczynnika masy powietrza 1,5. Najpierw, za pomocą ostrza skalpela, zeskrob warstwy buforowe oraz siarczku cyny, aby odsłonić tylny kontakt molibdenowy.

Następnie umieść próbkę w uchwycie montowanym na szynie; próżnia utrzymuje próbkę w stałej pozycji, a temperatura uchwytu jest kontrolowana i utrzymywana na poziomie 25 °C. Teraz nawiąż kontakt elektryczny z każdym z urządzeń na próbce oraz z wydrapanym kontaktem tylnym. W tym przypadku wykorzystano specjalnie zaprojektowaną kartę sond, która jednocześnie styka się ze wszystkimi urządzeniami za pomocą miedzi berylowej.

Podwójne końcówki sond w trybie czteroprzewodowym do rutynowych pomiarów. Pomiń użycie przysłony świetlnej w przypadku bardziej rygorystycznych testów; przysłona powinna służyć do zdefiniowania obszaru aktywnego. W tym celu można zastosować maskę cieniową z przezroczystego tlenku przewodzącego.

Przesuń uchwyt tak, aby urządzenia znajdowały się w pozycji umożliwiającej pomiar napięcia prądu ciemnego i jasnego przy użyciu zautomatyzowanego systemu testowego. Zaprogramuj system tak, aby sekwencyjnie badać poszczególne urządzenia, otwierając i zamykając migawkę świetlną. Przebieg testu pokazano w tym filmie, jednak zazwyczaj należy go przeprowadzać za czarną zasłoną w celu ograniczenia światła otoczenia.

Po pomiarach charakterystyki prądowo-napięciowej należy przesunąć uchwyt z próbką do systemu pomiaru zewnętrznej wydajności kwantowej; dane prądowo-napięciowe przy oświetleniu, dane dotyczące zewnętrznej wydajności kwantowej oraz pomiary odbicia optycznego zapewniają podstawową charakterystykę urządzeń. Poniżej przedstawiono dane dotyczące wydajności ogniw słonecznych dla urządzeń na dwóch próbkach wykonanych metodą naparowania termicznego. Próbki są rozróżnione kolorami: szarym dla jednej i czerwonym dla drugiej w przypadku każdego urządzenia.

Podano napięcie obwodu otwartego, gęstość prądu zwarcia, współczynnik wypełnienia oraz sprawność konwersji energii. Najlepsze urządzenia wykazują sprawność na poziomie około 4%. Pozorna korelacja między sprawnością a współczynnikiem wypełnienia w obu urządzeniach jest zgodna z charakterystyką urządzeń obciążonych stratami wynikającymi z rezystancji bocznikowej lub szeregowej.

Dane zaznaczone na czerwono wykazują również korelację między sprawnością a napięciem obwodu otwartego, co jest typowe dla rezystancji bocznikowej. Straty do porównania. Poniżej znajdują się dane dotyczące wydajności ogniw słonecznych dla urządzeń wykonanych przy użyciu osadzania warstw atomowych.

Urządzenia te wykazują lepszą wydajność niż urządzenia wykonane metodą odparowania termicznego, z czego najlepszy wynik to sprawność na poziomie 4,6%. Różnica ta może wynikać z różnych czynników. Jednym z nich jest fakt, że urządzenia wytwarzane metodą osadzania warstw atomowych wydają się być mniej podatne na straty wynikające z rezystancji bocznikowej.

Należy pamiętać, że praca z wodorosiarczanem może być bardzo niebezpieczna. Upewnij się, że zbiornik z wodorosiarczanem znajduje się w urządzeniu wentylacyjnym, takim jak dygestorium wyposażone w detektory wodorosiarczanu. Niniejszy podstawowy protokół wytwarzania traktujemy jako platformę do przeprowadzania kontrolowanych i ukierunkowanych eksperymentów, mających na celu poprawę ogólnej wydajności ogniwa słonecznego oraz lepsze zrozumienie konkretnych mechanizmów strat.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak wykonać powtarzalne ogniwo słoneczne w stylu podłoża.