Fazendo Record-eficiência SnS Células solares por evaporação térmica e Deposição Camada Atómica

O objetivo geral deste procedimento é estabelecer uma plataforma confiável para o desenvolvimento de células solares baseadas em novos materiais. Isso é realizado primeiramente preparando um substrato elétrico isolante limpo. O segundo passo é depositar duas camadas de molibdênio por pulverização catódica para o contato elétrico traseiro seletivo a lacunas.

Em seguida, deposite o absorvedor de sulfeto de estanho do tipo P por meio de deposição em camada atômica ou evaporação térmica. O passo final consiste em concluir a junção PN mediante a deposição de uma pilha de camadas do tipo N, composta por uma camada tampão de oxisulfeto de zinco, seguida por um óxido condutor transparente e dedos metálicos depositados para auxiliar a coleta de carga. Por fim, as células solares resultantes são testadas mediante medição das curvas corrente-tensão sob luz solar simulada e da eficiência quântica sob iluminação monocromática.

Embora este método seja demonstrado para o desenvolvimento de células solares de sulfeto de estanho, ele também pode ser utilizado para desenvolver células solares de filme fino inorgânico em substrato baseadas em outros novos materiais. A deposição de sulfeto de estanho por deposição em camada atômica será demonstrada por Schwan Yang, um estudante de pós-graduação no Grupo Gordon da Harvard, longe de Steinman. Um pós-doutorando no laboratório de pesquisa em fotovoltaicos do MIT demonstrará a deposição de sulfeto de 10 por evaporação térmica.

Este vídeo começa após a preparação dos substratos de wafer de silício. Utilize wafers de silício polidos de uma polegada quadrada e com espessura de 500 mícrons, revestidos com uma camada de óxido térmico de 300 nanômetros ou mais espessa. Primeiro, aplique por pulverização catódica uma camada adesiva de 360 nanômetros de molibdênio e, em seguida, deposite uma segunda camada condutora de 360 nanômetros de maum.

Armazene os substratos preparados em uma caixa de luvas de nitrogênio até o momento da deposição do sulfeto de estanho para preparar os substratos para deposição em camada atômica. Primeiro, transfira-os para um limpador de ozônio com UV para remover partículas orgânicas. Limpe os substratos por cinco minutos.

Enquanto a limpeza ocorre, certifique-se de que o porta-substrato para a câmara de deposição esteja próximo. Quando estiverem prontos, recupere os substratos e coloque-os no porta-amostras. Este porta-amostras está carregado com os substratos e está pronto para ser colocado na câmara de deposição.

Insira o suporte no forno, depois reduza a pressão no forno utilizando uma bomba de vácuo primária. Em seguida, estabilize a temperatura do forno em 200 graus Celsius. Prossiga verificando os precursores.

Mantenha o estanato como precursor para a deposição de sulfeto de estanho em um forno a 95 graus Celsius. Organize a tubulação de gás para que gás nitrogênio puro auxilie na entrega do vapor de estanato. O segundo precursor é sulfeto de hidrogênio em uma mistura gasosa de 4% de sulfeto de hidrogênio em gás nitrogênio; prossiga com a deposição a uma taxa de crescimento de 0,33 angstrons por ciclo.

Em cada ciclo de deposição em camada atômica, forneça três doses de 10 ate por uma exposição total de 1,1 tor segundo. Em seguida, purifique a câmara com gás nitrogênio. Depois, injete o sulfeto de hidrogênio em gás nitrogênio por uma exposição de 1,5 tor segundo.

Por fim, purgue novamente com nitrogênio. Um método alternativo de deposição é a evaporação térmica. Assegure-se de que a pressão na câmara de processo seja duas vezes 10 à potência de menos sete tor ou inferior.

Utilize um suporte para amostras com bolsos de tamanho apropriado para segurar firmemente o substrato. Como antes, use um substrato previamente preparado com duas camadas de molibdênio. Representado esquematicamente aqui.

Carregue o porta-amostras com esse substrato e pequenos substratos adicionais de CYS para caracterização posterior. Insira o porta-amostras no evaporador térmico através da câmara de carga. Reduza a pressão na câmara de carga e, em seguida, transfira os substratos para a câmara de crescimento.

Usando o braço de transferência quando eles estiverem em posição, aumente gradualmente os aquecedores da fonte e do substrato para atingir uma taxa de crescimento de um angstrom por segundo e uma temperatura do substrato de 240 graus Celsius. Agora, eleve os substratos para medir a taxa de deposição com o monitor de cristal de quartzo. Acione o braço de translação linear para mover o monitor de cristal de quartzo para dentro da câmara de processo.

Uma vez no lugar, abra o obturador da fonte para iniciar a medição. A taxa de crescimento é indicada no painel frontal do controlador do Monitor de Cristal. Quando a medição for concluída, feche o obturador e remova o monitor de quartzo da câmara.

Em seguida, abaixe os substratos até a posição de crescimento e abra o obturador da fonte para iniciar a deposição. Para a espessura-alvo do filme de 1000 nanômetros, a deposição levará cerca de três horas. Quando a deposição estiver concluída, feche o obturador da fonte.

Repita a medição da taxa de crescimento utilizando o monitor de cristal de quartzo. Após a medição, feche o obturador da fonte, desligue os aquecedores e aguarde o resfriamento dos substratos antes de transferi-los para a câmara de carga. Abra a câmara ao ar e remova os substratos.

Desmonte-os rapidamente do suporte da amostra e transporte-os para armazenamento em uma caixa de luvas com nitrogênio. Após o processo de deposição por camada atômica ou por evaporação térmica, a amostra terá uma camada de sulfeto de estanho. Todas as amostras são então submetidas a um tratamento com gás sulfeto de hidrogênio, seguido por passivação da superfície com óxido nativo.

O próximo passo é a deposição de camadas tampão de oxi-sulfeto de zinco tipo N e óxido de zinco por deposição em camada atômica. O próximo passo é a deposição do condutor transparente. Utilizamos óxido de estanho e índio antes da deposição do óxido de estanho e índio.

As áreas ativas dos dispositivos devem ser estabelecidas. Utilize máscaras de sombra metálicas para definir o tamanho do contato de óxido condutor transparente, o qual determina a área ativa do dispositivo. As máscaras definem 11 dispositivos retangulares com 0,25 centímetros quadrados de tamanho, além de um contato maior em um dos cantos, usado para medições de refletividade óptica na figura.

Uma indicação do tamanho da camada de óxido de estanho e índio a ser adicionada para um dispositivo é dada pela área sombreada; monte os dispositivos e as máscaras em um alinhador de máscaras. As máscaras devem ser suficientemente espessas para que não flexionem no alinhador de máscaras. Caso contrário, a área do pad de óxido pode tornar-se mal definida.

Leve o alinhador de máscara com os dispositivos montados até a câmara de pulverização catódica. Posicione o alinhador de máscara para a etapa de deposição. A próxima etapa é crescer uma camada de óxido de estanho e índio com espessura de 240 nanômetros.

Para fazer isso, aqueça o substrato a 80 a 90 graus Celsius e ative a rotação do substrato. Configure a potência de pulverização catódica por radiofrequência, a vazão dos gases argônio e oxigênio e a pressão, e então monitore esquematicamente a deposição. Este é o estado do dispositivo após a deposição de óxido de índio-estanho.

O próximo passo é a metalização. Use uma máscara de sombra e evaporação por feixe de elétrons para depositar 500 nanômetros de metal condutor, seja prata ou uma pilha de níquel-alumínio. Esta é uma amostra concluída.

Observe que a amostra mostrada aqui já foi riscada para expor o contato traseiro de molibdênio após a fabricação. Prossiga para a caracterização do dispositivo utilizando um simulador solar calibrado para um coeficiente de massa de ar de 1,5. Primeiro, use uma lâmina de bisturi para remover as camadas de buffer e sulfeto de estanho e expor o contato traseiro de molibdênio.

A seguir, coloque a amostra na mandíbula de amostras montada sobre o trilho; um vácuo mantém a amostra fixa e a temperatura da mandíbula é controlada em 25 graus Celsius. Agora, estabeleça contato elétrico com cada um dos dispositivos na amostra e com o contato traseiro riscado. Isso é feito aqui com uma placa de sondas personalizada que entra em contato com todos os dispositivos simultaneamente por meio de cobre-berílio.

Utilize pontas de sonda duplas em modo de quatro fios para medições de rotina. Omita o uso de uma abertura de luz para testes mais rigorosos, e a abertura deve ser usada para definir a área ativa. A máscara de sombra de óxido condutor transparente pode ser usada para essa finalidade.

Mova o porta-mandril para que os dispositivos fiquem posicionados para coletar dados de tensão de corrente escura e clara usando um sistema de teste automatizado. Programe o sistema para sondar os dispositivos individualmente enquanto abre e fecha o obturador de luz. O teste pode ser visto neste vídeo, mas normalmente deve ser realizado atrás de uma cortina preta para reduzir a luz ambiente.

Após os deslizamentos de medição de tensão, insira o porta-amostras no sistema de eficiência quântica externa; os dados de corrente-tensão sob iluminação, os dados de eficiência quântica externa e as medições de refletância óptica fornecem uma caracterização de linha de base dos dispositivos. Abaixo estão os dados de desempenho de células solares para dispositivos em duas amostras fabricadas por evaporação térmica. As amostras são distinguidas por cor: cinza para uma, vermelha para a outra, em cada dispositivo.

A tensão de circuito aberto, a densidade de corrente de curto-circuito, o fator de preenchimento e a eficiência de conversão de potência são apresentados. Os melhores dispositivos apresentam cerca de 4% de eficiência. A correlação aparente entre a eficiência e o fator de preenchimento em ambos os dispositivos é compatível com dispositivos que sofrem perdas por resistência em paralelo ou em série.

Os dados em vermelho também mostram uma correlação entre eficiência e tensão de circuito aberto, conforme esperado para resistência de derivação. Perdas para comparação. Abaixo estão os dados de desempenho de células solares para dispositivos fabricados utilizando deposição em camada atômica.

Esses dispositivos apresentam um desempenho superior ao dos dispositivos de evaporação térmica, com o melhor apresentando eficiência de 4,6%. Vários fatores podem explicar essa diferença. Um fator é que os dispositivos produzidos com deposição em camada atômica parecem sofrer menos com perdas de resistência em paralelo.

Não se esqueça de que trabalhar com ácido sulfúrico pode ser muito perigoso. Certifique-se de que o tanque de ácido sulfúrico esteja armazenado em um dispositivo de ventilação com capela de exaustão equipada com detectores de ácido sulfúrico. Consideramos este protocolo básico de fabricação como uma plataforma para realizar experimentos controlados e direcionados, projetados para melhorar o desempenho geral da célula solar e para compreender melhor mecanismos específicos de perda.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como fabricar uma célula solar com estilo de substrato reprodutível.