Name: Fazendo Record-eficiência SnS Células solares por evaporação térmica e Deposição Camada Atómica (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-05-22T14:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 1 s
Description: Aprenda a fabricar células solares de sulfeto de estanho (SnS) por evaporação térmica e deposição de camada atômica, alcançando eficiências de 4,36% e 3,88%. Este método estabelece uma plataforma confiável para energia solar não tóxica.

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Os autores gostariam de agradecer a Paul Ciszek e Keith Emery, do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) para medições JV certificadas, Riley Brandt (MIT) para medidas de espectroscopia de fotoelétrons, e Jeff Cotter (ASU) para a inspiração para a seção de testes de hipóteses. Este trabalho é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA por meio da Iniciativa SunShot sob contrato DE-EE0005329, e por Robert Bosch LLC por meio da Rede de Pesquisas Energéticas Bosch sob concessão 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, e K. Hartman agradecer o apoio de, a fundação Alexander von Humboldt, uma DOE EERE Pós-Investigação Award, e Intel PhD Fellowship, respectivamente. Este trabalho fez uso do Centro de Sistemas de Nanoscale da Universidade de Harvard, que é apoiado pela National Science Foundation, prêmio ECS-0335765.

1. Substrato Seleção e de corte <ol><li> Compra polido wafers Si com um óxido térmico de espessura. Para os dispositivos aqui apresentados, usar pastilhas 500 um de espessura, com um óxido de 300 nm ou térmica mais espessa. Os critérios de selecção de substrato são discutidos na secção Discussão. </li><li> Casaco de rotação do lado polido de wafer com um photoresist típico positiva (SPR 700 ou PMMA A. 495) e leve ao forno quente (30 seg a 100 ° C). Nota: Esta é uma camada protectora para evitar danos ou contaminação durante o passo de corte subsequente. </li><li> Utilize uma serra para cortar a matriz bolacha em 1 &quot;x 1&quot; (25,4 x 25,4 milímetros 2) substratos quadrados. </li></ol> 2. Substrato Limpeza <ol><li> Remover partículas e outros resíduos que resultam da etapa de corte usando uma pistola de azoto comprimido, seguido por um banho de ultra-sons em (DI) de água desionizada durante 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Retirar a camada foto-resistente com uma ba de ultra-sonsth em acetona durante 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Limpar o substrato exposto com três banhos de ultra-sons, todos os subsequentes durante 5 min a 45 - 60 ° C: acetona, etanol, e álcool isopropílico. Concluir por secagem com uma arma de nitrogênio comprimido, enquanto substratos permanecer no suporte de quartzo. </li></ol> 3. Mo Sputtering <ol><li> Coloque os limpos de Si / SiO 2 substratos em um sistema de pulverização de alto vácuo. Certifique-se de que a placa de substrato é aquecido e rotação substrato é activado. Para os dispositivos aqui relatados, processo em um sistema comercial com armas magnetron inclinadas com 2 &quot;alvos e uma distância de projeção de aproximadamente 4&quot;. </li><li> Depositar a primeira camada (camada de aderência) a uma pressão relativamente elevada, tais como o fundo 10 mTorr de Ar. Para os dispositivos aqui relatados, o processo de pulverização catódica, com uma potência de 180 W (DC), o que dá uma taxa de crescimento de 2,6 Â / seg, e uma primeira camada de Mo que é de 360 ​​nm de espessura. </li><li> Deposite o segundocamada (a camada condutora), a uma relativamente baixa pressão de fundo, tais como 2 mTorr de Ar. Utilizar o mesmo poder de pulverização como a primeira camada (180 W) e depositar a mesma espessura. Nota: Os dispositivos aqui relatados teve uma segunda camada de Mo, que foi de 360 ​​nm de espessura, mesmo como a primeira camada. </li><li> Após a deposição Mo, armazenar os substratos, sob vácuo até que o passo de deposição SnS. </li></ol> 4. SnS Deposição Nota: A técnica de deposição ALD é descrito na sub-seção 4.1, ea deposição TE é descrito na subsecção 4.2. O sistema de deposição de ALD é mostrado na Figura 2, e sistema de deposição de TE é mostrado na Figura 3. <ol><li> SnS depósito por ALD <ol><li> Antes de carregar para dentro do reactor, colocado em substratos Mo ozono um aspirador de UV durante 5 minutos para remover as partículas orgânicas. Em seguida, coloque os substratos no suporte do substrato e inserir na zona de deposição. </li><li> Estabilizar a tempe fornotura a 200 ° C antes de começar a deposição. </li><li> Cresça SnS filmes finos a partir da reacção de cloreto de bis (N, N &#39;-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -iPr) 2) 2, referido aqui como Sn (AMD) 2] e sulfureto de hidrogénio (H S 2) 4. <ol><li> Manter o Sn (AMD) 2 precursor a uma temperatura constante de 95 ° C. Use puro gás N2 para ajudar a entrega de Sn (AMD) 2 de vapor a partir do recipiente no forno para a zona de depósito. Durante cada ciclo de ALD, de abastecimento de três doses de Sn (AMD) 2 precursor para a exposição total de 1,1 Torr segundo. </li><li> Utilize uma mistura gasosa de 4% de H 2 em N 2 S como a fonte de enxofre. Certifique-se de que a exposição ao vapor de sulfeto de hidrogênio é de 1,5 Torr segundo por dose. Assegure-se que a pressão parcial de H2S e a pressão total de H 2 em N 2 S são 0,76 Torr e 19 Torr, respectivamente. </li></ol></li><li> Set tele tempo de bombeamento entre Sn dose de precursor e H 2 S ser de dose única de 1 seg (curto em comparação com a maioria dos outros processos convencionais ALD), a fim de acelerar a deposição. Nota: Como o precursor Sn não é completamente removido por este tempo de bombeamento curto, alguns precursor Sn residual permanece quando o H 2 S chega. Assim, o processo pode ser descrito como um processo CVD pulsado. A taxa de crescimento de SNS filme é 0,33 Â / ciclo, ou 0,04 Â / seg. </li></ol></li><li> SnS depósito por TE <ol><li> Assegure-se que a pressão da câmara de processo é de 2 x 10 -7 Torr ou menos. Substratos de carga para a câmara através do bloqueio de carga. Manter os substratos para a placa, quer com um único grampo, ou com um suporte de substrato costume com os bolsos de tamanho apropriado, que é aparafusado à placa de substrato. </li><li> Rampa da fonte e aquecedores de substrato aos seus setpoints. Para o dispositivo relatado aqui a temperatura do substrato é de 240 ° C e a taxa de crescimento é 17; / seg; para atingir esta taxa de crescimento definir a fonte de temperatura na gama 550-610 ° C (a temperatura aumenta com o tempo necessário de origem para uma única carga da fonte de pó). A espessura do filme de destino é de 1.000 nm. </li><li> Medir a taxa de deposição utilizando o monitor de cristal de quartzo (QCM), antes e depois da película de deposição de SnS movendo o braço QCM na câmara de processo. Para esta medição, o substrato é levantada de modo que a QCM pode ser movido para a posição de substrato de crescimento. Nota: A taxa de deposição permanece relativamente constante ao longo de um tempo de deposição de 3 h (± 0,05 Â / seg desvio). </li><li> Após a deposição, transferir as amostras de volta para o bloqueio da carga antes de ventilação de ar. Transportar rapidamente as amostras por meio de ar em armazém ou sob vácuo ou numa caixa de luvas atmosfera inerte antes do próximo passo de processamento. Nota: O tempo típico de exposição ao ar involuntária é de aproximadamente 3 min. O tempo de armazenamento típico é entre um dia e aweek. </li></ol></li></ol> 5. SnS Annealing Nota: Esta etapa é realizada de forma ligeiramente diferente para células solares ALD e TE. O procedimento de recozimento para as células solares ALD é descrito na sub-secção 5.1, e o procedimento para células solares TE é descrito na sub-secção 5.2. O objectivo de recozimento é discutido na secção Discussão. <ol><li> Emparelhar os filmes adulto ALD SNS H 2 S de gás. Nota: Esta etapa é realizada no mesmo sistema utilizado para o crescimento de ALD. <ol><li> Use H 2 S de gás puro (99,5% puro) a uma taxa de fluxo de 40 sccm e pressão de 10 Torr. </li><li> Aquece-se a película de SNS para uma temperatura de 400 ° C e mantido durante 1 h em ambiente de H 2 S de gás. Certifique-se de que o gás está a fluir ao longo de todo o processo, incluindo a temperatura aumentando de cima para baixo. </li></ol></li><li> Emparelhar os filmes SnS TE-cultivadas em H 2 S de gás. Execute esta etapa em um forno de tubo dedicado. <ol><li> Th de cargae amostras sobre uma placa de quartzo limpo e slide na região hot-zona do forno. </li><li> Depois de o forno é selada, purgar três vezes com N2 puro e permitir que a bomba de pressão de base para baixo. </li><li> Estabelecer fluxo de gás a 100 sccm de 4% de H 2 S a 28 Torr. </li><li> Rampa a temperatura para 400 ° C ao longo de 10 min. Segure a 400 ° C por 1 hora, em seguida, permitir que as amostras para se refrescar sem assistência na zona quente. Manter constante o fluxo de H 2 S e da pressão do gás até que as amostras arrefecer abaixo de 60 ° C. Retirar as amostras e quer prosseguir imediatamente para a próxima etapa, ou colocá-los em armazenamento em um porta-luvas de gás inerte. </li></ol></li></ol> 6. SnS Passivation superfície com um óxido nativo Nota: Esta etapa é realizada de forma ligeiramente diferente para células solares ALD e TE. Na sub-secção 6.1 o processo de passivação de superfície por células solares ALD é descrito, e o procedimento para células solares TE é descrito na sub-secção6.2. A função deste passo é discutido adiante na secção Discussão. <ol><li> Para as amostras cultivadas-ALD, crescer uma fina camada de SnO 2 por ALD. Nota: Nós usamos um reactor diferente do que o utilizado para o crescimento de SnS. <ol><li> Cresça SnO 2 pela reacção de amida cíclica de estanho [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ilideno) Sn (II)] e peróxido de hidrogénio (H 2 O 2). Armazenar o precursor de amida cíclica de estanho num forno a 43 ° C, e o H 2 O 2 em um borbulhador à TA. </li><li> Manter a temperatura do substrato a 120 ° C durante a deposição. </li><li> Expor o precursor de estanho e H 2 O 2 utilizando 0,33 e 1,5 Torr segundo por ciclo, respectivamente, para um total de 5 ciclos. Verificar que a espessura da resultante SnO 2 é de 0,6 0,7 nm, como medido por espectroscopia de fotoelectrão de raios-X (XPS) análise 10. </li></ol></li><li> Para as amostras de TE-cultivadas, formar um thin camada de SnO 2 por exposição ao ar. <ol><li> Expor as amostras para laboratório ar ambiente, durante 24 horas. Verificar que a espessura da resultante SnO 2 é de aproximadamente 0,5 nm, como medido por análise de XPS. Nota: O típico de RT é de 24 ± 1 ° C, e a humidade típica é de 45% ± 13% (superior no Verão); para os dispositivos aqui apresentados, os valores foram de 24,6 C e &lt;30%, respectivamente. </li></ol></li></ol> 7. Depósito de Zn (O, S) / ZnO Tampão Camada Nota: Esta etapa é realizada na mesma câmara de ALD que é utilizado para o crescimento de SnS por ALD. <ol><li> Cresça um Zn (O, S): N camada por ALD. <ol><li> Manter a temperatura do substrato a 120 ° C. </li><li> Cresça Zn (O, S): N por ALD a partir da reacção de dietil-zinco (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), água desionizada (H2O), 4% de H 2 S no N2, e amoníaco (NH 3) 11. Armazenar os contai bubblerNing DEZ à TA. Use uma seqüência de ciclo [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, e repetir este ciclo de super 12 vezes. Certifique-se de que a exposição de amônia é de 11 Torr segundo. </li><li> Verificar que a relação S / Zn no filme resultante é de 0,14, como medido por espectroscopia de retrodifusão Rutherford 12, e que a espessura da película é de aproximadamente 36 nm. </li></ol></li><li> Crescer uma camada de ZnO por ALD. <ol><li> Manter a temperatura do substrato a 120 ° C. </li><li> Crescer ZnO com 50 ciclos de ALD DEZ-H 2 O. Nota: A espessura da película de ZnO resultante é cerca de 18 nm. </li></ol></li></ol> 8. A deposição do óxido condutor transparente (TCO), Indium Tin Oxide (ITO) <ol><li> Corte ITO máscaras de sombra de um 0,024 &quot;(610 mm) de alumínio 6061 folha usando um cortador a laser laboratório. Nota: As máscaras definir dispositivos rectangulares 11 que são 0,25 centímetros 2 emmais o tamanho de uma almofada maior em um canto que é utilizado para as medições de reflectividade óptica, ver Figura 4. </li><li> Monte os dispositivos e máscaras em um alinhador de máscara. Nota: Esta é uma placa de alumínio com bolsos aninhadas para o substrato e máscaras e clipes para prender as máscaras no lugar. </li><li> Depósito ITO por pulverização catódica reactiva. <ol><li> Aqueça o substrato para aproximadamente 80 - 90 C e permitir a rotação do substrato. </li><li> Use um alvo ITO 2 polegadas de diâmetro (In 2 O 3 / SnO2 90/10 wt.%, 99,99% puro) a 65 W de potência RF pulverização com 40 / 0,1 sccm Ar / O fluxo de gás de 2 a 4 mTorr pressão total. </li><li> Cresça um filme de ITO 240 nm de espessura. Nota: Com estes parâmetros, a taxa de crescimento de 0,5 A / seg e de folha de resistências na gama de 40 - 60 Ω / sq são alcançados. </li></ol></li></ol> 9. Metalização <ol><li> Máscaras de corte de metalização sombra de um 127 mm de espessura austenchapa de aço inoxidável ITIC. Nota: Estas máscaras são cortados com + 10 / -5 mm tolerância por uma empresa comercial. O padrão de metal é constituída por dois dedos separados por 1,5 mm, cada 7 mm de comprimento, e uma almofada de contacto de 1 x 1 mm2, ver Figura 4. </li><li> Montar os dispositivos e máscaras em um alinhador de máscara, como na etapa 8.2. </li><li> Depósito Ag (para dispositivos TE) ou Ni / Al (para dispositivos ALD) por evaporação por feixe de elétrons. <ol><li> Mount alinhador de máscara sobre a placa de substrato de um sistema de metais evaporação por feixe de elétrons. Bombear para baixo a uma pressão de base abaixo de 1 x 10 -6 Torr. </li><li> Evapora-se de metal a uma taxa de 2 A / seg. Deposite 500 nm de espessura de metal total. </li></ol></li></ol> Caracterização 10. Dispositivo <ol><li> Execute corrente-tensão - medições (&quot;J V&quot;) em todos os dispositivos à luz solar, escuro e em AM1.5 simulado. <ol><li> Calibrar o simulador solar através da recolha de J - V fr dadosom uma célula solar de silício e calibrado ajustando a potência da lâmpada simulador solar e altura até atingir o valor actual calibrado para AM1.5 insolação. </li><li> Contacte os dispositivos no modo de quatro fios de cobre de berílio usando pontas duplas sonda para entrar em contato tanto para o (cátodo, Mo) camadas de topo (ânodo, Ag ou Al) e na parte inferior. Contacte a camada inferior riscando as camadas de buffer e SNS com uma lâmina de bisturi. </li><li> Luz medida e J escuros - dados V usando uma fonte de metros por tensão sourcing e de medição atual. Nota: Os dispositivos são tipicamente medidos dentro do intervalo ± 0,5 V. Os dispositivos não são sensíveis à direção ou taxa dos varrimentos de tensão. Para testes de rotina de uma abertura de luz definir a área não for usado, consulte a seção de discussão para mais detalhes. </li></ol></li><li> Execute eficiência quântica externa (EQE) medições em todos os dispositivos, com luz variável e viés de tensão. <ol><li> Calibrar o sistema EQE medindo a respoNSE de um fotodiodo de calibração Si. Nota: O software compara estes dados com as medições realizadas com um padrão NIST-backed para ajustar o nível de luz em conformidade. </li><li> Contacte os dispositivos usando o método de quatro fios, como no passo 10.1.2. </li><li> Medir EQE utilizando um sistema comercial, que ilumina a amostra com luz monocromática a 100 Hz picada durante um intervalo de comprimento de onda de 270 nm e 1100 mede a corrente resultante. Esta medição de acordo com o procedimento operacional padrão do fabricante. </li><li> Repita a medição EQE com tensão variável e polarização luz branca. Use um sourcemeter para abastecer o viés tensão, e uma lâmpada de halogéneo para abastecer o viés luz. Meça dispositivos em ambos frente e verso, viés de tensão, e sob a intensidade da luz branca variável até ~ 1 Suns. </li><li> Medir reflectância óptica (% R) da superfície superior ITO usando um espectrofotómetro com uma esfera de integração de modo a converter exterior para o interioreficiência quântica (IQE). Esta medição de acordo com o procedimento operacional padrão do fabricante. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Limpeza seleção substrato Si wafers oxidados são usados ​​como substratos. Os substratos são o suporte mecânico para as células solares resultantes, e as suas propriedades eléctricas não são importantes. Wafers Si são preferidos ao vidro porque wafers Si adquiridos comercialmente são tipicamente mais limpo do que wafers de vidro adquiridos comercialmente, e isso poupa tempo na limpeza do substrato. Si substratos também possuem uma condutividade térmica mais elevada do que o ...

Fotovoltaicos de filme fino (PV) continuam a atrair interesse e atividade de pesquisa significativa. No entanto, a economia do mercado de PV estão mudando rapidamente e desenvolver comercialmente bem sucedido PV de filme fino tornou-se uma perspectiva mais desafiador. Vantagens de custo de fabricação mais tecnologias baseadas wafer já não pode ser tida como certa, e melhorias na eficiência e de custos deve ser procurada em pé de igualdade. 1,2 À luz desta realidade que escolhemos para desenvolver SnS como um material absorvente para PV de filme fino. SnS tem vantagens práticas intrínsecas que poderia traduzir-se em baixo custo de fabricação. Se altas eficiências pode ser demonstrado, que poderia ser considerado como um substituto drop-in para CdTe no comercial PV película fina. Aqui, o processo de fabricação para o registro SnS células solares recentemente relatados é demonstrada. Nós nos concentramos em aspectos práticos como a selecção de substrato, condições de deposição, layout do dispositivo, e os protocolos de medição. SNS é composto por elementos não-tóxicos, Terra-abundantes e baratos (de estanho e enxofre). SNS é um sólido (nome mineral Herzenbergite) semiconducting inerte e insolúvel com um bandgap indireta de 1,1 eV, absorção de luz forte para fótons com energia acima de 1,4 eV (α&gt; 10 4 cm-1), e condutividade intrínseca do tipo p, com concentração de portadores na gama de 15 outubro - 17 outubro cm -3 3 -. 7 Importante, SnS e evapora congruentemente fase é estável até 600 ° C 8,9 Isto significa que os SNS pode ser depositada por evaporação térmica (TE) e a sua alta. primo velocidades, sublimação espaço fechado (CSS), como é empregue no fabrico de células solares de CdTe. Também significa que o controlo de fase SNS é muito mais simples do que para a maioria dos materiais de película fina PV, nomeadamente incluindo Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) e Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Portanto, células efência se destaca como o principal obstáculo à comercialização de SnS PV, e SnS poderia ser considerado um substituto drop-in para CdTe uma vez altas eficiências são demonstradas na escala de laboratório. No entanto, esta barreira eficiência não pode ser exagerada. Estima-se que a eficiência ficha deve aumentar por um factor de quatro, de ~ 4% para ~ 15%, a fim de estimular o desenvolvimento comercial. O desenvolvimento de um crescimento SnS como substituto para CdTe também exigirá de SNS de alta qualidade filmes finos por CSS, e o desenvolvimento de um material do tipo n parceiro no qual SnS podem ser cultivadas directamente. A seguir é descrito o procedimento passo-a-passo para o fabrico de células solares de SnS ficha utilizando duas técnicas de deposição diferentes, camada de deposição atómica (ALD) e TE. ALD é um método de crescimento lento, mas em dia produziu os maiores dispositivos de eficiência. TE é mais rápido e industrialmente escalável, mas retarda-se na eficiência de ALD. Para além dos diferentes métodos de deposição SnS, o TEe células solares ALD diferem ligeiramente no recozimento, passivação de superfície, e as etapas de metalização. As etapas de fabricação do dispositivo são enumerados na Figura 1. Depois de descrever o procedimento, os resultados dos testes para os dispositivos de registro certificadas e amostras relacionadas são apresentados. Os resultados recordes foram relatados anteriormente. Aqui, o foco está na distribuição de resultados para uma corrida de processamento típica.

<table><tbody><tr><td>Transportador de wafer de quartzo</td><td>AM Quartz, Gainesville, TX</td><td></td><td>design sob medida</td></tr><tr><td>Sistema de pulverização catódica</td><td>PVD Produtos</td><td></td><td>Sistema de pulverização catódica de alto vácuo com bloqueio</td></tr><tr><td>de carga 4% H2S em N2</td><td>Airgas Inc.</td><td></td><td></td>X02NI96C33A5626</tr><tr><td>99,5% H2S</td><td>Matheson Trigas</td><td>G1540250</td><td></td></tr><tr><td>SnS em pó</td><td>Sigma Aldrich</td><td>741000-5G</td><td></td></tr><tr><td>Célula de efusão</td><td>Veeco</td><td>35-LT</td><td>Baixa temperatura, célula de efusão de filamento único</td></tr><tr><td>dietilzinco (Zn(C2H5)2)</td><td>Strem Chemicals</td><td>93-3030</td><td></td></tr><tr><td>cortador a laser</td><td>Electrox</td><td>Scorpian G2</td><td>usado para máscaras de sombra</td></tr><tr><td>ITO ITO alvo de pulverização catódica (In2O3/SnO2 90/10 de peso, 99,99% puro)</td> <td>Kurt J. Lesker</td><td>EJTITOX402A4</td><td></td></tr><tr><td>Metalização máscaras de sombra</td><td>MicroConnex</td><td></td><td>design sob medida</td></tr><tr><td>Evaporador de feixe de elétrons</td><td>Denton</td><td></td><td>Evaporador de metais de alto vácuo com bloqueio de carga</td></tr><tr><td>Simulador solar AM1.5</td><td>Newport Oriel</td><td>91194</td><td>1.300 W Lâmpada Xe usando um filtro AM1.5G</td></tr><tr><td>Espectrofotômetro</td><td>Perkin Elmer</td><td>Lambda 950 UV-Vis-NIR</td><td>150 mm Esfera integradora revestida com espectro</td></tr><tr><td>Célula solar Si calibrada</td><td>Medições fotovoltaicas</td><td></td> Vidro <td>da janela BK-7</td></tr><tr><td>Pontas de sonda dupla</td><td>Accuprobe</td><td></td><td></td>K1C8C1F</tr><tr><td>Medidor de energia</td><td>Keithley</td><td>2400</td><td></td></tr><tr><td>Sistema de medição de eficiência quântica</td><td>Medições fotovoltaicas</td><td>QEX7</td><td></td></tr><tr><td>Medições fotofotogênicas de silício calibrado</td><td>Estação</td><td></td><td></td></tr><tr><td>de teste de células solares de alto rendimento</td><td>Medições fotovoltaicas</td><td></td><td>design sob medida</td></tr><tr><td>Óleo de bomba inerte</td><td>DuPont</td><td>Krytox</td><td>Óleo PFPE, grau 1514; fornecedor: Eastern Scientific</td></tr><tr><td>Anéis de vedação de elastômero resistente H2S</td><td>DuPont</td><td>Kalrez</td><td>composto 7075; fornecedor: Marco Rubber</td></tr><tr><td>Anéis de elastômero resistente H2S</td><td>Marco Rubber</td><td>Markez</td><td>composto Z1028</td></tr><tr><td>H2S anéis de elastômero resistente</td><td>Seals Eastern, Inc.</td><td>Fornecedor de Aflas</td><td>: Marco Rubber</td></tr></tbody></table>

fazendo record-eficiência sns células solares por evaporação térmica e deposição camada atómica

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Sulfureto de estanho (SNS) é um material absorvente de candidato a Terra-abundantes células solares, não-tóxicos. SnS oferece controle de fase fácil e rápido crescimento por evaporação térmica congruente, e absorve a luz visível fortemente. No entanto, por um longo tempo a ficha eficiência de conversão de energia de células solares SnS permaneceu abaixo de 2%. Recentemente, demonstrou novas eficiências recordes autenticadas de 4,36% usando SnS depositados por deposição de camada atômica, e 3,88%, utilizando evaporação térmica. Aqui, o processo de fabricação para estas células solares ficha está descrito, e a distribuição estatística do processo de fabricação é relatado. O desvio padrão de eficiência medida num único substrato é tipicamente mais de 0,5%. Todos os passos, incluindo a selecção de substrato e limpeza, Mo pulverização catódica para o contato posterior (cátodo), deposição SnS, recozimento, passivação de superfície, Zn (O, S) seleção de camada tampão e deposição, condutor transparente (ânodo) deposição, e metalização são descritos. Em cada substrato podemos fabricar 11 dispositivos individuais, cada um com área ativa 0,25 centímetros 2. Além disso, um sistema de medições de alta taxa de transferência de curvas corrente-tensão sob a luz solar simulada, e medição da eficiência quântica externa com viés luz variável é descrito. Com este sistema, somos capazes de medir os conjuntos de dados completos sobre todos os dispositivos 11 de uma forma automatizada e em tempo mínimo. Estes resultados ilustram o valor de estudar grandes conjuntos de amostras, ao invés de focar estreitamente nos dispositivos mais alto desempenho. Grandes conjuntos de dados nos ajudam a distinguir e remediar mecanismos individuais que afetam a perda de nossos dispositivos.

Nas Figuras 6-8 são mostrados os resultados para duas amostras de &quot;linha de base&quot; TE-cultivados representativos como descrito acima. Iluminado J - V dados para estas duas amostras está representada na Figura 6 A primeira amostra (&quot;SnS140203F&quot;) obteve-se o dispositivo com eficiência certificada de 3,88%, que foi previamente relatado 9 distribuições representativas JV também são mostrados para cada amostra... Para uma dada tensão d...

O sulfeto de estanho (SnS) é um material candidato a células solares não tóxicas e abundantes na Terra. Aqui, demonstramos o procedimento de fabricação das células solares SnS empregando deposição de camada atômica, que produz 4,36% de eficiência de conversão de energia certificada, e evaporação térmica que rende 3,88%.

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

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

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.

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Research

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Engineering

Engenharia

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Aprenda a fabricar células solares de sulfeto de estanho (SnS) por evaporação térmica e deposição de camada atômica, alcançando eficiências de 4,36% e 3,88%. Este método estabelece uma plataforma confiável para energia solar não tóxica.

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

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