Abstract
كبريتيد القصدير (SNS) هو مادة امتصاص مرشح للخلايا الشمسية الأرض وفيرة، وغير سامة. تقدم SNS سهلة مراقبة مراحل والنمو السريع عن طريق التبخر الحراري والمنسجمة، وأنها تمتص الضوء المرئي بقوة. ومع ذلك، لفترة طويلة ظلت سجل كفاءة تحويل الطاقة من الخلايا الشمسية SNS أقل من 2٪. مؤخرا أثبتنا كفاءة سجل مصدقة جديدة من 4.36٪ باستخدام SNS أودعتها ترسب طبقة الذري، و3.88٪ باستخدام التبخير الحراري. هنا وصف الإجراء لتصنيع هذه الخلايا الشمسية القياسية، وفقا لما ذكرته والتوزيع الإحصائي للعملية التصنيع. الانحراف المعياري للقياس الكفاءة على ركيزة واحدة هو عادة أكثر من 0.5٪. جميع الخطوات بما في ذلك اختيار الركيزة والتنظيف، مو الاخرق للاتصال الخلفي (الكاثود)، SNS الترسيب، والصلب، التخميل السطح، الزنك (O، S) اختيار طبقة عازلة والترسيب، موصل شفافة (الأنود) الترسيب، ومعدنة وصفها. على كل ركيزة نبتدع 11 الأجهزة الفردية، ولكل منها منطقة نشطة 0.25 سم 2. وعلاوة على ذلك، يتم وصف نظام لقياس الإنتاجية العالية من منحنيات الجهد الحالي تحت محاكاة ضوء الشمس، والخارجي قياس كفاءة الكم مع التحيز ضوء متغير. مع هذا النظام ونحن قادرون على قياس مجموعات البيانات الكاملة على جميع الأجهزة 11 بطريقة مؤتمتة وفي أقصر وقت ممكن. هذه النتائج توضح قيمة دراسة مجموعات عينة كبيرة، بدلا من التركيز الضيق على أعلى أداء الأجهزة. مجموعات كبيرة من البيانات تساعدنا على تمييز ومعالجة آليات فقدان الفردية التي تؤثر على أجهزتنا.
Introduction
وحدات الطاقة الشمسية رقيقة (PV) تستمر لجذب الاهتمام والنشاط البحثي الكبير. ومع ذلك، فإن اقتصاديات السوق PV تتغير بسرعة والنامية الناجحة تجاريا PV رقيقة أصبح احتمال أكثر تحديا. لم يعد من الممكن اتخاذها المزايا تكلفة التصنيع على التكنولوجيات القائمة على رقاقة أمرا مفروغا منه، ويجب السعي تحسينات في الكفاءة والتكلفة على قدم المساواة. 1،2 في ضوء هذا الواقع الذي اخترناه لتطوير SNS كمادة امتصاص لل رقيقة PV الفيلم. SNS مزاياه العملية الجوهرية التي يمكن أن تترجم إلى انخفاض تكلفة التصنيع. إذا أمكن إثبات الكفاءة العالية، ويمكن اعتباره بديلا الإفلات في لتيل كد في التجاري رقيقة PV الفيلم. هنا، يتجلى الإجراء تلفيق للسجل SNS الخلايا الشمسية ذكرت مؤخرا. ونحن نركز على الجوانب العملية مثل اختيار الركيزة، وظروف الترسيب، وتخطيط الجهاز، وبروتوكولات القياس.
يتكون SNS من العناصر غير سامة، والأرض وفيرة ورخيصة (القصدير والكبريت). SNS هو شبه موصلة الصلبة (الاسم المعدنية Herzenbergite) خامل وغير قابلة للذوبان مع فجوة الحزمة غير المباشرة من 1.1 فولت، وامتصاص الضوء القوي لالفوتونات مع طاقة فوق 1.4 فولت (α> 10 4 سم -1)، والجوهري التوصيل ع نوع مع تركيز الناقل في نطاق 15 أكتوبر - 17 أكتوبر سم -3 3 - 7 الأهم من ذلك، SNS يتبخر بشكل متطابق ويبعد مرحلة مستقرة تصل إلى 600 ° C 8،9 وهذا يعني أن SNS يمكن أن تودع عن طريق التبخر الحراري (TE) وأعلى مستوياته. ابن عم -speed، والتسامي الأماكن المغلقة (CSS)، ويعمل في صناعة الخلايا الشمسية تيل كد. وهذا يعني أيضا أن مراقبة مراحل SNS هو أبسط بكثير من معظم المواد الفيلم PV رقيقة، ولا سيما بما في ذلك النحاس (في ولاية جورجيا) (S، سي) 2 (CIGS) والنحاس 2 ZnSnS 4 (CZTS). ولذلك، EF الخليةficiency تقف مثل الجدار الرئيسي لتسويق SNS PV، ويمكن اعتبارها SNS بديل الإفلات في لتيل كد مرة واحدة وأثبتت كفاءة عالية في نطاق المختبر. لكن هذا الحاجز كفاءة لا يمكن المبالغة. نحن نقدر أن كفاءة سجل يجب أن تزيد بنسبة أربعة أضعاف، من ~ 4٪ إلى ~ 15٪، وذلك لتحفيز التنمية التجارية. تطوير SNS باعتباره النمو سيتطلب أيضا-الإحلال للتيل كد من SNS جودة عالية الأغشية الرقيقة التي كتبها CSS، ووضع مادة شريك ن من نوع التي يمكن زراعتها SNS مباشرة.
أدناه هو وصف الإجراء خطوة بخطوة لافتعال SNS سجل الخلايا الشمسية باستخدام اثنين من التقنيات ترسب مختلفة، وترسب طبقة الذري (ALD) والشركة المصرية للاتصالات. ALD هي طريقة نمو بطيء ولكنه قد حقق إلى تاريخ بأعلى كفاءة الأجهزة. TE هو أسرع وقابلة للتطوير الصناعي، ولكن يتخلف ALD في الكفاءة. بالإضافة إلى مختلف أساليب ترسب SNS، وTEوالخلايا الشمسية ALD تختلف قليلا في الصلب، التخميل السطح، والخطوات معدنة. يتم تعداد الخطوات تصنيع الجهاز في الشكل 1.
بعد أن وصف هذا الإجراء، يتم عرض نتائج الاختبار للأجهزة سجل شهادة والعينات ذات الصلة. تم الإبلاغ عن نتائج قياسية في وقت سابق. هنا يتم التركيز على توزيع النتائج لتشغيل معالجة نموذجي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. الركيزة اختيار وقطع
- شراء مصقول الرقائق سي مع أكسيد الحراري سميكة. لأجهزة ذكرت هنا، استخدم 500 ميكرون رقائق سميكة مع نانومتر 300 أو أكسيد الحرارية أكثر سمكا. وتناقش معايير اختيار الركيزة في قسم مناقشة.
- تدور معطف الجانب المصقول من الرقاقة مع مقاومة للضوء إيجابي نموذجي (SPR 700 أو PMMA A. 495) وتخبز لينة (30 ثانية في 100 ° C).
ملاحظة: هذا هو طبقة واقية لمنع تلف أو التلوث أثناء قطع خطوة لاحقة. - استخدام منشار لقطع يموت الرقاقة في 1 "× 1" (25.4 X 25.4 مم 2) ركائز مربع.
2. الركيزة تنظيف
- إزالة الجسيمات وبقايا الأخرى التي تنتج عن قطع خطوة باستخدام بندقية النيتروجين المضغوط، يليه حمام بالموجات فوق الصوتية في دي المتأينة (DI) الماء لمدة 5 دقائق عند 45 - 60 درجة مئوية.
- إزالة طبقة مقاومة للضوء مع با بالموجات فوق الصوتيةعشر في الأسيتون لمدة 5 دقائق عند 45 - 60 درجة مئوية.
- تنظيف الركيزة يتعرض مع 3 حمامات بالموجات فوق الصوتية لاحقة، وكلها لمدة 5 دقائق في 45 - 60 ° C: الأسيتون، والإيثانول، وايزوبروبيل. النهاية عن طريق تجفيف بمسدس النيتروجين المضغوط، بينما تبقى ركائز في الناقل الكوارتز.
3. مو الاخرق
- تحميل نظيفة سي / شافي 2 ركائز إلى نظام الاخرق فراغ عالية. تأكد من أن لوحة الركيزة غير مدفأة ويتم تمكين الركيزة التناوب. لأجهزة ذكرت هنا، عملية في النظام التجاري مع المدافع المغناطيسية إمالة مع 2 "الأهداف وعلى مسافة رمي ما يقرب من 4".
- إيداع الطبقة الأولى (طبقة التصاق) على خلفية الضغط المرتفع نسبيا مثل 10 mTorr من Ar. لأجهزة ذكرت هنا، عملية مع قوة الاخرق من 180 W (DC)، الذي يعطي معدل نمو 2.6 Å / ثانية، وطبقة مو الأولى التي تبلغ 360 نانومتر سميكة.
- إيداع الثانيةطبقة (طبقة موصل) عند ضغط خلفية منخفضة نسبيا مثل 2 mTorr من Ar. استخدام نفس القوة الاخرق والطبقة الأولى (180 W) وإيداع نفس السمك.
ملاحظة: لم يكن للأجهزة ذكرت هنا طبقة ثانية مو الذي كان 360 نانومتر سميكة، ونفس الطبقة الأولى. - بعد مو الترسيب، تخزين ركائز تحت فراغ حتى الخطوة ترسب SNS.
4. SNS ترسب
ملاحظة: يتم وصف تقنية ترسيب ALD في القسم الفرعي 4.1، ويوصف ترسب TE في القسم الفرعي 4.2. يظهر نظام ترسب ALD في الشكل 2، ويظهر نظام TE ترسب في الشكل (3).
- SNS إيداع ALD
- قبل تحميل في المفاعل، ووضع ركائز مو في نظافة الأوزون الأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 دقائق لإزالة الجزيئات العضوية. ثم وضع ركائز على حامل الركيزة وتضاف إلى منطقة الترسيب.
- استقرار تمب الفرنrature على حرارة 200 درجة مئوية قبل البدء الترسيب.
- تنمو SNS أفلام رقيقة من ردود فعل مكرر (N، N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [القصدير (MEC (N -iPr) 2) 2، المشار إليها هنا ب القصدير (AMD) 2] وكبريتيد الهيدروجين (H 2 S) 4.
- الحفاظ على القصدير (AMD) 2 السلائف في درجة حرارة ثابتة من 95 درجة مئوية. استخدام النقي N 2 الغاز للمساعدة في إيصال القصدير (AMD) 2 بخار من الحاوية في الفرن إلى منطقة الترسيب. خلال كل دورة محددة المدة، والعرض ثلاث جرعات من القصدير (AMD) 2 السلائف التعرض الكلي للعربة 1.1 ثانية.
- استخدام خليط الغاز من 4٪ H 2 S في N 2 كمصدر الكبريت. تأكد من أن التعرض لبخار كبريتيد الهيدروجين 1.5 عربة الثانية لكل جرعة. تأكد من أن الضغط الجزئي للH 2 S والضغط الكلي من H 2 S في N 2 هي 0.76 عربة و 19 عربة، على التوالي.
- مجموعة تيانه ضخ الوقت بين القصدير جرعة السلائف وجرعة S H 2 لتكون فقط 1 ثانية (قصيرة بالمقارنة مع معظم الإجراءات ALD التقليدية الأخرى) من أجل تسريع ترسب.
ملاحظة: لأنه لم يتم إزالة السلائف القصدير تماما قبل هذا الوقت ضخ قصيرة، لا يزال بعض القصدير السلائف المتبقية عندما H 2 S يصل. وهكذا يمكن وصف هذه العملية بأنها عملية الأمراض القلبية الوعائية نابض. معدل نمو فيلم SNS هو 0.33 Å / دورة، أو 0.04 Å / ثانية.
- SNS إيداع TE
- تأكد من أن عملية ضغط الغرفة هو 2 × 10 -7 عربة أو أقل. ركائز الحمل في الغرفة من خلال تأمين الحمولة. عقد ركائز لوحة إما مع مقطع واحد، أو مع حامل الركيزة مخصصة مع جيوب بحجم مناسب أن هو مشدود وصولا الى لوحة الركيزة.
- المنحدر المصدر وسخانات الركيزة لsetpoints الخاصة بهم. للجهاز ذكرت هنا درجة حرارة الركيزة 240 درجة مئوية، ومعدل النمو 17؛ / ثانية؛ لتحقيق معدل النمو هذا ضبط درجة الحرارة مصدر في نطاق 550-610 ° C (المطلوبة مصدر الحرارة يزداد مع الوقت لتحميل واحد من مسحوق المصدر). سمك الفيلم الهدف هو 1000 نانومتر.
- قياس معدل الترسيب باستخدام شاشة الكريستال الكوارتز (QCM) قبل وبعد ترسب الفيلم SNS عن طريق تحريك الذراع QCM في غرفة العملية. لهذا القياس يتم رفع الركيزة بحيث QCM يمكن نقلها إلى موقف النمو الركيزة.
ملاحظة: لا يزال معدل الترسيب ثابتا إلى حد ما طوال الوقت ترسب 3 ساعة (± 0.05 Å / ثانية الانحراف). - بعد الترسيب، ونقل العينات مرة أخرى إلى قفل الحمل قبل تنفيس للهواء. نقل بسرعة من خلال عينات الهواء إلى تخزين إما في الفراغ أو في صندوق قفازات جو خامل قبل الخطوة تجهيز المقبلة.
ملاحظة: نموذجي غير مقصود وقت التعرض للهواء حوالي 3 دقائق. الوقت تخزين نموذجي هو بين يوم واحد وفصيل عبد الواحدEEK.
5. SNS التليين
ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة بشكل مختلف قليلا عن ALD وTE الخلايا الشمسية. ووصف الإجراء الصلب للخلايا الشمسية محددة المدة في القسم الفرعي 5.1، ووصف الإجراء للخلايا الشمسية TE في القسم الفرعي 5.2. ويناقش الغرض من الصلب في قسم مناقشة.
- يصلب نابعة من ALD الأفلام SNS في H 2 S الغاز.
ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة في نفس النظام المستخدم للنمو محددة المدة.- استخدام النقي H 2 S الغاز (99.5٪ نقية) بمعدل تدفق 40 SCCM والضغط من 10 عربة.
- تسخين فيلم SNS إلى درجة حرارة 400 درجة مئوية، وعقد لمدة 1 ساعة في البيئة الغاز S H 2. تأكد من أن الغاز يتدفق في جميع أنحاء العملية برمتها، بما في ذلك درجة الحرارة التعلية صعودا وهبوطا.
- يصلب الأفلام SNS نمت TE-H 2 S في الغاز. تنفيذ هذه الخطوة في فرن أنبوب مخصص.
- عشر الحملعينات الإلكترونية على لوحة الكوارتز نظيفة والانزلاق الى المنطقة منطقة ساخنة من الفرن.
- بعد اغلاق الفرن، تطهير ثلاث مرات مع خالص N 2، والسماح للضخ وصولا الى ضغط قاعدة.
- إنشاء تدفق الغاز بمعدل 100 SCCM من 4٪ H 2 S في 28 عربة.
- منحدر درجة الحرارة إلى 400 درجة مئوية خلال 10 دقيقة. عقد في 400 درجة مئوية لمدة 1 ساعة، ثم السماح للعينات لتبرد دون مساعدة في منطقة ساخنة. الحفاظ على ثابت H 2 S تدفق الغاز وضغط حتى تبرد العينات أقل من 60 درجة مئوية. إزالة العينات وإما الشروع فورا في الخطوة التالية، أو وضعها في التخزين في علبة القفازات غاز خامل.
6. SNS التخميل السطح مع أكسيد الأصلية
ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة بشكل مختلف قليلا عن ALD وTE الخلايا الشمسية. في القسم الفرعي 6.1 يوصف إجراء التخميل السطحية للخلايا الشمسية محددة المدة، ويتم وصف الإجراء للخلايا الشمسية TE في القسم الفرعي6.2. ومزيد من المناقشة وظيفة هذه الخطوة في قسم مناقشة.
- لعينات نابعة من ALD، وتنمو طبقة رقيقة من سنو 2 قبل ALD.
ملاحظة: نحن نستخدم مفاعل مختلفة عن تلك المستخدمة لنمو SNS.- تنمو سنو 2 من رد فعل أميد دوري من قصدير [(1،3 مكرر (1،1-dimethylethyl) -4،5-dimethyl- (4R، 5R) -1،3،2-diazastannolidin-2-ylidene) SN (II)] وبيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2). تخزين دوري أميد القصدير السلائف في فرن عند 43 درجة مئوية، وH 2 O 2 في الفوار في RT.
- الحفاظ على درجة حرارة الركيزة في 120 درجة مئوية لمدة الترسيب.
- فضح السلائف القصدير وH 2 O 2 باستخدام 0.33 و 1.5 عربة الثانية لكل دورة، على التوالي، ليصبح المجموع 5 دورات. تأكد من أن سمك الناتجة سنو 2 0.6 0.7 نانومتر، كما تم قياسها بواسطة الأشعة السينية الضوئية الطيفي (XPS) التحليل 10.
- لعينات نمت TE-، تشكيل ثين طبقة من سنو 2 عن التعرض للهواء.
- كشف العينات إلى مختبر الهواء المحيط لمدة 24 ساعة. تأكد من أن سمك الناتجة سنو 2 ما يقرب من 0.5 نانومتر، كما تم قياسها من خلال تحليل XPS.
ملاحظة: RT نموذجي هو 24 ± 1 درجة مئوية، والرطوبة النموذجية هي 45٪ ± 13٪ (أعلى في فصل الصيف)؛ لأجهزة ذكرت هنا، فإن قيم 24.6 C و <30٪، على التوالي.
- كشف العينات إلى مختبر الهواء المحيط لمدة 24 ساعة. تأكد من أن سمك الناتجة سنو 2 ما يقرب من 0.5 نانومتر، كما تم قياسها من خلال تحليل XPS.
7. ترسب من الزنك (O، S) / طبقة أكسيد الزنك العازلة
ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة في نفس الغرفة البض الذي يتم استخدامه للنمو SNS بواسطة ALD.
- تنمو الزنك (O، S): N طبقة محددة المدة.
- الحفاظ على درجة حرارة الركيزة في 120 ° C.
- تنمو الزنك (O، S): N التي كتبها ALD من ردود فعل diethylzinc (الزنك (C 2 H 5) 2، DEZ)، منزوع الأيونات الماء (H 2 O)، و 4٪ H 2 S في N 2، والأمونيا (NH 3) 11. تخزين contai الفوارنينغ DEZ في RT. استخدام تسلسل دورة [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] (1)، وكرر هذه الدورة السوبر 12 مرات. تأكد من أن التعرض للأمونيا هو 11 عربة ثانية.
- تأكد من أن نسبة S / الزنك في الفيلم الناتج هو 0.14، مقاسا روثرفورد ارتداد مبعثر الطيفي 12، وأن سمك الفيلم ما يقرب من 36 نانومتر.
- تنمو طبقة أكسيد الزنك التي كتبها ALD.
- الحفاظ على درجة حرارة الركيزة في 120 ° C.
- تنمو أكسيد الزنك مع 50 دورة ALD من DEZ-H 2 O.
ملاحظة: سمك الفيلم أكسيد الزنك مما أدى ما يقرب من 18 نانومتر.
8. ترسب أكسيد إجراء شفاف (TCO)، إنديوم أكسيد القصدير (ايتو)
- قطع ITO أقنعة الظل من 0.024 "(610 ميكرون) الألومنيوم 6061 ورقة باستخدام القاطع ليزر المختبر.
ملاحظة: أقنعة تحدد 11 عبوة مستطيلة الشكل التي هي 0.25 سم 2 فيبالاضافة الى حجم وسادة أكبر في زاوية واحدة يستخدم لقياس انعكاسية البصرية، انظر الشكل 4. - تركيب الأجهزة والأقنعة في اليجنر قناع.
ملاحظة: هذا هو لوحة الألومنيوم مع وجود جيوب متداخلة لالركيزة وأقنعة ومقاطع لتأمين أقنعة في المكان. - إيداع ITO من قبل رد الفعل المغنطرون الاخرق.
- تسخين الركيزة إلى ما يقرب من 80-90 مئوية، وتمكين الركيزة التناوب.
- استخدام 2 بوصة هدف قطر ITO (في 2 يا 3 / سنو 2 90/10 وزن٪، 99.99٪ نقية) في 65 W RF السلطة الاخرق مع 40 / 0.1 SCCM الرياض / O تدفق غاز 2 في 4 mTorr الضغط الكلي.
- تنمو 240 نانومتر فيلم ITO سميكة.
ملاحظة: مع هذه المعايير، 40 معدلات النمو من 0.5 Å / ثانية ورقة المقاومة في المدى - 60 Ω / تتحقق مربع.
9. معدنة
- أقنعة قطع معدنة الظل من 127 ميكرون اوستن سميكةITIC صفائح من الفولاذ المقاوم للصدأ.
ملاحظة: يتم قطع هذه الأقنعة مع + 10 / -5 ميكرون التسامح من قبل شركة تجارية. يتكون نمط معدن من 2 أصابع مفصولة 1.5 ملم، كل 7 مم طويل، ولوح التلامس 1 × 1 مم 2، انظر الشكل 4. - تركيب الأجهزة والأقنعة في اليجنر قناع، كما في الخطوة 8.2.
- إيداع حج (لأجهزة TE) أو ني / شركة (لأجهزة ALD) بواسطة شعاع الإلكترون التبخر.
- جبل قناع اليجنر على لوحة الركيزة لنظام المعادن تبخر شعاع الالكترون. ضخ تصل إلى ضغط قاعدة أقل من 1 × 10 -6 عربة.
- تتبخر المعدنية بمعدل 2 Å / ثانية. إيداع 500 نانومتر مجموع سمك المعدن.
توصيف 10. جهاز
- أداء الجهد الحالي ("J - V") القياسات على جميع الأجهزة في ضوء الشمس مظلمة وAM1.5 محاكاة.
- معايرة جهاز محاكاة الطاقة الشمسية من خلال جمع J - V الاب البياناتام الخلايا الشمسية السيليكون معايرة وضبط الطاقة الشمسية مصباح محاكاة والارتفاع حتى تصل إلى القيمة الحالية للمعايرة AM1.5 تشمس.
- اتصل الأجهزة في وضع أربع أسلاك باستخدام النحاس البريليوم نصائح التحقيق مزدوجة في الاتصال بكل من أعلى (الأنود، حج أو شركة) وأسفل (الكاثود، مو) طبقات. الاتصال الطبقة السفلية من الخدش بعيدا العازلة وSNS طبقات بشفرة المشرط.
- ضوء قياس والظلام J - V البيانات باستخدام مصدر مترا قبل مصادر الجهد وقياس التيار.
وعادة ما تقاس الأجهزة ضمن نطاق ± 0.5 V. الأجهزة ليست استجابة لتوجيه أو معدل الاحتلالات الجهد: مذكرة. لاختبار روتيني لم يستخدم ضوء فتحة-تحديد المنطقة، انظر القسم مناقشة لمزيد من التفاصيل.
- أداء كفاءة الكم الخارجية (EQE) القياسات على جميع الأجهزة، مع ضوء متغير والجهد التحيز.
- معايرة نظام EQE عن طريق قياس RESPONSE لسي معايرة الضوئي.
ملاحظة: البرنامج يقارن هذه البيانات إلى قياسات أجريت مع معيار المدعومة NIST-لضبط مستوى الضوء وفقا لذلك. - اتصل الأجهزة التي تستخدم أسلوب أربع أسلاك، كما في الخطوة 10.1.2.
- قياس EQE باستخدام نظام التجاري الذي ينير العينة مع ضوء أحادي اللون المفروم في 100 هرتز على نطاق الطول الموجي 270 نانومتر 1100 ويقيس الحالية الناتجة عن ذلك. أداء هذا القياس وفقا لإجراءات التشغيل القياسية الشركة المصنعة.
- تكرار قياس EQE مع الجهد المتغير وضوء التحيز الأبيض. استخدام sourcemeter لتزويد الجهد التحيز، ومصابيح الهالوجين لتزويد التحيز الضوء. قياس الأجهزة في كل من الأمام وعكس الجهد التحيز، وتحت متغير كثافة الضوء الأبيض إلى ~ 1 صنز.
- قياس الانعكاس الضوئي (٪ R) من أعلى سطح ITO باستخدام مقياس الطيف الضوئي مع المجال دمج من أجل تحويل الخارجية إلى الداخليةكفاءة الكم (IQE). أداء هذا القياس وفقا لإجراءات التشغيل القياسية الشركة المصنعة.
- معايرة نظام EQE عن طريق قياس RESPONSE لسي معايرة الضوئي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
في الأرقام تظهر 6-8 النتائج لمدة تمثيلية "الأساس" عينات نمت TE-كما هو موضح أعلاه. يتم رسم البيانات V لهذه العينتين في الشكل 6 العينة الأولى ("SnS140203F") أسفرت عن الجهاز بكفاءة مصدقة من 3.88٪ التي تم الإبلاغ عنها سابقا وتبين ايضا 9 توزيعات الممثل JV لكل عينة - مضيئة J.. لالتحيز الجهد معينة، وتحسب هذه التوزيعات كما 
حيث <J> هو متوسط الكثافة الحالية قياس لجميع الأجهزة، σ J هو الانحراف المعياري لهذه القياسات، وN هو العدد الإجمالي من القياسات. وبعبارة أخرى، فإن المتوسط والخطأ المعياري وتمثيلها بيانيا. هذا التمثيل يساعد على مقارنة النتائج من عينات مختلفة، وتقييم بصرياأثر التغيرات في تصنيع الجهاز على أداء الجهاز الناتج.
وتشير البيانات V أن العينات تعاني من مشاكل مع المقاومة تحويلة أن يختلف بين الأجهزة على عينة - وJ. ومما يعزز هذا الاستنتاج مزيدا من الأرقام 7 و 8. في الشكل 7 يتم رسم معالم القياسية الخلايا الشمسية - فتح الجهد الدائرة (V OC)، ماس كهربائى الكثافة الحالية (J SC)، وملء عامل (FF)، وكفاءة تحويل الطاقة - لجميع الأجهزة نفسها هو مبين في الشكل (6) تمثيل بياني شريطي يساعد على تحديد بصريا علاقة بين المعلمات. لهذه العينات العلاقة أكثر وضوحا هو بين الكفاءة وFF، كما هو متوقع للأجهزة التي تعاني من خسائر تحويلة أو سلسلة المقاومة. الجهاز الثاني هو هناك أيضا ارتباط واضح بين الكفاءة وV OC،كما هو متوقع لخسائر المقاومة تحويلة.
وتتكون هذه الارتباطات صريح من المؤامرات متعدد المتغيرات هو مبين في الشكل (8). وهنا، OC V، J SC، وFF يتم رسم مقابل سلسلة (R) و تحويلة (R SH) المقاومة. يتم احتساب R S و R SH باستخدام الخطية يناسب لJ - V البيانات بالقرب 0.5 و 0 V، على التوالي. في كثير من الحالات، سيكون من الأفضل لاستخراج R S و R SH كمعلمات في نموذج الصمام الثنائي الذي يمكن أن يكون لائقا لJ - V البيانات. ومع ذلك، للخلايا الشمسية كفاءة منخفضة نسبيا هناك مصادر عديدة من الخسارة، ونماذج الصمام الثنائي التي تنجح للأجهزة العليا الكفاءة لا يمكن التعويل عليها. لذلك يفضل أن استخراج R الصورة وR SH بواسطة تقنية أكثر قوة. على الرغم من أن القيم الناتجة قد لا تكون دقيقة، وترينس لا تزال مفيدة، ويمكن استخدامها لتوجيه التنمية. البيانات في الشكل 8 تأكيد أن إنتقل المقاومة هي المصدر الرئيسي للخسارة. وهذا يمكن أن يظهر ذلك بشكل واضح في الاتجاه المتصاعد في FF (R SH). وتشير البيانات إلى أنه في المرحلة الحالية من تطوير الجهاز، يجب الحفاظ على المقاومة تحويلة أكبر من ما يقرب من 200 Ω سم 2 وذلك لتحقيق مكاسب الكفاءة من التحسينات عملية أخرى لتصبح واضحة. R الصورة لا يبدو للحد من أجهزة ذكرت هنا. قيم R الصورة هي عادة 0.5 Ω سم 2، ونادرا ما تخاطر أعلى من 1 Ω سم 2.
وأظهرت النتائج لممثل واحد "الأساس" عينة محددة المدة، نمت كما هو موضح أعلاه في الشكل 9. وتظهر أجهزة ALD أداء أفضل من الأجهزة TE، مع أفضل جهاز إظهار كفاءة 4.6٪. إلى جانب التقنيات النمو SNS مختلفة، ورالتعليم الجامعي تلفيق تختلف الإجراءات في التخميل السطح SNS عن طريق الأكسدة. بالإضافة إلى ذلك، تتعرض العينات TE في الهواء المختبر في النمو بين السينما والصلب، في حين صلب عينات محددة المدة في غرفة النمو دون فاصل الهواء. تظهر عينات نابعة من ALD تعاني أقل من خسائر المقاومة تحويلة من العينات نمت TE. والسبب في هذا الاختلاف غير معروف. فمن الممكن أن نابعة من ALD الأفلام SNS هي أكثر إحكاما، وذلك بسبب نمط النمو الذاتي الحد ومعدل النمو البطيء، من الأفلام نمت TE.
وترد في الاختبارات جهاز معتمد في الشكل 10. 9،10 على اليسار يظهر جهاز تسجيل شهادة باستخدام SNS طبقة نابعة من ALD. كانت الكفاءة المعتمدة لهذه العينة بنسبة 4.36٪، ولقد تم قياس الأجهزة يصل إلى كفاءة 4.54٪ باستخدام الإجراء تلفيق نفسه. على اليمين يظهر جهاز تسجيل شهادة باستخدام طبقة SNS نمت TE. كفاءة المعتمدة لهذه العينةكان 3.88٪، والتي تم قياسها من الأجهزة يصل إلى 4.1٪ مع نفس الإجراء. لاحظ أن 3.88٪ نتيجة الاختبار المعتمدة تقع ضمن نطاق قياس لنفس العينة، التي بلغ متوسط ± الانحراف المعياري هو 3.5٪ ± 0.4٪، كما هو موضح في الشكل (7).
ويبين الشكل 11 النتائج مما يدل على استقرار SNS TE نمت الخلايا الشمسية في الظروف المحيطة. للحصول على عينات مختارة J - أجريت اختبارات V قبل وبعد تخزينها لمدة تصل إلى أحد عشر شهرا. تم تخزين العينات في الهواء ويتعرض للضوء المحيط دون التغليف. تم تجهيز كل أربع عينات هو مبين في الشكل 11 بشكل مختلف قليلا من ذكرت الإجراء هنا. هذا هو لأسباب تاريخية، وليس هناك ما يدعو إلى الاعتقاد بأن أجهزة ذكرت هنا سيكون له خصائص استقرار مختلفة. ووصف الاختلافات معالجة في التسمية التوضيحية الشكل، وأنها تمثل الاداء متفاوتة(ه) من الأجهزة. النقطة الرئيسية هي أن لوحظ الحد الأدنى من تدهور منذ أكثر من عام. يبقى أن نرى كيف SNS الخلايا الشمسية سوف البقاء على قيد الحياة اختبار مدى الحياة أكثر المتسارع، مثل الحرارة الرطبة أو طويلة الطيف الإضاءة الكاملة.
شخصية عملية 1. جهاز تلفيق. التعداد عملية تصنيع الجهاز، من قطع الركيزة (# 1، أسفل) لمعدنة (رقم 9، أعلى).
الشكل 2. الذرية ترسب طبقة (ALD) نظرة عامة حول النظام. (أعلى) نظام ALD الرسم التخطيطي. (القاع) نظام ALD صورة، مع عناصر حاسمة مرقمة والمسمى. هذا النظام يمكن أن تؤدي SNS الترسيب، SNS الصلب، والعازلة ترسب طبقة ويجلس في غوردعلى مجموعة في جامعة هارفارد. وهو يتألف من ترسب أنبوب الساخنة الجدار، واثنين من الأفران المستخدمة لتخزين السلائف والغاز تسليم ونظام التحكم، نظام التحكم في درجة الحرارة والمروحة الدوارة مضخة فراغ الميكانيكية. يمكن لصاحب الركيزة ضعت ثمانية 1 على الأكثر "× 1" ركائز مربعة. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3. التبخر الحراري (TE) نظرة عامة حول النظام. المكونات الحرجة يتم ترقيم وتسمية. هذا النظام هو مخصص لSNS ترسب ويجلس في المجموعة Buonassisi في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ويتكون النظام من غرفة العمليات وتأمين الحمولة. وعادة ما يتم الاحتفاظ غرفة عملية في ظل ظروف فراغ عالية (1 × 10 -8 عربة) ويشمل مرحلة الركيزة المغلقة معتناوب عينة والتسخين الإشعاعي، وخلية انصباب المغلقة للتبخر المصدر. قامت الدائرة أيضا جهاز قابل للطي الكوارتز الكريستال (QCM) تقع مباشرة تحت لوحة الركيزة لقياس معدل النمو، والبيرومتر لقياس درجة الحرارة الركيزة. يستخدم شراؤها تجاريا مسحوق SNS للالسلائف، مع الحرارية ما قبل المعالجة الموصوفة سابقا. 9 يحمل لوحة الركيزة الركيزة واحدة كبيرة الجهاز (1 × 1 في 2) واحد أصغر الركيزة (1 × 1/3 في 2) الذي هو تستخدم لقياس الفيلم SNS. المسافة من الركيزة لفتحة المصدر هو 10 سم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 4. نمط معدنة والعينة صورة. & # 160؛ الرسم على اليسار يظهر نمط معدنة عن 0.25 سم 2 الأجهزة. لوضوح يرد البصمة TCO على جهاز واحد فقط. أظهرت أيضا هي موقع أكبر لوحة TCO التي يتم استخدامها لقياس انعكاسية البصرية. الصورة على اليمين يظهر عينة حقيقية مع SNS نمت TE. المنطقة خدش في الجهة اليسرى توفر اتصال لطبقة مو الأساسية للاختبار. صورة: KJ انغ الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5. اختبار الجهاز مع بطاقة التحقيق. وتظهر هذه الصورة من أعلى إلى أسفل عينة التي شنت على تشاك محطة اختبار مع أجهزة متعددة في وقت واحد اتصلت مع بطاقة التحقيق المخصصة. نصف فقط من عينة مرئيا في هذه الصورة.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 6. J - اختبارات V للأجهزة على اثنين مختلفة "الأساس" عينات TE. من أجل الوضوح، يتم رسم جميع الأجهزة 12 على عينة معينة في نفس اللون (الرمادي أو الأحمر). تآمر أيضا هي تمثيلية J - المغلفات V (متوسط ± الخطأ المعياري) لجميع الأجهزة على كل عينة، كما هو موضح في النص. أجريت هذه القياسات من دون ضوء فتحة-تحديد المجال. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 8. S eries والمقاومة تحويلة المؤامرات متعدد المتغيرات لمدة الأساس TE العينات. الأجهزة الممثلة هي نفسها التي أعلن عنها في الأرقام 6-7. سلسلة (R) و تحويلة تحسب (R SH) المقاومة كما هو موضح في النص. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 9. الاختبارات JV والمعلمات اختبار خط الأساس عينة واحدة محددة المدة. (أعلى) منحنيات JV تظهر ذروة الأداء الجيد، ولكن بعض الأجهزة تعاني بشكل واضح من انخفاض المقاومة تحويلة. (القاع) المعلمات اختبار تبين وجود علاقة قوية بين الكفاءة وFF، بما يتفق مع خسائر المقاومة تحويلة. وقد أجريت هذه القياسات من دون ضوء فتحة-تحديد المنطقة..jove.com / ملفات / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 10. نتائج شهادة للأجهزة ALD- وTE نمت. شهادة يؤديها فريق توصيف الأداء PV في المختبر الوطني للطاقة المتجددة، الولايات المتحدة الأمريكية. (يسار) وسجل شهادة ALD هو 4.36٪، كما ورد في Sinsermsuksakul وآخرون. 10 (يمين) سجل TE مصدقة هو 3.88٪، كما ورد في شتاينمان وآخرون. 9 الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 11. منذ زمن طويل ستابيليتي من الخلايا الشمسية SNS J - اختبارات V العينات التي تم قياسها مرارا وتكرارا على مدى ما يقرب من عام، في حين يجري تخزينها في الهواء والتعرض للضوء المحيط دون التغليف. لكل لوحة تظهر منحنيات السوداء القياس الأولي، تبين المنحنيات الحمراء قياس النهائي، وانطلق تظهر المنحنيات. خطوط رقيقة تظهر أفضل جهاز لكل اختبار، ومنحنيات السميكة تمثيلية J - المغلفات V (متوسط ± الخطأ المعياري) لجميع الأجهزة على كل عينة كما هو موضح في النص. إظهار كل اللوحات أربع عينات نمت TE-التي تم معالجتها كما هو موضح في هذه المخطوطة باستثناء الفروق التالية: (أ) لا H 2 S خطوة الصلب. (ب) أرق طبقة امتصاص، 650 نانومتر سميكة؛ لم H 2 S خطوة الصلب. التعرض للهواء يؤديها على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. (ج) أرق طبقة امتصاص، 650 نانومتر سميكة. لم H 2 S خطوة الصلب. طبقة عازلة ثإيث المحتوى العالي من الكبريت والنيتروجين لا المنشطات. (د) Antireflection طلاء أودعت على قمة كومة الجهاز. كان الوقت بين القياسات 50 أسبوعا و 48 أسبوعا و 48 أسبوعا، و 28 أسبوعا لوحات أ، ب، ج، د، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 12. التصور المكاني عدم تماثله عبر عينتين TE خط الأساس. النتائج هي نفسها كما ورد في الشكل 6-8. هناك 11 الأجهزة على كل عينة، ولكل الجهاز ونا مميزا وفقا للكفاءة قياسها. في خارطة الألوان هي نفسها للعينات. ويشير الأسود والأبيض الفقس إما أن الجهاز كان لا يقاس، أو لم يكن الجهاز الحالي (كما زاوية واحدة من كل عينة).
الرقم 13. يتضح مثلا من اختبار الفرضيات في وجود سبب التباين المشترك. الشخصيات الخيالية انجيلا وNESSI أخذ عينات بشكل منفصل الفرضية القائلة بأن عملية B تسفر عن الخلايا الشمسية كفاءة أعلى من عملية A. أنجيلا له سيطرة عملية الجودة ولكن بكفاءة أقل قليلا من خط الأساس NESSI. (A، D، G) التوزيعات الاحتمالية الحقيقية لانجيلا وللNESSI النتائج. (B، E، H) القياسات الفردية. (C، F، I) توزيعات قياس. مع عينات فقط 6، يمكن أنجيلا رفض فرضية العدم ولكن NESSI لا يمكن. انظر النص لوصف الكامل. الرجاء انقر هنا لعرضنسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
تنظيف اختيار الركيزة
وتستخدم رقائق سي أكسدة بمثابة ركائز. ركائز هي الدعم الميكانيكي للخلايا الشمسية الناتجة عن ذلك، وخواصها الكهربائية ليست مهمة. ويفضل رقائق سي على الزجاج لرقائق سي شراؤها تجاريا وعادة ما تكون أنظف من رقائق الزجاج شراؤها تجاريا، وهذا يوفر الوقت في تنظيف الركيزة. سي ركائز دينا أيضا الموصلية الحرارية أعلى من الزجاج، الأمر الذي يؤدي إلى أكثر التدفئة خلال النمو والصلب. مع رقائق الزجاج شراؤها تجاريا تبين أنه كان من الضروري تنظيف ركائز مع المنظفات، بما في ذلك فرك اليدوي مع أصابع القفاز يتبعه حمام بالموجات فوق الصوتية الحارة، من أجل إزالة كل آثار واضحة للتلوث، وحتى لم يكن ثم يمكن نظافة الركيزة تكون مضمونة. وأكد تجريبيا أن اختيار الزجاج أو ركائز سي ليس له أي تأثير على أداء الجهاز. Howevإيه، وقد أجريت هذه المقارنة مع كانت الأجهزة في 2٪ ل- مجموعة فعالة 3٪، وسوف المقارنات المتكررة تكون جديرة بالاهتمام كما يحسن كفاءة خط الأساس.
وعادة ما يتم تنظيف 10 أو أكثر ركائز في وقت واحد باستخدام مصممة خصيصا الناقل الكوارتز الرقاقة. هذا يعطي نتائج أكثر دقة من التعامل مع رقائق بشكل فردي مع ملاقط.
مو الاخرق
تقرر إيداع مو العودة الاتصال (الكاثود) في المنزل بدلا من شراء مو المغلفة ركائز بعد أن تم الحصول على نتائج مخيبة للآمال مع ركائز المتاحة من عدة بائعين مختلفين. مع ركائز المشتراة (باءت بالفشل مو على الزجاج) ووجهت مشاكل النظافة والتبطين، أو كليهما. يترسب الفيلم مو من قبل DC المغناطيسية الاخرق في طبقتين، واحدة للالتصاق إلى الركيزة سي / شافي 2 واحد لالموصلية عالية، وفقا للنتائج التي نشرت من قبله ر سكوفيلد آل 13
أفلام مو النموذجية هي 720 نانومتر سميكة مع ورقة المقاومة ما يقرب من 1 Ω / متر مربع. يتم قياس المقاومة ورقة على ركيزة الأضاحي باستخدام نظام التحقيق أربع نقاط بعد كل تشغيل نمو مو. بالإضافة إلى ذلك، يتم اختبار التصاق إلى الركيزة باستخدام شفرة المشرط. يمكن الافلام الالتزام جيدا تحمل الخدش باليد مع مشرط في ضغط معتدل دون اجتثاث الترقق. والأفلام الالتزام سيئة اجتثاث صفح مع ضغط طفيف فقط. لوحظ أن خطوة التنظيف الركيزة البلازما قصيرة في غرفة الاخرق قبل النمو مو مهم للحصول على التصاق جيدة. المعلمات النموذجية لهذه الخطوة التنظيف هي 20 mTorr AR، 20 W RF، و 60 ثانية.
نمو SNS عن طريق التبخر الحراري
يبخر SNS من مسحوق المصدر باستخدام خلية انصباب درجات الحرارة المنخفضة التي تم شراؤها تجاريا مع بالتحلل الحراري بوتقة نيتريد البورون مع voluلي 32 سم 3. عندما يتم تحميل أول المصدر وهو مسحوق ناعم والرمادي الداكن اللون. وعادة ما يتم تحميل 3 4 غرام من مسحوق. مع مسحوق مصدر جديد، ودرجة الحرارة مصدر ما يقرب من 540 ° C من أجل الحفاظ على معدل نمو 1 Å / ثانية على ركيزة تسخينها إلى 240 درجة مئوية. مع عدد متزايد من يدير النمو، يجب زيادة درجة حرارة المصدر إلى الحفاظ على معدل نمو ثابت. عندما تصل درجة الحرارة الى مصدر المطلوبة 610 ° C يتم تبادل المسحوق.
ترتبط ارتباطا وثيقا لدرجة حرارة المصدر هو مسألة رقائق SNS. عند زيادة معدل النمو إلى أكثر من 10 A / ثانية، رقائق SNS كبيرة يمكن ملاحظتها في الفيلم المتنامية. ومن غير المعروف ما إذا كانت هذه تنبع من المصدر الرئيسي، أو من مصادر ثانوية مثل الكفن خلية انصباب أو مصراع المصدر.
واحد الملاحظة الجديرة بالملاحظة هو أنه عندما يتم استنفاد دفعة من مسحوق المصدر أنه يترك وراءه البيضاء، بقايا مساميةفي الجزء السفلي من بوتقة. حيود الأشعة السينية يؤكد أن هذا هو سنو 2. وزن هذه البقايا هي عادة 0.01 غرام.
نمو SNS بواسطة ALD
معلمة حاسمة في هذه العملية هي ضغط الغاز الناقل النيتروجين الذي يتدفق إلى القصدير (AMD) 2 السلائف. يتم الحفاظ على ضغط قرب 250 عربة، ولكن قد تختلف قليلا من وقت لآخر. وبالنظر إلى أن نسبة حجم القصدير (AMD) 2 السلائف الفوار وفخ الغاز N 2 هي 5: 1، والضغط داخل الفوار حوالي 50 عربة. إذا أصبحت هذه القيمة كبيرة جدا، وتبخر القصدير السلائف سيتم قمعها بشكل ملحوظ. من ناحية أخرى، إذا كان الضغط داخل الفوار صغير جدا، لن يكون هناك انخفاض ضغط كاف بين الفوار وفرن رد فعل (التي لديها ضغط ~ 10 عربة) لتمكين تدفق الغاز على نحو سلس. أي من هذه السيناريوهات سيؤدي إلى عدم كفاية السلائف القصدير في ALرد فعل D. مؤشرا على هذه المشكلة هو أن سمك الفيلم بالقرب من مخرج الفرن رد فعل هو أرق من ذلك بكثير بالقرب من مدخل. خلال كل الترسيب، ويتم مراقبة الضغط داخل مفاعل للتأكد من أن ضغوط نظام الجلوس في النطاق الصحيح.
لضمان توزيع الحرارة موحدة داخل منطقة التفاعل، يتم تغليف مدخل ومخرج الساخنة الجدار ترسب أنبوب مع الأشرطة التدفئة. تحت الأشرطة التدفئة، يتم إدراج زوج من المزدوجات الحرارية لقياس درجة الحرارة. وهناك توزيع درجة الحرارة غير موحدة داخل منطقة تفاعل يؤدي إلى مختلف الأشكال التضاريسية فيلم SNS في مناطق مختلفة. في ارتفاع درجة حرارة الترسيب، والأفلام تميل إلى أن تكون عورة ويكون لها لون أخف وزنا. في انخفاض درجة حرارة أقل من 200 درجة مئوية، والأفلام لديها انعكاسية العالي، ويمكن فحصها بالعين.
SNS الصلب في H 2 S أنبوب الفرن </ P>
الغرض من خطوة الصلب هو تحسين التشكل، التبلور، والخواص الكهربائية للأفلام SNS. للحصول على الخلايا الشمسية نمت TE-، يتم تنفيذ الخطوة الصلب في فرن أنبوب مخصص. هذا 2 "قطر أنبوب الكوارتز الفرن قادر على تدفق خليط من 4٪ H 2 S (ميزان N 2)، 4٪ H 2 (ميزان N 2)، نقية N 2 ونقية عار. يتم التحكم في درجات الحرارة من قبل عناصر التدفئة نيتشروم الخارجية ومراقبتها باستخدام الحرارية المغطى الكوارتز التي تقع في المنطقة الساخنة. تم اجلاء الغاز باستخدام مضخة النفط مملوء بزيت خامل. تصنع الاختام باستخدام H 2 S اللدائن المقاومة. ضغط قاعدة النموذجي هو 8 20 mTorr.
درجة الحرارة الصلب 400 ° C هي تحقيق توازن بين النمو الحبوب الثانوي وفيلم إعادة التبخر. من حيث المبدأ، وارتفاع درجة الحرارة الصلب قد يكون مفيدا لأداء الجهاز، ويمكن أن يتحقق من دون علمي كبيرفقدان LM باستخدام ارتفاع ضغط الفرن. هذا هو موضوع التحقيق النشط.
SNS التخميل السطح مع أكسيد الأصلي
الغرض من الخطوة التخميل هو الحد من كثافة الحالات فخ الإلكترونية في مفترق طرق بين امتصاص والطبقات العازلة، وتكون بمثابة حاجز لمنع انتشار الاختلاط غير المرغوب فيها من العناصر المكونة للامتصاص وعازلة طبقات. 14 لديها لوحظ أن العينات المصنعة مع هذه الخطوة الأكسدة لديها أعلى القيم V OC من عينات معالجتها دون.
في هذا الوقت، فإن الخطوة الأكسدة لم يتم دراستها على نطاق واسع، وربما لا الأمثل. باستخدام الأشعة السينية النتائج الضوئية الطيفي (لا يظهر) تشير التقديرات إلى أن أكسيد يجب أن تكون أقل من 1 نانومتر سميكة على الأداء الجيد وتجنب عرقلة الحالي.
ترسب conduc شفافأكسيد تينغ (TCO)، وأكسيد القصدير الإنديوم (ITO)
قبل هذه الرعاية نقطة يتم اتخاذها للسيطرة على التعرض الهواء الكلي للعينات في كل خطوة. ومع ذلك، وبعد طبقة عازلة ترسب التعرض الهواء لم يعد يقتصر ويتم تخزين العينات ونقلها في الهواء المحيط.
قبل هذه النقطة، كانت كل ترسبات أفلام "بطانية"، التي تغطي الركيزة بأكملها. من هذه النقطة على ترسبات ونمط لتحديد الأجهزة الفردية. لكل من ايتو ومعدنة الخطوات يتم تحديد ترسبات باستخدام أقنعة الظل المعادن قطع الليزر. لترسب ايتو من المهم جدا أن مساحة لوحة المودعة يعرف بشكل حاد من قبل قناع الظل. إذا لم يتم تحديد المنطقة بشكل حاد، على سبيل المثال بسبب الثناء من القناع في اليجنر قناع، ثم منطقة نشطة من الأجهزة الناتج قد يكون أكبر بكثير من حجم الاسمي من 0.25 سم 2. هذا يمكن أن يؤدي إلى الخطأ الإفراط في الريبوrting من الكثافة الحالية.
التأيض
تم تصميم نمط معدنة لتمكين بقعة الإضاءة من نوعية أداة قياس الكفاءة في الانخفاض بشكل كامل على ITO دون تداخل مع المعدن. هذه النتائج القيد في 2 أصابع مفصولة 1.5 ملم، كل 7 مم طويل، ولوح التلامس 1 × 1 مم 2، انظر الشكل (4). وهذا النمط هو أقل من المستوى الأمثل من وجهة نظر الجهاز الأداء. ومن شأن النمط الأمثل لأداء الجهاز استخدام المزيد من الأصابع مع تباعد أصغر.
وقد استخدم حج للخلايا المزروعة TE-واستخدمت ني / شركة للخلايا المزروعة ALD. هذا التقسيم هو تاريخي وليس قائما على نتائج تجريبية. فمن الممكن أن ني / آل يوفر مقاومة فائقة للتآكل في أوقات التخزين الطويلة. في الواقع، فقد لوحظ أن الاتصالات حج لديهم ميل إلى تآكل أثناء التخزين الموسعة في الهواء (لأمثلجنيه، أطول من سنة).
توصيف الجهاز
وتتميز أجهزة الانتهاء من استخدام الجهد الحالي ("J - V") القياسات التي تم جمعها وكفاءة الكم الخارجية (EQE) القياسات التي تم جمعها مع وبدون الضوء الأبيض والجهد التحيز. تم قياسها حتى تاريخه الخلايا الشمسية عن طريق الاتصال الأجهزة الفردية واحد على واحد في الوقت، وذلك باستخدام micromanipulators التحقيق في تكوين محطة التحقيق نموذجي. كانت أنظمة محاكاة وEQE الشمسية منقطعة جسديا، وبالتالي فإن عينة بحاجة إلى إعادة اتصلت-لكل قياس. ونتيجة لذلك، سوف يستغرق حوالي 4-5 ساعة لقياس J - V وEQE على جميع الأجهزة 11.
والإنتاجية العالية محطة اختبار المتكاملة التي تجمع بين J - V وEQE باستخدام عينة ظرف واحد وبطاقة التحقيق ان الاتصالات كافة الأجهزة في وقت واحد تم تثبيته مؤخرا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، انظر الشكللدى عودتهم 5. يتم التحكم في التوصيلات الكهربائية التي معدد للبرمجة، والآلية المرحلة XY تشاك جهاز الكمبيوتر التي تسيطر عليها. في هذه الطريقة، J - V والقياسات EQE لا يمكن أن يؤديها بشكل تسلسلي على كافة الأجهزة 11 في أقل من 1 ساعة.
لجهاز الروتيني اختبار ضوء فتحة-تحديد منطقة لا يستخدم. وبالتالي قد يكون منطقة الجهاز النشطة تحت المقدرة، مما أدى إلى زيادة تقديرات الكثافة الحالية. ومع ذلك يتم استخدام فتحة من قبل مختبرات التصديق، مما أدى إلى انخفاض الكفاءة (أرقام CF 7 و 9 و 10) في كثير من الأحيان. باستخدام ضوء فتحة-تحديد المجال هو دائما مرغوب فيه، ولكن لاختبار روتيني أنها غالبا ما تهمل بسبب مخاوف العملية مثل لتقليل الاحتكاك الجسدي مع الجزء العلوي من العينة. خطأ منهجي بسبب نقص تقدير مساحة الجهاز النشطة يمكن تخفيفها عن طريق استخدام جهاز مناطق أوسع. للعمل الموصوفة هنا، صغيرة نسبيا (0.25 سم 2) وقد تم اختيار حجم بما يتناسب مع التطور التكنولوجي مرحلة مبكرة (في مراحل سابقة للجهاز حتى أقل من 0.03 سم 2 مع عدم وجود معدنة كانت تستخدم). الآن أن الأجهزة هي في حدود 4٪ كفاءة وهي قابلة للتكرار، فإنه يستحق زيادة في حجم 1 سم 2 أو أكثر.
بالإضافة إلى تقنيات توصيف القياسية المذكورة أعلاه، على عينات مناسبة وأيضا اختبار باستخدام التقنيات بما في ذلك تعتمد على درجة الحرارة J - V، V Suns- OC، والتنميط السعة الجهد، وقفل في الحراري. وتستخدم هذه التقنيات لفهم وتحديد آليات خسارة محددة مثل واجهة التوحد وفقدان سلسلة المقاومة.
أهمية البروتوكولات تصنيع جهاز مشاركة
في منشورات على غير العضوية رقيقة PV فيلم نتائج اختبارات جهاز أبدا (مع خبرة) يرافقه الصورةufficient تفاصيل التجريبية لإعادة إنتاج التجربة. هذا الوضع يؤدي إلى الإحباط لا لزوم لها بين الباحثين الأفراد، ويعيق التقدم في مجال كله. هذا الوضع يجعل من الصعب المقارنة بين الإجراءات الموضحة في هذه الوثيقة لتلك المستخدمة من قبل مجموعات بحثية أخرى. تم تطوير التقنيات الموضحة في هذه المخطوطة مع المعونة من العديد من المحادثات مع باحثين في PV رقيقة (وخصوصا في الولايات المتحدة)، والكثير من التجربة والخطأ. ويأمل الباحثون أن هذا العمل يساعد الآخرين تجنب الإحباط لا لزوم لها، ويشكل سابقة للحصول على تفاصيل التقارير من الطرق التجريبية في رقيقة PV الفيلم.
التطبيقات المستقبلية للبروتوكول وصفها
يتم استخدام بروتوكول الموصوفة هنا إلى إنشاء "خط الأساس" SNS الخلايا الشمسية. أهم ميزة لبروتوكول تلفيق الأساسي هو التكرار؛ عدد الكفاءة المطلق هو أقل أهمية. أنان خبرة المؤلفين، التكرار هو السمة الأساسية التي ستمكن الأبحاث الجارية لتحسين الكفاءة، مثل تحسين التخميل السطح أو تقليل كثافة عيب السائبة. بدون بروتوكول الأساس للتكرار فإنه من الصعب للغاية أن نحكم على آثار التغييرات على بروتوكول تلفيق. يوصف هذا تماما في الجزء التالي على اختبار الفرضيات.
وصف العمل الجاري والمستقبلي على الخلايا الشمسية SNS والاستفادة من بروتوكول الأساس هنا لتحسين الخطوات تلفيق الفردية بهدف زيادة كفاءة الجهاز. ذات أهمية خاصة هي S الصلب H 2 و سطح الخطوات التخميل، لأن هذه تؤثر بشكل مباشر على كثافة خلل في الجزء الأكبر من امتصاص وفي ع - ن تقاطع.
تمكن الفرق بيانات اختبار الفرضيات
في حقل يؤله الكفاءة بطل، فمن المغري إلى أكثر منتبدو الفرقة - و> 99٪ من أجهزة (غير بطل) - والمعلومات المفيدة التي يقدمها. هذا القسم يحفز تحليل البيانات الفرقة، ويعرض النهج السطحية لتصور واستخراج معلومات مفيدة من البيانات الفرقة. ويفترض أن القارئ لديه فهم يعملون الإحصاءات التجريبية (اختبار الفرضيات)، وغير مريحة احتساب توزيع جاوس والانحراف المعياري والخطأ المعياري، وفترات الثقة 95٪ لمجموعة بيانات معينة.
ببساطة، وتحليل البيانات الفرقة هو دراسة التباين، والتي عندما خفضت، وتمكن أفضل اختبار الفرضيات. تقلباته، وبالعامية "الضوضاء" يعتم على "إشارة" خلال عملية الهندسة يحركها فرضية والبحث العلمي. كما يزيد من الضوضاء، ويتم تقديم المزيد من التجارب غير حاسمة. تجارب حاسمة هي مضيعة للوقت والموارد، والتفاؤل. يمكن للبيانات الفرقة تساعد في الحد من التقلبات بطريقتين:
لأول مرة، وتكشف البيانات فرقة عملية غير الإتساق في المكان والزمان. هذا النوع من التغير هو منهجي (على سبيل المثال، والناجمة عن temperature- أو تدفق معدل التدرجات داخل الأغشية الرقيقة ترسب غرفة معينة)، مما أسفر عن نمط واضح حلها مكانيا من تباين الأداء، ومن أمثلته الشكل 12. إن التباين المكاني أو الزماني يجسد "بصمة" للخطوة عملية المخالف. في الوضع الطبيعي عينات القياس والتحكم يمكن أن تساعد في تحديد واستكشاف مصادر تقلب عملية منهجية.
ثانيا، تكشف البيانات فرقة "حظا من بين التعادل" أو "قضية مشتركة" التباين، أي التباين الإحصائي الذي يؤثر على جميع عناصر الفرقة على حد سواء. هذا التباين هو أكثر صعوبة لاستكشاف، لأنه هو نتيجة الإجمالية لعدة خطوات المعالجة إلى جانب. إن أفضل طريقة مشترك الأسباب التباين أن يكون الحد الأدنى عن طريق فرض ضوابط صارمة عمليةوإجراءات التشغيل القياسية في كل خطوة - من المسلم به أن اقتراح تحديا في التغير السريع والبيئة الأكاديمية يعمل بالحد الأدنى. ومع ذلك، يوضح التمرين التالي لماذا الحد الأسباب شيوعا التباين أمر ضروري.
تأثير الأسباب شيوعا التباين إيراد أمثلة: A، المنافسة العلمية الخيالية الودية بين الدكتور الدقيق والدكتور ملخبط: أنجيلا وNESSI هي باحثون من معملين مختلفين. إذا كانوا يشاركون في مسابقة علمية ودية لاختبار الفرضية القائلة بأن عملية B يولد الأجهزة أفضل من عملية A. الأساسي مقبولة تماما كلا الباحثين توظيف الإجراءات المعتمدة فرضية الاختبار، الذي يفترض أن الأسباب شيوعا تباين النتائج في توزيعات كفاءة جاوس ( وتشمل المزيد من الوظائف توزيع إحصائية تمثيلية تسجيل المعتاد للتوزيعات دون القيم المتطرفة، وأكثر قوة إحصائية السجل-كوشي-Lorenzian للتوزيعات مع س قويutliers).
ومن المعروف أنجيلا لزملائها ب "الدكتور دقيق. "وقالت إنها تسعى للحد من تقلب العملية. أنجيلا لا تشارك beakerware لها مع الآخرين، ويعمل دائرة الروتين تكييف قبل قبل ترسيب الأغشية الرقيقة، يتضمن عينات التحكم مع كل تشغيل تلفيق، ويفضل ركائز السيليكون IC-الصف مع السطوح أكسيد الحرارية بدلا من الواجهات الزجاجية أكثر تنوعا. انها تنتج خط الأساس (العملية) الأجهزة مع "صحيح" (أي، الفعلية) يعني كفاءة 10٪ والانحراف المعيار الحقيقي (σ صحيح) من 0.5٪. تصنيع الجهاز والقياسات وقتا طويلا، وأنها قادرة على اختلاق وقياس ستة أجهزة (N = 6) في العملية فقط.
في مختبر آخر، NESSI من الصعب في العمل. لزملائها، ومن المعروف NESSI باسم "الدكتور وتقع الفوضى ". وقالت تلفيق والمقاييس أدوات في منشأة الاستخدام المشترك. عندما حان دورهالاستخدامها، وقالت انها لا تتخذ الاحتياطات اللازمة لضمان المنخفض سبب شائع التباين. ولكن بسبب ارتباك لها، ولها الانحراف المعياري الحقيقي هو 1.5٪ المطلقة (3 × أكبر من أنجيلا). هذا أعلى σ صحيح يعكس الظروف التجريبية تسيطر عليها بشكل جيد أقل. ومع ذلك، لأن NESSI يستخدم مواد اللقيم أعلى نقاء، ولها عملية خط الأساس ويحقق المتوسط الحقيقي لل10،6٪. NESSI بتصنيع والتدابير N = 6 أجهزة في العملية.
دعونا نفترض أن عملية B يحسن كفاءة جهاز "حقيقية" بنسبة 10٪ مقارنة (أي 10٪ يحسن إلى 11٪؛ 10.6٪ يحسن إلى 11.7٪). كلا أنجيلا وNESSI تطبيق نظرية النهاية المركزية إلى N = 6 الأجهزة التي كل تلفيق، كما هو مبين في الشكل 13 لاحظ أنه يتم إخفاء توزيعات "الحقيقية" (أرقام 13A، D، G) للباحثين؛ إلا أنها مراقبة البيانات الخاصة بهم التجريبية (الشكلالصورة 13B، E، H) وما ينجم عنها من جاوس تناسبها، الأخطاء المعيارية، وفترات الثقة (أرقام 1C، F، I).
من جهة، وتشديد الرقابة أنجيلا عملية (تقلب أقل، أصغر σ صحيح) تسمح لها رفض فرضية العدم، وخلصت بثقة> 95٪ أن عملية B متفوقة على العملية (الشكل 13C). من ناحية أخرى، NESSI، الذي لديه أعلى σ صحيح، لا يمكن أن نستنتج أن عملية B هو أفضل من العملية (الشكل 13F) مع N = 6. على الرغم من NESSI هو محظوظ لجعل الجهازين مع الكفاءة التي هي أعلى من أي من أنجيلا (أرقام 13B، E)، أنجيلا هو الفوز في السباق لنشر ورقة علمية من شأنها أن تحدث ثورة في الطريقة التي يفكر حقلها حول عملية B.
NESSI تدرك أنها بحاجة إلى زيادة فترات ثقتها، الأمر الذي يتطلب لها للحد منهاخطأ القياس المعياري (SE)، أي،
. [1]
NESSI يمكن متابعة أحد النهجين لمباراة أنجيلا 3 × أصغر SE: NESSI يمكن أن تقلل لها التباين الحقيقي (σ س) بمعامل 3 أو زيادة N بمعامل 3 2 = 9. NESSI المكاسب الوصول إلى عالية سرعة جهاز قياس الجهاز، وزيادة N بنسبة 9 ×. هذا التحسن يعوض لها 3 × أكبر تقلب العملية، وأنها قادرة على الكشف عن فروق ذات دلالة إحصائية بين العمليات A و B، ورفض فرضية العدم مع> 95٪ اليقين (الشكل 13I). هي مرة أخرى في سباق للنشر.
الكفاءات الأساسية العليا تزيد من احتمالات نجاح اختبار الفرضيات: التركيز على معادلة SE (المعادلة 1)، فإنه يمكن أن ينظر إليهاكيف زيادة أداء خط الأساس يزيد من احتمالات نجاح اختبار الفرضيات. إذا اختبرت عملية السالف الذكر B على 5٪ جهاز الأساس فعالة من حيث بدلا من 10٪، فإن تحسين كفاءة المطلق يكون فقط 0.5٪ بدلا من 1٪. على افتراض σ س لم يتغير، والحد الأدنى لعدد العينات المطلوبة لرفض فرضية العدم زيادات بنسبة 4 ×. وهكذا، وتحسين أداء الجهاز الأساسي له نفس التأثير الرياضي عن الحد σ، مثلا، بسبب تحسن 1 إلى 1 في فترات الثقة.
كلمة أخيرة: الحد الخطأ المعياري هو ضروري للحد من مخاطر الاختبارات الفرضية غير حاسمة. يمكن تقليل الخطأ المعياري من خلال خفض الأسباب شيوعا التباين، واضح في س σ، مما يؤدي إلى انخفاض 1 إلى 1 في SE. تحسين أداء خط الأساس له أثر مماثل. يمكن للمرء أيضا زيادة حجم العينة N، ولكن هذا لن يكون ضعيفتأثير إيه على SE بسبب الجذر التربيعي (يزيد أيضا زيادة N خطر الاختلاف المنهجي).
يتم قبول أهمية تطبيق الإحصائيات التجريبية على نطاق واسع في علم الأحياء والفيزياء (لجان الإحصاء CF مكانة التجارب الطاقة في ارتفاع جميع). 15 ولتحسين نوعية الإبلاغ عن البيانات في PV، فمن المستحسن أن الباحثين الالتفات إلى 99٪ من الأجهزة التي افتعال، واعتماد اختبار الفرضيات مع الفرق البيانات.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
فإن الكتاب أود أن أشكر بول Ciszek وكيث ايمري من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (طاقة) لقياسات JV المعتمدة، ورايلي برانت (MIT) لقياس الطيفي الضوئية، وجيف كوتر (ASU) للإلهام للقسم اختبار الفرضيات. ويؤيد هذا العمل من قبل وزارة الطاقة في الولايات المتحدة من خلال مبادرة SunShot بموجب عقد DE-EE0005329، وروبرت بوش LLC خلال شبكة بحوث الطاقة بوش تحت منحة 02.20.MC11. V. شتاينمان، R. خاراميو، وK. هارتمان نعترف دعم، مؤسسة الكسندر فون همبولت، على جائزة أبحاث ما بعد الدكتوراه وزارة الطاقة EERE، وإنتل دكتوراه زمالة، على التوالي. هذا الاستخدام العمل مصنوعة من مركز نظم النانو في جامعة هارفارد وهو معتمد من قبل مؤسسة العلوم الوطنية في إطار جائزة ECS-0335765.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Quartz wafer carrier | AM Quartz, Gainesville, TX | bespoke design | |
| Sputtering system | PVD Products | High vacuum sputtering system with load lock | |
| 4% H2S in N2 | Airgas Inc. | X02NI96C33A5626 | |
| 99.5% H2S | Matheson Trigas | G1540250 | |
| SnS powder | Sigma Aldrich | 741000-5G | |
| Effusion cell | Veeco | 35-LT | Low temperature, single filament effusion cell |
| diethylzinc (Zn(C2H5)2) | Strem Chemicals | 93-3030 | |
| Laser cutter | Electrox | Scorpian G2 | Used for ITO shadow masks |
| ITO sputtering target (In2O3/SnO2 90/10 wt.%, 99.99% pure) | Kurt J. Lesker | EJTITOX402A4 | |
| Metallization shadow masks | MicroConnex | bespoke design | |
| Electron Beam Evaporator | Denton | High vacuum metals evaporator with load-lock | |
| AM1.5 solar simulator | Newport Oriel | 91194 | 1,300 W Xe-lamp using an AM1.5G filter |
| Spectrophotometer | Perkin Elmer | Lambda 950 UV-Vis-NIR | 150 mm Spectralon-coated integrating sphere |
| Calibrated Si solar cell | PV Measurements | BK-7 window glass | |
| Double probe tips | Accuprobe | K1C8C1F | |
| Souce-meter | Keithley | 2400 | |
| Quantum efficiency measurement system | PV Measurements | QEX7 | |
| Calibrated Si photodiode | PV Measurements | ||
| High-throughput solar cell test station | PV Measurements | bespoke design | |
| Inert pump oil | DuPont | Krytox | PFPE oil, grade 1514; vendor: Eastern Scientific |
| H2S resistant elastomer o-rings | DuPont | Kalrez | compound 7075; vendor: Marco Rubber |
| H2S resistant elastomer o-rings | Marco Rubber | Markez | compound Z1028 |
| H2S resistant elastomer o-rings | Seals Eastern, Inc. | Aflas | vendor: Marco Rubber |
References
- 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).
- Bloomberg New Energy Finance University 2013 - renewable energy, CCS, EST. , Available from: http://about.bnef.com/presentations/bnef-university-renewable-energy-ccs-est/ (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).
- Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501 (2003).
- Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).
- Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).
- Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
- Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).
