Abstract
주석 설파이드 (SNS)는 지구 풍부한 무독성 태양 전지 후보 흡수 재료이다. SNS 쉽게 위상 제어와 일치하는 열 증발에 의한 급속한 성장을 제공하며, 가시광을 강하게 흡수한다. 그러나, 장시간 SNS 태양 전지의 기록 전력 변환 효율은 2 % 이하로 유지되었다. 최근 우리는 원자 층 증착에 의해 증착 SNS 4.36 %를 사용하여 새로운 인증 레코드 효율성을 입증하고, 3.88 %의 열 증발을 이용하여. 여기서이 레코드 태양 전지의 제조 과정을 설명하고, 제조 공정의 통계적 분포가보고된다. 단일 기판상에서 측정 효율의 표준 편차는 일반적으로 0.5 % 이상이다. 기판의 선택 및 클리닝을 포함한 모든 단계를, MO 설명한다 후방 접촉 (음극), SNS 증착, 열처리, 표면 패시베이션, 아연 (O, S) 버퍼층의 선택 및 증착, 투명도 전막 (양극) 증착하고, 금속 증 스퍼터링. 각각의 기판에 우리는 활성 영역 0.25 cm 2 (11) 개별 장치, 각각 제작. 또한, 모의 태양 광 하에서 전류 - 전압 곡선의 높은 처리량 측정 및 가변 광 바이어스와 외부 양자 효율 측정을위한 시스템이 설명된다. 이 시스템을 우리는 자동화 된 방식으로 최소의 시간에 11 개 장치에 대한 전체 데이터 세트를 측정 할 수 있습니다. 이러한 결과는 많은 샘플 세트를 연구보다는 높은 성능 장치에 좁게 초점 값을 나타낸다. 대형 데이터 세트를 구별하고 우리의 장치에 영향을 미치는 개별 손실 메커니즘을 해결하는 데 도움이.
Introduction
박막 태양 전지 (PV)의 관심과 의미있는 연구 활동을 유치하는 것을 계속한다. 그러나, 태양 광 발전 시장의 경제가 빠르게 변화하고 상업적으로 성공 박막 태양 광을 개발하고보다 도전적인 전망되고있다. 동등한 웨이퍼 기반 기술을 통해 제조 비용 이점이 더 이상 당연시 할 수 없다, 모두 효율성 및 비용 개선이 모색되어야한다. 1, 2를 우리가 흡수 재료로 SNS를 개발하기 위해 선택한이 현실에 비추어 박막 태양 광 발전. SNS는 낮은 제조 비용으로 번역 할 수있는 고유의 실용적인 장점이있다. 높은 효율을 입증 할 수 있다면, 그것은 상업 박막 태양 광 발전에서의 CdTe위한 드롭 인 (drop-in) 교체로 간주 될 수 있습니다. 여기서, 최근에보고 레코드 SNS 태양 전지 제조 과정은 설명된다. 우리는, 기판의 선택, 증착 조건, 장치 레이아웃, 및 측정 프로토콜과 같은 실용적인 측면에 초점을 맞춘다.
SNS는, 비 독성 지구 풍부하고 저렴한 요소 (주석 및 황)로 구성되어있다. SNS는 1.1 eV의의 간접 밴드 갭과 불활성 불용성 반도체 고체 (광물 이름 Herzenbergite)이며, 1.4 eV의 위의 에너지와 광자에 대한 강한 빛의 흡수 (α> 10 4cm-1) 및 캐리어 농도와 고유 P의 형 전도도 범위 10월 15일에서 10월 17일까지 cm -3 3 -. 중요한 7, SNS는 congruently 증발 및 600 ℃에서 최대 위상 안정 8,9이 SNS는 열 증발 (TE) 및 그 높이에 의해 증착 될 수 있다는 것을 의미한다. 의 CdTe 태양 전지의 제조에 사용되는 것처럼 속단 사촌 승화 폐쇄 공간 (CSS). 또한 SNS 위상 제어가 특히 구리 (에서, GA) (S, Se를) 2 (CIGS) 및 Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS)을 포함, 대부분의 박막 태양 광 발전 재료보다 훨씬 단순하다 것을 의미한다. 따라서, 셀 EFFICIENCY는 SNS 태양 광 발전의 상용화에 주요 장벽으로 의미하고, SNS는 한 번 높은 효율은 실험실 규모에서 시연되는의 CdTe위한 드롭 인 (drop-in) 교체 간주 될 수 있습니다. 그러나이 효율 장벽은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것입니다. 우리는 기록 효율 상업적인 발전을 촉진하기 위해, 4 % ~ 행에서 4 배에 의해 15 % 증가 할 것으로 예상한다. CSS에 의한 고품질의 박막 SNS의 드롭의 CdTe 교체도 필요로 성장하고, SNS 직접 성장 될 수있는 N 형의 상대 재료의 개발과 같은 SNS 개발.
다음은 두 개의 다른 증착 기법, 원자 층 증착 (ALD)과 TE를 사용하여 기록을 SNS 태양 전지를 제조하기위한 절차를 단계별로 설명한다. ALD는 느린 성장 법이지만 - 날짜 최고 효율 장치를 산출했다. TE는 빠르고 확장 성이 산업이지만, 효율 ALD를 지연. , TE 다른 SNS 증착법 이외에ALD 및 태양 전지는 소둔, 표면 보호막, 및 금속 화 단계에서 약간 다르다. 장치의 제조 단계는도 1에 열거되어있다.
절차를 설명하면, 인증 된 기록 장치 및 관련 샘플에 대한 시험 결과를 제시한다. 기록 된 결과는 이전에보고 된 바있다. 여기서 초점은 일반적인 처리 실행에 대한 결과의 분포에 있습니다.
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Protocol
1. 기판 선택 및 절단
- 구매는 두꺼운 열 산화물과 실리콘 웨이퍼를 연마. 여기에보고 된 장치의 경우, 300 nm의 두꺼운 열 산화막 500 μm의 두께 웨이퍼를 사용합니다. 기판의 선택 기준은 토론 섹션에서 설명합니다.
- 스핀 코트 일반적인 긍정적 인 포토 레지스트와 웨이퍼의 연마면 (SPR (700) 또는 PMMA A의 495) 및 소프트 베이크 (100 ℃에서 30 초).
주의 : 이것은 후속 절단 공정 동안 손상이나 오염을 방지하기 위해 보호 층이다. - 1 "× 1"(25.4 X 25.4 mm 2) 정사각형 기판에 웨이퍼를 잘라 다이 톱을 사용합니다.
2. 기판 청소
- 60 ° C - (45)에서 5 분 동안 탈 이온화 (DI) 물에 초음파 욕 뒤에 압축 질소 총을 사용하는 단계를 절단 인한 분진 및 다른 잔류 물을 제거한다.
- 초음파 BA와 포토 레지스트 층을 제거60 ° C의 - 45에서 5 분 동안 아세톤 일.
- 아세톤, 에탄올, 이소 프로필 알코올 : 60 ° C의 - 5 45 분 동안 3 이후 초음파 화장실, 모두와 함께 노출 된 기판을 청소합니다. 기판은 석영 캐리어에 남아있는 동안, 압축 된 질소 총을 건조하여 마침.
3. 모 스퍼터링
- 높은 진공 스퍼터링 시스템으로 깨끗한시 / 그런가 2 기판을로드합니다. 기판 플레이트 밖이며, 기판 회전이 활성화되어 있는지 확인합니다. 2 기울어 진 마그네트론 총을 가진 상용 시스템 "목표와 약 4의 투사 거리"에 여기에보고 장치, 처리하십시오.
- 비교적 높은 배경 압력의 Ar 등의 10 mTorr 이하에 제 층 (접착층)을 입금. 360 nm의 두께가 2.6 Å / 초의 성장 속도를 제공 180 W의 스퍼터링 전력 (DC), 및 제 1 몰리브덴 층과 여기에보고 된 디바이스 프로세스에 대한.
- 두 번째 입금비교적 낮은 배경 압력의 Ar 등의 2 mTorr 이하에서 층 (도전 층). 제 층 (180 W)와 동일한 스퍼터링 파워를 사용하고 동일한 두께로 증착.
주 : 여기에보고 장치가 제 층과 같은 360 nm 두께였다 제 몰리브덴 층을 가졌다. - Mo를 증착 한 후, SNS 증착 단계까지 진공 하에서 기판을 저장한다.
4. SNS 증착
주 : ALD 증착 기술이 서브 섹션 4.1에 설명하고, TE 증착이 서브 섹션 4.2에 기재되어있다. ALD 증착 시스템은도 2에 도시되고, TE 증착 시스템은도 3에 도시된다.
- ALD에 의해 예금 SNS
- 반응기에 넣기 전에, 유기 입자를 제거하기 위해 5 분 동안 UV 오존 클리너에 몰리브덴 기판을 넣어. 그 다음, 기판 홀더 상에 기판을 배치하고 증착 지역에 삽입.
- 노 템피 안정화증착을 시작하기 전에 200 ° C에서 rature.
- 반응 비스 (N, N '-diisopropylacetamidinato) - 주석 (II) 2의 Sn, Sn을 여기 (AMD) 라 (2 인 MeC (N -iPr)) 2]와 황화 수소 (H로부터 SNS에게 박막 성장 2 S) 4.
- 주석 (AMD) 95 ℃의 일정한 온도에서 2 전구체를 유지합니다. 증착 지역에 오븐에 용기로부터의 Sn (AMD)이 증기의 전달을 지원하기 위해 순수한 N 2 가스를 사용한다. 각 ALD주기 동안, 주석 (AMD)의 공급 세 가지 용량 1.1 토르 제의 총 노출을위한 2 전구체.
- 황 원으로서 N이 4 % H 2 S의 가스 혼합물을 사용한다. 황화수소 증기에 노출 선량 1.5 토르의 두 번째 있는지 확인합니다. H 2 S의 부분 압력 및 N 2 H 2 S의 총 압력은 각각 0.76 토르 19 토르 있는지 확인합니다.
- 설정 T주석 전구체 도즈 및 H 2 S 도즈 사이의 시간을 펌핑 고 성막 속도를 높이기 위해 (짧은 대부분의 다른 종래의 ALD 절차에 비해) 1 초 만한다.
주 : 주석 전구체가 완전히 펌핑이 짧은 시간에 의해 제거되지 않으므로 H 2 S이 도착하면, Sn을 일부 잔존 전구체가 남아있다. 따라서 프로세스는 펄스 화 된 CVD 프로세스로서 설명 될 수있다. SNS 막의 성장 속도는 0.33 Å /주기, 또는 0.04 Å / 초이다.
- (TE)에 의해 입금 SNS
- 공정 챔버 압력이 2 × 10-7 토르 이하인지 확인합니다. 로드 락을 통해 챔버로로드 기판. 하나의 클립, 또는 기판 플레이트까지 조여 적절한 크기의 포켓 사용자 정의 기판 홀더 중 하나 플레이트에 기판을 잡으십시오.
- 자신의 설정 값에 소스와 기판 히터 램프. 여기에보고 장치의 기판 온도는 240 ° C에이며 성장율은 17 / 초; 610 ° C (소스 분말 단일로드 시간과 필요한 소스 온도 상승) - 범위 (550)의 소스의 온도 설정이 성장 속도를 달성했다. 타깃 막 두께는 1000 ㎚이다.
- 전 공정 챔버 내로 QCM 아암을 움직여 SNS 성막 후, 석영 결정 모니터 (QCM)를 사용하여, 증착 속도를 측정한다. QCM 기판 성장 위치로 이동 될 수 있도록,이 측정 용 기판은 상승된다.
주 : 증착 속도는 3 시간의 증착 시간에 걸쳐 비교적 일정하게 유지된다 (0.05 Å / sec의 편차 ±). - 증착 후 대기에 배출되기 전에 다시로드 락 내로 샘플을 옮긴다. 신속하게 진공 또는 다음 처리 단계 전에 불활성 분위기의 글로브 박스 중 하나를 저장에 공기를 통해 샘플을 수송.
주의 : 전형적인 의도 공기 노출 시간은 약 3 분이다. 전형적인 저장 시간은 하루 AW 사이EEK.
5. SNS 소둔
참고 :이 단계는 ALD 및 TE 태양 전지 약간 다르게 수행됩니다. ALD 태양 전지를위한 어닐링 과정은 서브 섹션 5.1에 설명하고, TE 태양 전지 절차는 서브 섹션 5.2에 기재되어있다. 열처리의 목적은 토론 섹션에서 논의된다.
- H 2 S 가스의 ALD 성장 SNS 막을 어닐링.
주의 :이 단계는 ALD 성장에 사용 된 것과 같은 시스템에서 수행된다.- 40 sccm 내지 10 Torr의 압력의 유량으로 순수한 S H 2 가스 (순수 99.5 %)을 사용한다.
- 400 ° C의 온도로 SNS 필름을 열 및 H 2 S 가스 환경에서 1 시간 동안 유지. 가스가 온도를 늘리고 아래를 포함, 전 과정에 걸쳐 흐르는되어 있는지 확인합니다.
- H 2 S 가스의 TE-성장 SNS 필름을 어닐링. 전용 튜브로에서이 단계를 수행합니다.
- 부하 일노의 핫존 영역으로 깨끗한 석영 플레이트와 슬라이드에 E 샘플.
- 가열 밀봉 한 후, 순수한 N 2로 3 회 정화하고 기본 압력으로 펌프 다운 할 수있다.
- 28 torr를 4 % H 2 S 100 SCCM에서 가스 흐름을 설정.
- 10 분 동안 400 ° C의 온도를 진입로. 샘플을 고온 영역에서 비 보조 냉각되도록 한 다음, 1 시간 동안 400 ° C에 파악. 샘플을 60 ℃ 이하까지 냉각 상수 H 2 S 가스 유동 및 압력을 유지한다. 샘플을 제거하거나 다음 단계로 바로 진행, 또는 불활성 가스 글러브 박스에 저장에 배치합니다.
자연 산화물 6. SNS 표면 패시베이션
참고 :이 단계는 ALD 및 TE 태양 전지 약간 다르게 수행됩니다. 서브 섹션 6.1에서 ALD 태양 전지 표면 패시베이션 절차를 설명하고, TE 태양 전지 절차는 서브 섹션에서 설명하는6.2. 이 단계의 기능은 더 토론 섹션에서 설명합니다.
- ALD 성장 된 샘플은, ALD에서의 SnO2의 얇은 층을 성장.
주 : 우리는 SNS 성장에 사용 된 것보다 상이한 반응기를 사용한다.- 주석의 환상 아미드의 반응에 의해 SnO2를 성장 [(1,3- 비스 (1,1- 디메틸 에틸) -4,5- 다이 메틸 - (4R, 5R) -1,3,2- diazastannolidin -2- 이리 덴) 주석 (II)] 및 과산화수소 (H 2 O 2). 43 ° C의 오븐 및 RT에서 버블의 H 2 O 2에 클릭 아미드 주석 전구체 보관.
- 증착, 120 ° C에서 기판 온도를 유지한다.
- 5 사이클의 총 사이클 당 각각 0.33 내지 1.5 토르 제를 사용하여 주석 전구체 및 H 2 O 2를 노출시킨다. X 선 광전자 분광법 (XPS) 분석 (10)에 의해 측정 결과의 SnO2의 두께가 0.6 내지 0.7 인 것을 확인한다.
- TE-성장 샘플은, 생을 형성공기 노출에 의해 산화 주석 2의 N 층.
- 24 시간 동안 실험실 주변 공기 샘플을 노출. XPS 분석에 의해 측정 한 결과 산화 주석 (2)의 두께가 약 0.5 nm 인 것을 확인한다.
주의 : 전형적인 RT C가 24 ± 1 °이며, 전형적인 습도 (여름에 더 높은) 45 % ± 13 %이며; 여기에보고 장치를 위해, 값은 각각 24.6 C 및 <30 %이었다.
- 24 시간 동안 실험실 주변 공기 샘플을 노출. XPS 분석에 의해 측정 한 결과 산화 주석 (2)의 두께가 약 0.5 nm 인 것을 확인한다.
7. Zn을 증착 (O, S) / ZnO의 버퍼층
주의 :이 단계는 ALD에 의해 SNS 성장에 사용되는 것과 동일한 ALD 챔버에서 수행된다.
- ALD에 의해 해당 층 : 아연 (O, S)을 성장.
- 120 ℃로 기판 온도를 유지한다.
- 철 아연 (O, S) : 디 에틸 아연의 반응 (Zn으로 (C 2 H 5) 2, DEZ), 탈 이온수 (H 2 O), (2) S N 2 4 % H, 및 암모니아로부터 ALD에 의해 N (NH 3) 11. 버블 contai 저장실온에서 닝 DEZ. 의주기 시퀀스를 사용하여 [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1,이 슈퍼 사이클을 12 회 반복한다. 암모니아의 노출이 11 토르의 두 번째 있는지 확인합니다.
- 러더 포드 후방 산란 분광법 (12)에 의해 측정 한 결과 막 중의 S / 아연의 비율이 0.14 인 것을 확인하고, 필름의 두께는 대략 36 나노 미터가된다.
- ALD에 의한 ZnO 층을 성장.
- 120 ℃로 기판 온도를 유지한다.
- DEZ-H 2 O의 50 ALD주기와 ZnO의 성장
주의 : 수득 된 ZnO 박막의 두께는 약 18 ㎚이다.
투명 전도성 산화물의 8. 증착 (TCO), 인듐 주석 산화물 (ITO)
- (610 μm의) 알루미늄 6061 시트 실험실 레이저 커터를 사용하여 "0.024에서 ITO 섀도 마스크를 잘라.
참고 : 마스크는 0.25 cm 2에 11 직사각형 장치를 정의크기 플러스 광 반사율 측정에 사용되는 한 구석에 큰 패드는, 그림 4 참조. - 마스크 얼 라이너에 장치와 마스크를 탑재합니다.
참고 :이 자리에 마스크를 확보하기 위해 중첩 된 기판 포켓 마스크와 클립 알루미늄 판이다. - 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의한 예금 ITO.
- 약 80 기판을 가열 - 90 ℃ 및 기판의 회전을 가능하게한다.
- 4 mTorr로 총 압력에서 40 / 0.1 sccm의 아르곤 / O 2 가스 흐름 65 W의 RF 스퍼터링 전력 (2 O 3 / 산화 주석이 90/10 중량. %, 순수 99.99 %에서) 2 인치 직경의 ITO 타겟을 사용합니다.
- 240 nm 두께의 ITO 필름을 성장.
주의 : 이러한 파라미터로, 범위는 0.5 Å / sec의 시트 저항의 증가율은 40-60 Ω / 스퀘어를 얻을 수있다.
9. 금속 화
- 127 μm의 두께 오스틴에서 컷 금속 섀도우 마스크ITIC 스테인레스 강판.
참고 :이 마스크는 상업 회사가 + 10 / -5 μm의 허용 오차로 절단된다. 금속 패턴 2가 1.5mm로 구분 손가락, 각각 7mm 길이, 및 1 × 1mm 2 접촉 패드, 그림 4 참조로 구성되어 있습니다. - 단계 8.2에서와 같이, 마스크 얼 라이너에서 장치 및 마스크를 탑재.
- 전자빔 증발 (TE 장치의 경우) 또는 입금 AG (ALD 장치 용) 니켈 / 알.
- 전자선 금속 증착 시스템의 기판 플레이트 상에 탑재 마스크 얼 라이너. 1 × 10-6 토르 미만의 기본 압력으로 펌프 다운.
- 2 / sec의 속도로 금속을 증발. 500nm의 총 두께의 금속을 증착.
10. 장치 특성
- 시뮬레이션 어둡고 AM1.5 태양 빛의 모든 장치에 - ( "V J") 측정 전류 - 전압을 수행합니다.
- V 데이터 FR - J를 수집하여 솔라 시뮬레이터를 보정교정 된 실리콘 태양 전지 및 AM1.5 일사량 용 보정 전류 값에 도달 할 때까지 솔라 시뮬레이터 램프 전력 및 높이 조절을 OM.
- 상단 (양극),은 (Ag 또는 알)과 하단 (음극, MO) 층 모두에 문의 구리 베릴륨 이중 프로브 팁을 사용하여 4 선 모드에서 장치를 문의하십시오. 메스 블레이드 버퍼와 SNS 층을 멀리 긁어서 바닥 층에 문의하십시오.
- 측정 빛과 어둠 J - 소싱 전압 소스 미터를 사용하여 전류를 측정 V 데이터.
주 : 장치는 일반적 ± 0.5 범위 내의 측정 V. 장치 전압 스위프 방향 또는 속도에 응답하지 않다. 일상적인 테스트를 위해 지역 - 정의 광 조리개 자세한 내용은 토론 섹션을 참조 사용되지 않습니다.
- 변수 빛과 전압 바이어스, 모든 장치에서 외부 양자 효율 (EQE) 측정을 수행합니다.
- RESPO을 측정함으로써 EQE 시스템 교정시 캘리브레이션 포토 다이오드의 NSE.
참고 :이 소프트웨어는 따라 빛 레벨을 조정하기 위해 NIST의 지원을받는 표준 측정을 수행하는이 데이터를 비교합니다. - 10.1.2 단계에서와 같이, 4- 와이어 방법을 사용하여 디바이스에게 문의.
- 270 1,100 nm 파장 범위에서 100 Hz에서 다진 단색광으로 샘플을 조명하고, 생성 된 전류를 측정하는 시스템을 사용하여 상업적 EQE를 측정한다. 제조업체의 표준 운영 절차에 따라이 측정을 수행합니다.
- 가변 전압과 흰색 빛 바이어스와 EQE 측정을 반복합니다. 바이어스 전압 및 바이어스 광을 공급하는 할로겐 램프를 제공하는 소스 미터를 사용한다. 앞으로 모두에서 장치를 측정하고 전압 바이어스 역, 그리고 1 ~ 태양 최대 변수 하얀 빛의 강도에 따라.
- 외부에서 내부로 변환하기 위해서 적분 구 광도계를 이용하여 ITO 상부 표면의 광 반사율 (%의 R)을 측정양자 효율 (IQE). 제조업체의 표준 운영 절차에 따라이 측정을 수행합니다.
- RESPO을 측정함으로써 EQE 시스템 교정시 캘리브레이션 포토 다이오드의 NSE.
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Representative Results
상술 한 바와 같이 그림에 6-8 결과는 두 대표 "기준"TE-성장 샘플 표시됩니다. 조명 J -이 두 샘플에 대한 V 데이터는 그림 6에 도시된다 첫 번째 샘플 ( "SnS140203F")는 이전에보고 된 3.88 %의 인증 효율 장치를 굴복 9 대표적인 합작 분포는 각 샘플에 대해 표시됩니다... 주어진 바이어스 전압에 대해, 이러한 분포는 다음과 같이 계산된다 
여기서 <J는> 모든 장치에 대해 측정 된 전류 밀도의 평균치이고, σ J는 이러한 측정치의 표준 편차이고, N은 측정의 총 개수이다. 즉, 평균 및 표준 오차가 그래픽으로 표시된다. 이 표현은 상이한 샘플들로부터의 결과를 비교하여 돕고, 육안 평가생성 된 소자 성능에 장치 제조에서의 변화의 영향.
J - V 데이터는 샘플이 샘플에 장치 사이에서 변화 션트 저항 문제로 고통하는 것이 좋습니다. 이러한 결론은 또한도 7 및 8에 의해 강화된다. 도 7에서 표준 태양 전지 파라미터 플롯 - 개방 회로 전압 (V의 OC), 단락 전류 밀도 (J의 SC)를 인자 (FF), 및 전력 변환 효율을 채우기 -.도 6에 도시 된 모든 동일한 장치에 대해 시각적 매개 변수 사이의 상관 관계를 확인하려면 막대 그래프 표현하는 데 도움이됩니다. 이들 샘플에 대한 가장 분명한 상관 관계는 분로 또는 직렬 저항 손실로 고통 장치에 대해 예상대로, 효율 및 FF 사이이다. 제 2 디바이스를 들어 효율 및 V 사이의 OC 명백한 상관도가,션트 저항 손실을 예상대로.
이러한 상관 관계는 그림 8과 같이 변수 플롯에 의해 명시 적으로 이루어집니다. 여기서, V OC는, J 사우스 캐롤라이나, 그리고 FF는 시리즈 (R s의)와 션트 (R 쉬) 저항에 대해 도시된다. R S와 R 쉬 선형을 이용하여 계산된다 J에 맞는 - 0.5 0 V 근처 V 데이터를, 각각. V 데이터 - 많은 경우에 J에 적합 할 수있는 다이오드 모델의 매개 변수로 R S와 R 쉬를 추출하기 위해 더 좋을 것이다. 그러나, 상대적으로 낮은 효율 태양 전지에 대한 신뢰할 수 없습니다 높은 효율 장치에 대한 성공 많은 손실의 원인, 다이오드 모델이있다. 따라서 그것은 더 강력한 기술에 의해 R의 S와 R 쉬를 추출하는 것이 바람직하다. 결과 값은 정확하지 않을 수도 있지만, TRENDS는 여전히 유익하고 개발을 유도하는데 사용될 수있다. 저항 션트 그림 8 확인의 데이터 손실의 주요 원인입니다. 이 FF (R 쉬)의 상승 추세에 가장 명확하게 볼 수 있습니다. 데이터는 디바이스 개발의 본 단계에서, 션트 저항이 명백해질 다른 프로세스 개선의 효율성 향상 위해서는 대략 200 Ω의 cm 2 이상의 유지되어야 것을 나타낸다. R (S)가 여기에보고 장치를 제한하지 나타난다. R s의 값은 일반적으로 0.5 Ω의 CM이 있으며, 드물게 1 Ω의 CM 2 위 벤처 없습니다.
하나의 대표적인 "기준선"전술 한 바와 같이 ALD-성장한 샘플에 대한 결과를도 9에 나타낸다. ALD 장치는 4.6 %의 효율을 보여주는 최상의 장치, TE 장치보다 더 좋은 성능을 나타낸다. 다른 SNS 성장 기법 외에, t제조 하시다 절차는 산화에 의해 SNS 표면 패시베이션 다르다. ALD 샘플은 공기 틈없이 성장 챔버 내에서 어닐링하는 동안 또한, TE 샘플은, 막 성장 및 어닐링 사이에 실험실 공기에 노출된다. ALD 성장 샘플은 TE-성장 샘플보다 션트 저항 손실을 덜 고통 나타납니다. 이러한 차이에 대한 이유는 알려져 있지 않다. 이는 ALD 성장 막은 SNS TE 성장 필름보다 인해 자기 - 제한 성장 모드와 느린 성장 속도로,보다 컴팩트 한 것으로 할 수있다.
인증 장치 시험. 그림 10에서 재생되는 왼쪽의 9, 10은 ALD 성장 SNS 층을 사용하여 인증 된 기록 장치를받습니다. 이 샘플에 대한 인증 효율은 4.36 %이고, 효율적으로 4.54 %까지 장치는 동일한 제조 방법을 사용하여 측정되었다. 오른쪽의 TE-SNS 성장 층을 사용하여 인증 된 기록 장치를 도시한다. 이 샘플에 대한 인증의 효율성3.88 %이고, 4.1 % 이하 디바이스는 동일한 방법으로 측정되었다. 3.88 % 보증 테스트 결과는도 7에 도시 된 바와 같이, 평균 ± 표준 편차가 3.5 % ± 0.4 %되는 동일한 샘플, 측정 범위 내에서 잘 유의.
주위 조건에서 SNS TE에게 성장 태양 전지의 안정성을 보여주는도 11의 결과를도. 선택 샘플은 J가 - V 시험 전에 최대 11 개의 개월 동안 저장 한 후 실시 하였다. 샘플은 공기 저장되고 캡슐화없이 주변 광에 노출시켰다. 절차가 여기에보고 된 것보다 그림 11과 같이 모든 4 개의 샘플이 약간 다르게 처리 된; 이것은 과거 이유이며, 여기에보고 장치가 다른 안정 특성을 가질 것이라고 생각하는 이유는 없다. 처리의 차이는 가변 performanc 대해도 캡션에 기술되고, 이들은 고려되고장치의 전자. 주요 포인트는 최소한의 저하 년 이상 관찰된다는 점이다. 이 태양 전지는 습기가 열 또는 장기간 전체 스펙트럼 조명으로 더 가속 수명 시험을 생존하는 방법을 SNS 볼 일이다.
도 1 디바이스의 제조 방법. 디바이스의 제조 프로세스의 열거에 금속 기판 절단 (# 1, 하부) (# 9 위)로부터.
도 2 원자 층 증착 (ALD) 시스템 개관. (위) ALD 시스템 개략도. 번호가 표시된 중요한 구성 요소 (아래) ALD 시스템 사진. 이 시스템은 증착 SNS, SNS 어닐링을 수행하고, 층 증착을 버퍼에 앉는 수 고드하버드 대학의 그룹에. 그것은 고온 벽 증착 튜브로 구성 전구체 저장하는 두 오븐은, 가스 전달 시스템 및 제어, 온도 제어 시스템 및 로터리 베인 기계 진공 펌프. 기판 홀더는 넣을 수 있습니다 최대 여덟 1 "× 1"정사각형 기판. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 열 증착 (TE) 시스템 개요. 중요한 구성 요소는 번호가 표시되어 있습니다. 이 시스템은 SNS 증착에 전념하고 MIT에서 Buonassisi 그룹에 앉아있다. 시스템은 처리 챔버와로드 로크 이루어져있다. 프로세스 챔버는 통상적으로 고진공 조건 (1 × 10-8 토르)하에 유지와 함께 폐쇄 기판 스테이지를 포함시료 회전과 복사 가열 및 증발 소스에 대한 폐쇄 삼출 셀. 챔버는 또한 성장 속도를 측정하기 위해 기판 플레이트 바로 아래에 위치하는 개폐식 석영 결정 모니터 (QCM), 및 기판 온도를 측정하는 파이로 미터를 갖는다. 상업적으로 구입 SNS 분말은 전술 열 전처리하여, 전구체에 사용된다. (9) 기판 플레이트는 하나의 대형 소자 기판 (1 → 2 × 1) 및 하나의 더 작은 기판 (1 → 2 × 1/3)을 보유 SNS 막 측정에 사용. 소스 오리피스에 기판으로부터의 거리가 10cm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 금속 패턴 및 샘플 사진. & # 160; 왼쪽 그림은 0.25 cm 2 장치 용 금속 패턴을 나타낸다. 명확하게하기 위해 TCO 발자국은 하나의 장치에 설명되어 있습니다. 또한, 광 반사율의 측정을 위해 사용되는 큰 TCO 패드의 위치가 도시되어있다. 오른쪽 사진은 TE-성장 SNS와 실제 샘플을 보여줍니다. 왼쪽의 긁힌 지역은 테스트를위한 기본 모 층에 접촉을 제공합니다. 사진 :. KJ 왕 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
프로브 카드 5. 장치 테스트를 그림. 이 하향식 이미지는 사용자 정의 프로브 카드와 동시에 접촉 여러 장치 테스트 스테이션 척에 장착 된 샘플을 보여줍니다. 샘플의 절반 만이 이미지에 표시됩니다.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. J - 두 개의 서로 다른 "기본"TE 샘플에 장치를위한 V 테스트합니다. 명확하게하기 위해, 주어진 샘플의 모든 12 장치 (회색 또는 빨간색) 같은 색으로 그려진다. 텍스트에 설명 된대로 각 샘플에있는 모든 장치에 대한 V 봉투 (표준 오차 ± 평균) - 대표 J 또한 플롯이다. 이 측정 영역 - 정의 광 조리개없이 수행 하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8. S 즈 두 기준의 TE 샘플 션트 저항 변수 플롯. 표시 장치는도 6-7에보고 동일하다. 시리즈 (R s의)와 션트가 (R 쉬) 저항이 텍스트에 설명 된대로 계산된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9. 합작 테스트와 하나의 기준 ALD 샘플에 대한 테스트 매개 변수를 설정합니다. (TOP) JV 곡선은 좋은 최고의 성능을 보여 주지만, 일부 장치는 명확하게 낮은 션트 저항으로 고통. (아래) 테스트 파라미터는 효율 및 션트 저항 손실과 일관성 FF 간의 강한 상관 관계를 나타낸다. 이러한 측정 에리어 정의 광 개구없이 수행 하였다..jove.com / 파일 / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
ALD-과 TE-성장 장치에 대한 그림 10. 인증 결과. 국립 재생 에너지 연구소, 미국에 태양 광 발전 성능 특성 팀에 의해 수행되는 인증. Sinsermsuksakul 등에보고 된 (왼쪽) ALD 인증 기록은 4.36 %입니다. 스타 인 등에보고 된 10 (오른쪽) TE 인증 기록, 3.88 %이다. (9) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 11. 오랜 역SNS 태양 전지의 부 합성 J -. 공기에 저장하고 캡슐화없이 주변 광에 노출되는 동안 반복적으로, 거의 년의 기간에 걸쳐 측정 한 샘플의 V 테스트합니다. 검정 곡선의 초기 측정을 각 표시 패널의 경우, 적색 곡선은 최종 측정치를 표시하고, 점선 커브는 보여준다. 가는 선은 각각의 테스트에 가장 적합한 장치를 보여주고, 두꺼운 곡선 대표 J입니다 - 텍스트에 설명 된대로 각 샘플에있는 모든 장치에 대한 V 봉투 (표준 오차 ± 평균). (a) 없음 H 2 S 어닐링 단계 : 네 패널은 다음과 같은 차이를 제외하고이 논문에 기재된 바와 같이 처리 된 TE 성장한 샘플을 나타낸다. (b) 희석제 흡수체 층 650 nm 두께; 기준 H 2 S 소둔 공정 없다 대기에의 노출을 30 분 동안 200 ℃에서 수행 하였다. (c) 희석제 흡수체 층, 두께 650 nm의; 기준 H 2 S 소둔 공정 없다 버퍼층 승더 높은 황 함량없이 질소 도핑 제 i. (d) 반사 방지막은 장치 스택의 상부에 증착. 측정 사이의 시간은, 각각. 50주, 48주 48 주 및 패널 A, B, C, D를 28 주였다 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 6-8에보고도 12 개의 기준선 TE 샘플 걸쳐 공간적 불균일 시각화. 결과는 동일하다. 거기에 각 샘플에 11 장치는, 각 장치는 색 측정에 따라 부호화 효율이며; 컬러 맵은 모두 샘플에 대해 동일합니다. 흑백 부화 장치가 측정되지 않은 어느 것을 나타냅니다, 또는 어떤 장치 (각 샘플의 한 구석으로) 존재하지 않습니다.
그림 13. 일반적인 원인 분산의 존재 가설 검정의 예를 그림. 가상의 문자는 안젤라와 Nessi 별도로 프로세스 B는 프로세스 A의 안젤라보다 높은 효율 태양 전지를 생산하는 가설을 테스트하는 우수한 공정 제어하지만 약간 낮은베이스 라인 효율보다이 Nessi. (A, D, G), 안젤라와 Nessi의 결과에 대한 진정한 확률 분포. (B, E, H) 개별 측정. (C, F, I) 측정 분포를. 만 6 샘플로, 안젤라는 귀무 가설을 기각 할 수 있지만 Nessi은 할 수 없습니다. 자세한 설명을위한 텍스트를 참조하십시오. 보려면 여기를 클릭하십시오그림의 큰 버전.
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Discussion
기판의 선택 청소
산화 된 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용된다. 기판은 그 결과 태양 전지에 대한 기계적 지원하고, 그들의 전기적 특성은 중요하지 않습니다. 상업적으로 구입 된 Si 웨이퍼를 구입 한 상업적으로 유리 웨이퍼보다 일반적으로 청소기 때문에 실리콘 웨이퍼는 유리에 바람직하고,이 기판 세정 시간을 저장한다. 또한 Si의 성장 및 어닐링 동안보다 균일 한 가열 리드 유리,보다 높은 열전도율을 가지고, 기판들은. 상업적으로 구입 유리 웨이퍼 그것이 오염의 모든 가시적 흔적을 제거하기 위해서, 따뜻한 초음파 욕 하였다 장갑 낀 손가락으로 수동 RUB 포함한 세제 기판을 청소해야했고, 그렇다하더라도, 기판 청결 수 없다는 것을 발견했다 보장 될 수있다. 실험적 유리 또는 Si 기판의 선택은 소자 성능에 영향이없는 것을 확인 하였다. Howev어,이 비교는 장치가 2 %에 있었다 수행 하였다 - 3 % 효율 범위 및 기준 효율 향상으로 반복 비교는 가치가있을 것입니다.
일반적으로 10 이상의 기판은 주문 설계 수정 웨이퍼 캐리어를 사용하여 한 번 세척된다. 이 핀셋 개별적으로 웨이퍼를 처리보다 더 재현 가능한 결과를 얻을 수 있습니다.
모 스퍼터링
그것은 실망스러운 결과가 여러 업체에서 사용할 수있는 기판으로 얻었다 후 구입 모 - 코팅 된 기판이 아닌 내부 접점 (음극)을 모을 다시 입금하기로 결정했다. 문제 청결, 박리, 또는 두 가지 모두에 발생했습니다 구입 한 기판으로 (유리가에 모 스퍼터링). 몰리브덴 막을 발행 결과에 따라, 두 개의 층의 Si / SiO2를 기판에 접착 한 높은 도통 한 DC 마그네트론 스퍼터링에 의해 증착된다스코필드 전자 T 등. (13)
전형적인 모 필름은 약 1 Ω / 스퀘어의 시트 저항과 두께가 720 나노 미터이다. 시트 저항은 각 모 성장 실행 후 4 포인트 프로브 시스템을 사용하여 희생 기판상에서 측정된다. 또한, 기판에 대한 밀착성이 메스 블레이드를 사용하여 테스트된다. 잘 접착 필름은 탈 라미네이팅없이 적당한 압력으로 메스 손으로 긁는 견딜 수 있습니다. 저조한 접착 필름은 탈 적층에만 약간의 압력. 그것은 성장 전에 모 스퍼터링 챔버 내의 기판 짧은 플라즈마 세정 단계는, 양호한 접착 성을 얻는 것이 중요하다는 것을 관찰 하였다. 이 세정 공정에 대한 일반적인 매개 변수는 20 mTorr의 아르곤, 20 W RF 및 60 초입니다.
열 증발에 의한 SNS의 성장
SNS는 volu와 열분해 질화 붕소 도가니에 상업적으로 구입 저온 삼출액 세포를 이용하여 소스 분말 증발나 32cm 3. 소스가 처음로드 될 때 그것은 미세 분말과 색상이 어두운 회색이다. 일반적으로 분말 3 4 g을로드됩니다. 새 소스 분말, 소스 온도는 240 ℃로 가열 한 기판 상에 1 Å / 초의 성장 속도를 유지하기 위해 약 540 ° C이다. 성장 실행의 증가에 의해, 소스 온도는 일정한 성장 속도를 유지하기 위해 증가되어야한다. 필요한 소스 온도는 610 ° C에 도달하면 분말 교환된다.
소스 온도에 밀접하게 연결된 SNS 조각의 문제입니다. 성장 속도는 10 Å / 초로 증가 될 때, 큰 SNS 플레이크 성장 막에서 관찰 될 수있다. 이들의 주요 소스, 또는 유출 전지 덮개 또는 소스 셔터 등의 보조 소스에서 발생 여부를 알 수 없습니다.
한 가지 놀라운 관찰은 소스 분말 배치 소진 때 백색 다공성 잔사 남기는 있다는도가니의 바닥에. X 선 회절의 SnO2이 있는지 확인한다. 이 잔사의 중량은 전형적으로 0.01 g이다.
ALD에 의해 SNS의 성장
이 과정에서 중요한 매개 변수는 주석 (AMD) 2 전구체 유동 질소 캐리어 가스의 압력이다. 압력은 250 토르 가까이 유지되지만 때때로 약간 달라질 수있다. 주석 (AMD) 2 전구체 기포와 N 2 가스 트랩의 체적비가 5임을 감안할 때 1, 버블 내부의 압력은 약 50 토르이다. 이 값이 너무 커지면, 주석 전구체의 증발이 현저하게 억제된다. 한편, 버블 내부의 압력이 너무 작 으면, 기포 및 매끄러운 가스 유동을 가능하게하기 (~ 10 Torr의 압력을 갖는다) 반응로 사이에 충분한 압력 강하가 없을 것이다. 이러한 시나리오 중 하나는 AL에서 부적절한 주석 전구체에 발생합니다D 반응. 이 문제의 표시는 반응 노의 배출구 근처 그 막 두께가 입구 근처보다 훨씬 얇다이다. 각각의 증착 동안, 반응기 내의 압력은 시스템 압력이 정확한 범위에 앉아 있는지 확인하기 위해 모니터링된다.
반응 영역 내에서 균일 한 온도 분포를 보장하기 위해, 입구와 고온 벽 퇴적 관의 출구는 가열 테이프로 감싸 인다. 가열 테이프에서 열전대 쌍의 온도를 측정하기 위해 삽입된다. 반응 영역 내에 불균일 한 온도 분포는 상이한 영역에서 상이한 SNS 막 모폴로지를 초래할 것이다. 높은 증착 온도에서, 필름은 거친 경향 및 밝은 색을 갖는다. 200 ° C 이하의 저온에서 필름을 육안으로 검사 할 수 있으므로, 높은 반사율을 갖는다.
H 2 S 튜브 가마에서 SNS 소둔 </ P>
어닐링 단계의 목적은, 형태, 결정화도, 그리고 SNS 막의 전기적 특성을 최적화 할 수있다. TE 성장 태양 전지의 경우, 어닐링 단계는 전용 튜브 퍼니스에서 수행된다. 이 2 "직경 석영 튜브 가마는 4 % H 2 S (밸런스 N 2), 4 %의 H 2 (밸런스 N 2), N (2) 순수 순수 아르곤의 혼합물을 흐르게 할 수있다. 온도는 외부 니크롬 발열체에 의해 제어 및 고온 영역에있는 석영 쌌다 열전대를 사용하여 모니터링됩니다. 가스는 불활성 기름 가득 오일 펌프를 사용하여 대피한다. 씰은 H 2 S 저항하는 탄성 중합체를 사용하여 만들어집니다. 전형적인베이스 압력은 20 mTorr 내지 8이다.
400 ℃의 어닐링 온도는 이차 입자 성장 및 필름 재 증발 사이의 균형이다. 원칙적으로, 더 높은 어닐링 온도는 장치 성능에 도움이 될 수 있으며 상당한 Fi 접속하지 않고도 달성 될 수있다노 높은 압력을 이용하여 LM 손실. 이 활성 조사의 주제이다.
자연 산화물과 SNS의 표면 보호
패시베이션 공정의 목적은 흡수 및 완충 층 사이 교차점 전자 트랩 상태의 밀도를 감소시키기 위해, 상기 흡수 및 완충 층의 구성 원소의 원하지 않는 혼합을 방지하는 확산 배리어로서 기능하는 것이다. 14 그것은 갖는다 이 산화 공정으로 처리 된 샘플없이 처리 된 샘플보다 더 높은 V OC의 값을 갖는 것으로 관찰되었다.
이때, 산화 공정은 광범위하게 연구되지 않았으며 아마도 최적화되지 않는다. (도시되지 않음) X 선 광전자 분광 분석 결과 이는 산화물이 좋은 성능을 1㎚ 미만 두꺼워 야하고 전류 차단을 방지 할 것으로 예상되는 사용.
투명 conduc의 증착팅 산화물 (TCO), 인듐 주석 산화물 (ITO)
이때 치료에 앞서 각각의 단계에서 샘플의 총 공기 노출을 제어하기 위해 취해진 다. 그러나, 버퍼층 증착 공기 노출이 더 이상 제한되고 샘플이 저장되고, 대기 중 반송 된 후.
이전에이 시점에, 모든 증언은 전체 기판을 다루는 "담요"영화,되었습니다. 침착이 시점에서 개별 장치를 정의하기 위해 패턴된다. ITO 및 금속 모두 단계는 침착은 레이저 절단 금속 섀도우 마스크를 사용하여 정의됩니다. ITO 증착 이는 증착 패드의 면적을 크게 섀도우 마스크에 의해 정의되는 것이 매우 중요하다. 면적이 급격 인해 마스크 얼 라이너에 마스크의 휨에 예를 들면, 정의되지 않은 경우, 생성 된 디바이스의 활성 영역은 0.25 cm (2)의 공칭 크기보다 훨씬 더 클 수있다. 이것은 잘못된 오버 REPO으로 이어질 수 있습니다전류 밀도 rting.
금속 화
금속 패턴은, 금속과 중첩없이 ITO에 완전히 떨어질 양자 효율 측정 도구의 조명 스폿을 사용하도록 설계된다. 2 손가락이 제약 결과는 각각 7mm 길이가 1.5mm로 구분하고, 1 × 1mm 2 접촉 패드, 그림 4.이 패턴은 장치 성능의 관점에서 최적 미만 참조하십시오. 장치 성능에 최적화 된 패턴은 작은 간격 이상의 손가락을 사용합니다.
AG는 TE 세포 성장을 위해 사용되었으며, 니켈 / 알루미늄은 ALD 성장 세포에 사용되어왔다. 이 부서는 역사이고, 실험 결과에 근거하지 않습니다. 그것은 니켈 / 알은 긴 저장 시간 동안 부식에 우수한 저항을 제공 할 수있다. 사실, AG 연락처 examp 위해 (공기 중에서 장시간 보관시 부식하는 경향이 관찰되었다제작, 년 이상).
장치의 특성
( "- V J") 측정치 수집 및 외부 양자 효율 (EQE)와 백색광 전압 바이어스없이 수집 된 측정 장치를 완성 전류 전압을 사용하는 것을 특징으로한다. 최신 태양 전지는, 한번에 하나씩 개별 장치 접촉 프로브 스테이션의 전형적인 구성에서 프로브 미세 조작기를 사용하여 측정되었다. 솔라 시뮬레이터 및 EQE 시스템은 물리적으로 연결이 끊긴했다, 그래서 필요한 샘플은 각각의 측정을 위해 다시 연락을 할 수 있습니다. J를 측정하기 위해 5 시간 - - 그 결과, 약 4를 취할 것이다 V 및 11 EQE 모든 장치.
일본을 결합한 통합 높은 처리량 테스트 스테이션 - V와 EQE 단일 샘플 척을 사용하고 연락처 모든 장치가 동시에 최근 MIT에서 설치 프로브 카드는,도 1 참조URE 5. 전기 접속은 프로그램 멀티플렉서에 의해 제어되고, 전동 XY 척 스테이지는 컴퓨터 제어된다. 이러한 방식으로, J - V 및 EQE 측정은 1 시간 이내에 모든 장치 (11)에 순차적으로 수행 될 수있다.
지역-정의 광 조리개를 테스트 루틴 장치에 사용되지 않습니다. 따라서, 활성 디바이스 영역이 전류 밀도의 오버 추정 결과 과소 추정 될 수도있다. 그러나 개구는 종종 낮은 효율성 (CF의도 7, 9, 10)의 결과, 인증 실험실에 의해 사용된다. 에리어 정의 광 조리개를 사용하는 것은 항상 바람직하지만, 테스트 루틴 그것은 종종 이로 인해 샘플의 상단과 물리적 접촉을 최소화하도록 실질적인 문제로 방치된다. 인해 활성 디바이스 영역을 추정하에 투 시스템 오차가 큰 디바이스 영역을 사용함으로써 완화 될 수있다. 여기에 설명 된 작업, 오히려 작은 (0.25cm 2)의 크기는 초기 단계의 기술 개발에 따라 적절하게 선택 하였다 (초기 단계에서 아니오 금속으로 0.03 cm (2)의 더 작은 장치)를 사용 하였다. 이제 장치가 4 % 효율의 범위에있는 것을 반복, 그것은 1cm 2 이상의 크기로 증가 가치가있다.
V, Suns- V OC의 커패시턴스 - 전압 프로파일 및 체열 고착화 - 계기 샘플에 대해, 전술 한 표준 기술을 특성화 외에도 온도 의존성 J 포함한 기술을 사용하여 시험한다. 이러한 기술을 이해하고 이러한 인터페이스 재조합 및 직렬 저항 손실 특정 손실 메커니즘을 정량화하는데 사용된다.
공유 장치 제조 프로토콜 의미
무기 박막 태양 광 발전에 출판물의 장치 테스트의 결과는 (경험)의 동반 결코실험을 재현하기 실험 세부 ufficient. 이러한 상황은 개별 연구자 중 불필요한 좌절에 이르게하고, 전체 필드의 진행을 방해한다. 이 상황은 또한 어려운 다른 연구 그룹에 의해 사용되는 본 명세서에 기재된 방법과 비교한다. 이 논문에 설명 된 기술은 (주로 미국) 박막 PV 수많은 연구자와 대화의 도움으로 개발되었고, 시행 착오를 많이. 저자는이 작품은 다른 사람들이 불필요한 좌절감을 방지하는 데 도움이, 박막 태양 광 발전의 실험 방법의보고 내용은 선례를 설정하는 것을 희망한다.
설명 프로토콜의 미래 응용 프로그램
본원에 기술 된 프로토콜은 "기준선"SNS 태양 전지를 확립하기 위해 사용된다. 제조 기준 프로토콜의 가장 중요한 특징은 반복성이고; 절대 효율 번호는 덜 중요하다. 나는N 저자의 경험은 반복성는 표면 패시베이션을 개선 또는 벌크 결함 밀도를 감소시킴으로써 같이, 효율을 개선하기 위해 지속적인 연구를 가능하게 할 것이다 키 속성이다. 반복 기준선 프로토콜 없이는 제조 프로토콜에 대한 변경의 효과를 판단하는 것은 매우 곤란하다. 이것은 완전히 가설 검정에 아래 부분에 설명되어 있습니다.
기본 프로토콜을 활용한다 SNS 태양 전지에 향후 지속적인 작업 장치의 효율을 증가시키는 것을 목표로 개별 제조 공정을 최적화하기 위해 여기서 설명한. N 접합 -이 직접 흡수제의 벌크 및 P에 결함 밀도에 영향 때문에 특히 관심, H 2 S 및 소둔 표면 패시베이션 단계이다.
데이터 앙상블은 가설 검증을 가능하게
챔피언의 효율성을 숭배 필드에서, 그것은 이상에 유혹(비 챔피언) 장치의> 99 % - -와 그것이 제공하는 유용한 정보 앙상블을 보인다. 이 섹션에서는 앙상블 데이터 분석 동기를 부여하고, 시각화 및 앙상블 데이터에서 유용한 통찰력을 추출하기위한 손쉬운 방법을 제공합니다. 이것은 독자가 실험 통계 (가설 검정)의 작동 이해를 가지고 있으며, 주어진 데이터 세트에 대한 가우시안 분포 표준 편차 표준 오차, 95 % 신뢰 구간을 산출 편안한 것으로 전제된다.
간단히 말해, 앙상블 데이터 분석이 감소 할 때, 더 나은 가설을 테스트 할 수 변동성에 대한 연구이다. 변동성은 구어체로 "노이즈는"가정 중심의 프로세스 엔지니어링 및 과학 연구 중 "신호"를 모호하게. 소음이 증가함에 따라, 더 많은 실험은 결정적 렌더링됩니다. 결정적 실험은 시간, 자원, 낙관론의 낭비입니다. 앙상블 데이터는 두 가지 방법으로 변동성을 줄일 수 있습니다:
첫째, 앙상블 데이터는 공간과 시간의 과정 불균일성을 알 수있다. 가변성이 유형의 체계적인 (예., 소정의 박막 증착 챔버 내의 온도 - 또는 유량-구배에 의한),도 12에 의해 예시 성능 변동 명확한 공간 분해 된 패턴을 얻었다. 공간 또는 시간 변화 잘못된 프로세스 단계의 "지문"을 구현.에서 현장 계측 및 제어 샘플을 확인하고 체계적인 프로세스 변화의 원인을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.
둘째, 앙상블 데이터를 공개 또는 "공통 원인"분산, 즉, 동등하게 모든 앙상블 요소에 영향을 통계적 변화 "행운 - - 그리기의". 그것은 다수의 결합 처리 단계의 집계 결과 때문에이 변동은 문제를 해결하는 것이 더 어렵다. 공통 원인 분산은 가장 엄격한 공정 관리로 최소화 할 수있다각 단계에서 표준 운영 절차 - 일반적으로 인정 하듯이 빠르게 변화에 도전 제안하고 최소한의 직원 교육 환경을 제공합니다. 공통 원인 분산을 줄이는 것이 필수적입니다 왜 그럼에도 불구하고, 다음과 같은 운동을 보여줍니다.
공통 원인 분산의 영향은 예시 : 박사 꼼꼼 박사 지저분한 사이의 친절, 가상 과학 대회 : 안젤라와 Nessi 두 개의 서로 다른 실험실의 연구원입니다. 그들은 프로세스 B가 공통 원인 분산이 (가우스 효율 분포가 발생한다고 가정 두 연구자는 표준 가설 테스트 절차를 채택 잘 허용 기준 공정 (A),보다 더 나은 장치를 생성 가설을 테스트하기 위해 친화적 인 과학 대회에 참여하고있다 더 대표 통계 분포 함수는 로그 정상 이상 값없이 배포판을 포함, 강한 O와 분포에 대한보다 통계적으로 강력한 로그 코시 - Lorenzianutliers).
안젤라 박사 "로 그녀의 동료로 알려져있다 꼼꼼한. "그녀는 공정 변동성을 줄이기 위해 노력한다. 안젤라는 다른 사람들과 그녀의 beakerware를 공유하지 않습니다, 박막 증착하기 전에 실 미리 조절 루틴을 사용 모든 제조 실행과 제어 샘플을 포함하고, 열 산화 표면 대신에 더 많은 변수 유리 표면에 IC 수준의 실리콘 기판을 선호한다. 그녀는 10 %의 효율과 0.5 %의 진정한 표준 편차 (σ TRUE)을 의미한다 "true"를 (예. 실제)과 기준 (공정) 장비를 생산하고 있습니다. 장치 제조 및 측정 시간이 소요되어, 그녀는 제조 및 공정에 6 장치 (N = 6)를 측정 할 수있다.
또 다른 실험에서, Nessi 직장에서 어렵다. 그녀의 동료, Nessi 박사 "로 알려져있다 지저분 해. "그녀의 제조 및 계측 도구는 공유 사용 시설에 있습니다. 그것은 그녀의 차례 때이를 사용하기 위해, 그녀는 낮은 공통 원인 분산을 보장하기 위해 필요한 예방 조치를 취해야하지 않습니다. 그러나 때문에 그녀의 sloppiness의, 그녀의 진정한 표준 편차는 절대 1.5 % (안젤라의보다 3 × 이상)이다. true이 높은 σ 덜 잘 조절 된 실험 조건을 반영한다. Nessi 높은 순도의 원료 물질을 사용하고 있기 때문에, 그녀의 기본 공정은 10.6 %의 참된 의미를 달성한다. Nessi는 설계도 및 조치 N = 프로세스 당 6 장치.
이제 프로세스 B가 10 % 대하여 "true"로 장치 효율을 향상한다고 가정하자 (즉, 10 %가 11 %로 향상,. 10.6 %가 11.7 %로 향상). . 안젤라와 Nessi 모두 그림 13과 같이 그들은 각각, 제조, N = 6 장치에 중심 극한 정리를 적용 "true"로 분포 (그림 13A, D, G)가 연구원에 숨겨져 있습니다; 그들은 단지 자신의 실험 데이터를 관찰한다 (그림S 13B, E, H) 및 결과 가우스 맞는, 표준 오차 및 신뢰 구간 (도 1C, F, I).
한편, 안젤라의 엄격한 공정 제어 (참 낮은 변동성, 작은 σ)는 프로세스 B는 (그림 13C)를 처리하는 우수한 것을> 95 % 확신을 가지고 결론, 그녀는 귀무 가설을 기각 할 수 있습니다. 사실 더 높은 σ이있는 반면, Nessi,에, 그 프로세스 B는 프로세스 (그림 13F)보다 더 나은 결론을 내릴 수없는 N = Nessi 안젤라의의보다 높은 효율성으로 두 장치를 만들기 위해 운이 비록 6과 (그림 13B, E)는, 안젤라는 그녀의 필드는 프로세스 나에 대해 생각하는 방식을 혁명 과학 논문을 게시 레이스 우승한다
Nessi는 그녀가 그녀의 감소를 필요로한다, 그녀의 신뢰 구간을 증가시킬 필요가 있음을 알게표준 측정 오차 (SE), 즉.,
. [1]
Nessi는 두 가지 방법 중 하나가 일치하도록 추구 할 안젤라 × 3 작은 SE : Nessi 그녀 진정한 변동성 (3)의 배 (σ를 O), 또는 (3) 2 = 9 Nessi의 인자에 의해 N을 증가가 높은 액세스를 얻는다 감소시킬 수있다 스루풋 측정 장치에있어서, 9 ×로 N을 증가시킨다. 이러한 개선은 그녀의 3 × 큰 프로세스 변동을 상쇄하고, 그녀는> 95 %의 확실성 (도 13i 참조)와 귀무 가설을 기각, 프로세스와 B 사이의 유의 한 차이를 검출 할 수있다. 그녀는 다시 게시에 대한 경주입니다.
기준선보다 높은 효율이 성공적 가설 검증 확률을 높일 : SE (수학 식 1)에 대한 방정식에 초점 그것을 알 수있다어떻게 기본 성능을 향상 성공적인 가설 검정의 확률을 증가시킨다. 상기 공정 B가 아닌 10 %의 5 % -efficient 기준선 장치에서 테스트 한 경우, 절대 효율 향상은 0.5 % 대신에 1 % 일 것이다. σ O를 가정하면 변하지 않고 4 × 의해 증가 귀무 가설을 거절하는데 필요한 시료의 최소 개수. 따라서, 기준 장치 성능을 개선하는, 즉, σ 감소와 같은 수학적인 효과를 갖는다., 신뢰 구간에서 1 : 1 개선.
최종 워드 : 표준 오차를 줄이는 것은 결정적 가설 검정의 위험을 최소화하는 것이 필수적이다. 표준 오차는 SE에서 1 : 1의 감소를 초래 σ를 O, 매니페스트 공통 원인 편차를 감소시킴으로써 감소 될 수있다. 기본 성능을 개선 상응하는 효과가있다. 하나는 표본 크기 N을 증가시킬 수 있지만, 이것은 약한있을 것이다때문에 제곱근의 SE에 미치는 영향은 ER (N 증가는 또한 체계적인 변화의 위험을 증가시킨다).
실험 통계 적용의 중요성은 널리 생물 물리학 (CF 서 통계위원회 전혀 고 에너지 실험)에 받아 들여진다. 15 PV에서보고 된 데이터의 품질을 개선하기 위해서는 연구가 장치의 99 %에 주목하는 것이 권장 그들이 제조 및 데이터 앙상블과 가설 검정을 채택한다.
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Disclosures
저자가 공개하는 게 없다.
Acknowledgments
저자는 인증을 합작 측정을 위해 국립 신 재생 에너지 연구소 (NREL)에서 폴 Ciszek과 키스 에머리에게 감사의 말씀을, 라일리 브란트 (MIT) 광전자 분광 측정 및 가설 테스트 섹션에 대한 영감을 제프 카터 (ASU). 이 작품은 부여 02.20.MC11에서 보쉬 에너지 연구 네트워크를 통해 계약 DE-EE0005329에서 SunShot 이니셔티브를 통해 미국 에너지 부에 의해 로버트 보쉬 LLC에 의해 지원됩니다. V. 스타 인, R. 자라 밀로 및 K. 하트 맨의 지원, 각각 알렉산더 폰 훔볼트 재단, DOE EERE 박사후 연구 상, 인텔 박사 친목을 인정합니다. 수상 ECS-0335765 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 지원하는 하버드 대학의 나노 시스템 센터의이 작품 만들어 사용.
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
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