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Engineering

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

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

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.

Introduction

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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> 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.

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Protocol

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1. Substrato Seleção e de corte

  1. 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.
  2. 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.
  3. Utilize uma serra para cortar a matriz bolacha em 1 "x 1" (25,4 x 25,4 milímetros 2) substratos quadrados.

2. Substrato Limpeza

  1. 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.
  2. Retirar a camada foto-resistente com uma ba de ultra-sonsth em acetona durante 5 min a 45 - 60 ° C.
  3. 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.

3. Mo Sputtering

  1. 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 "alvos e uma distância de projeção de aproximadamente 4".
  2. 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.
  3. 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.
  4. Após a deposição Mo, armazenar os substratos, sob vácuo até que o passo de deposição SnS.

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.

  1. SnS depósito por ALD
    1. 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.
    2. Estabilizar a tempe fornotura a 200 ° C antes de começar a deposição.
    3. Cresça SnS filmes finos a partir da reacção de cloreto de bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -iPr) 2) 2, referido aqui como Sn (AMD) 2] e sulfureto de hidrogénio (H S 2) 4.
      1. 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.
      2. 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.
    4. 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.
  2. SnS depósito por TE
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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).
    4. 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.

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.

  1. 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.
    1. Use H 2 S de gás puro (99,5% puro) a uma taxa de fluxo de 40 sccm e pressão de 10 Torr.
    2. 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.
  2. Emparelhar os filmes SnS TE-cultivadas em H 2 S de gás. Execute esta etapa em um forno de tubo dedicado.
    1. Th de cargae amostras sobre uma placa de quartzo limpo e slide na região hot-zona do forno.
    2. Depois de o forno é selada, purgar três vezes com N2 puro e permitir que a bomba de pressão de base para baixo.
    3. Estabelecer fluxo de gás a 100 sccm de 4% de H 2 S a 28 Torr.
    4. 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.

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.

  1. 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.
    1. 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.
    2. Manter a temperatura do substrato a 120 ° C durante a deposição.
    3. 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.
  2. Para as amostras de TE-cultivadas, formar um thin camada de SnO 2 por exposição ao ar.
    1. 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 <30%, respectivamente.

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.

  1. Cresça um Zn (O, S): N camada por ALD.
    1. Manter a temperatura do substrato a 120 ° C.
    2. 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.
    3. 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.
  2. Crescer uma camada de ZnO por ALD.
    1. Manter a temperatura do substrato a 120 ° C.
    2. Crescer ZnO com 50 ciclos de ALD DEZ-H 2 O.
      Nota: A espessura da película de ZnO resultante é cerca de 18 nm.

8. A deposição do óxido condutor transparente (TCO), Indium Tin Oxide (ITO)

  1. Corte ITO máscaras de sombra de um 0,024 "(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.
  2. 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.
  3. Depósito ITO por pulverização catódica reactiva.
    1. Aqueça o substrato para aproximadamente 80 - 90 C e permitir a rotação do substrato.
    2. 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.
    3. 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.

9. Metalização

  1. 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.
  2. Montar os dispositivos e máscaras em um alinhador de máscara, como na etapa 8.2.
  3. Depósito Ag (para dispositivos TE) ou Ni / Al (para dispositivos ALD) por evaporação por feixe de elétrons.
    1. 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.
    2. Evapora-se de metal a uma taxa de 2 A / seg. Deposite 500 nm de espessura de metal total.

Caracterização 10. Dispositivo

  1. Execute corrente-tensão - medições ("J V") em todos os dispositivos à luz solar, escuro e em AM1.5 simulado.
    1. 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.
    2. 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.
    3. 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.
  2. Execute eficiência quântica externa (EQE) medições em todos os dispositivos, com luz variável e viés de tensão.
    1. 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.
    2. Contacte os dispositivos usando o método de quatro fios, como no passo 10.1.2.
    3. 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.
    4. 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.
    5. 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.

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Representative Results

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Nas Figuras 6-8 são mostrados os resultados para duas amostras de "linha de base" TE-cultivados representativos como descrito acima. Iluminado J - V dados para estas duas amostras está representada na Figura 6 A primeira amostra ("SnS140203F") 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 de polarização, estas distribuições são calculados como Equação 1 em que <j> representa a média da densidade de corrente medida para todos os dispositivos, σ J é o desvio padrão destas medições, e N é o número total de medições. Em outras palavras, a média e o erro padrão são representados graficamente. Esta representação ajudará a comparar resultados de diferentes amostras, e para avaliar visualmente oimpacto das mudanças na fabricação do dispositivo sobre o desempenho do dispositivo resultante.

Os J - V dados sugerem que as amostras sofrem de problemas com a resistência de derivação que varia entre dispositivos em uma amostra. Esta conclusão é reforçada por figuras 7 e 8. Na Figura 7, os parâmetros das células solares convencionais são traçados - tensão de circuito aberto (V OC), a densidade de corrente de curto circuito (J SC), o factor (FF), e a eficiência de conversão de energia preencher -. Para todos os mesmos dispositivos mostrados na Figura 6 A representação gráfico de barras ajuda a identificar visualmente correlações entre parâmetros. Para estas amostras a correlação mais aparente é entre a eficiência eo FF, como esperado para dispositivos que sofrem de shunt ou resistência série perdas. Para o segundo dispositivo, há também uma aparente correlação entre a eficácia e V OC,como esperado para perdas de resistência shunt.

Estas correlações são explicitadas pelos parcelas multivariados apresentados na Figura 8. Aqui, OC V, J SC, e FF são plotados contra a série (R s) e shunt (R sh) resistências. R s e R sh são calculados usando linear se encaixa para o J - dados V próximos de 0,5 e 0 V, respectivamente. Em muitos casos, seria melhor para extrair Rs e R sh como parâmetros num modelo de diodo, que pode ser em forma de J o V - dados. No entanto, para células solares eficiência relativamente baixa há muitas fontes de perda, e modelos de diodo que se sucedem para dispositivos de eficiência mais elevados não são confiáveis. Portanto, prefere-se extrair e R s R SH por uma técnica mais robusta. Embora os valores resultantes podem não ser precisos, o trends ainda são instrutivas e pode ser usado para orientar o desenvolvimento. Os dados na Figura 8 confirmam que a resistência shunt é uma fonte importante de perda. Isto pode ser visto mais claramente na tendência crescente no FF (R sh). Os dados mostram que, no atual estágio de desenvolvimento do dispositivo, a resistência shunt deve ser mantida maior que aproximadamente 200 Ω cm2 para que os ganhos de eficiência de outras melhorias de processo para se tornar aparente. R s não parece limitar os dispositivos aqui relatados. Os valores para R s são tipicamente 0,5 Ω cm2, e só raramente se aventurar acima Ω 1 cm 2.

Resultados de um representante "baseline" amostra ALD-crescido como descrito acima são apresentados na Figura 9. Os dispositivos ALD mostrar um melhor desempenho do que os dispositivos TE, com o melhor dispositivo que mostra a eficiência de 4,6%. Além das diferentes técnicas de crescimento SnS, o two fabricação procedimentos diferem na passivation superfície SnS por oxidação. Além disso, as amostras de TE são expostos ao ar no laboratório entre crescimento do filme e de recozimento, ao passo que as amostras são recozidas ALD na câmara de crescimento sem um intervalo de ar. As amostras cultivadas-ALD parecem sofrer menos com perdas de resistência shunt do que as amostras TE-crescidos. A razão para esta diferença não é conhecido. É possível que as películas desenvolvidas-ALD SnS são mais compactos, devido ao modo de crescimento auto-limitante e taxa de crescimento lento, que os filmes TE-cultivadas.

Os testes de dispositivos certificados são reproduzidas na Figura 10. 9,10 À esquerda é mostrado o dispositivo de registro de certificado usando uma camada SnS crescido-ALD. A eficiência certificada para este exemplo era de 4,36%, e dispositivos de até 4,54% de eficiência foram medidos utilizando o mesmo processo de fabrico. À direita é mostrado o dispositivo de registro de certificado usando uma camada SnS TE-grown. A eficiência certificada para esse exemploera 3,88%, e dispositivos de até 4,1% têm sido medido com o mesmo procedimento. Note-se que o resultado do teste certificado 3,88% está bem dentro da gama de medida para a mesma amostra, para a qual a média ± desvio padrão é de 3,5% ± 0,4%, como mostrado na Figura 7.

A Figura 11 mostra os resultados, demonstrando a estabilidade das células solares SnS TE-cultivados em condições ambientais. Para selecionar amostras J - V testes foram realizados antes e após o armazenamento por até 11 meses. As amostras foram armazenadas ao ar e expostas à luz ambiente, sem encapsulação. Todas as quatro amostras mostrados na Figura 11 foram processadas de forma ligeiramente diferente do que o processo descrito aqui; isto é, por razões históricas, e não há nenhuma razão para pensar que os dispositivos aqui relatados teriam diferentes características de estabilidade. As diferenças de processamento são descritos na legenda figura, e que representam a variação performance dos dispositivos. O ponto principal é que o mínimo de degradação é observada ao longo de um ano. Ele continua a ser visto como SnS células solares sobreviveria testes de vida mais acelerado, como calor úmido ou iluminação espectro completo prolongada.

Figura 1
Figura 1. Dispositivo de processo de fabrico. A enumeração de o processo de fabrico do aparelho, a partir de corte do substrato (# 1, em baixo) para metalização (# 9, parte superior).

Figura 2
Figura 2. Visão geral do sistema de deposição de camada atômica (ALD). (Superior) sistema ALD desenho esquemático. (Inferior) fotografia sistema ALD, com componentes críticos numerados e marcados. Este sistema pode executar deposição SnS, SnS recozimento, e buffer deposição de camada e senta-se no Gordno grupo da Universidade de Harvard. É constituída por um tubo de deposição na parede quente, dois fornos utilizados para armazenar precursor, gás entregar e sistema de controlo, sistema de controlo da temperatura e uma bomba de vácuo mecânica palhetas rotativas. O titular substrato pode colocar, no máximo, oito 1 "× 1" substratos quadrados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. evaporação térmica (TE) visão geral do sistema. Os componentes críticos são numerados e etiquetados. Este sistema é dedicado à deposição SnS e senta-se no grupo Buonassisi no MIT. O sistema consiste de uma câmara de processamento e um bloqueio de carga. A câmara de processo normalmente é mantida sob condições de alto vácuo (1 × 10 -8 Torr) e inclui uma fase fechada com substratorotação da amostra e aquecimento radiativo, e uma célula de efusão fechada para fonte de evaporação. A câmara também tem um monitor retrátil de cristal de quartzo (QCM) localizado directamente por baixo da placa de substrato para medir a taxa de crescimento, e um pirômetro para medir a temperatura do substrato. Pó SnS adquiridos comercialmente é utilizado para o precursor, com um pré-tratamento térmico descrito anteriormente. 9 A placa de substrato possui um grande substrato dispositivo (1 × 2 em 1) e uma menor substrato (1 × 1/3 em 2), que é usada para medições de cinema SnS. A distância entre o substrato para o orifício fonte é de 10 cm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. padrão Metalização e fotografia da amostra. & # 160; O desenho à esquerda mostra o padrão de metalização para 0,25 centímetros dois dispositivos. Para maior clareza a pegada TCO é descrita em apenas um dispositivo. Também é mostrada a localização da almofada TCO maior do que é utilizado para as medições de reflectividade óptica. A fotografia à direita mostra uma amostra real com SnS TE-crescidos. A região riscado à esquerda proporciona um contacto para a camada subjacente Mo para o teste. Fotografia:. KJ Wang Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. teste de dispositivos com cartão de sonda. Esta imagem de cima para baixo mostra uma amostra montada no mandril estação de teste com vários dispositivos contactados simultaneamente com o cartão sonda personalizada. Apenas metade da amostra é visível nesta imagem."target =" _ blank jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. J - V para testes de dispositivos na "base" duas amostras diferentes TE. Por motivos de clareza, todos os 12 dispositivos numa determinada amostra são traçados na mesma cor (cinza ou vermelho). Também estão representados graficamente representativos J - envelopes V (média ± erro padrão) para todos os dispositivos em cada amostra, como descrito no texto. Estas medidas foram realizadas sem uma abertura de luz definindo área. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

. Figura 7. parâmetros de teste de células solares para duas amostras de referência TE Os resultados do teste são plotadas em uma única linha para cada dispositivo testado - 11 dispositivos cada para "SnS140203F" (em cima) e "SnS140306H" (parte inferior) - para fazer correlações mais aparente . Acima de cada parcela é relatado o melhor, média, desvio padrão (SD) e erro padrão (SE) para cada distribuição. Note-se que o melhor V OC (por exemplo) é mais alto medido V OC, não o oc V do dispositivo mais eficiente. Estas medidas foram realizadas sem uma abertura de luz definindo área. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8
Figura 8. S eries e resistência shunt parcelas multivariados para duas amostras de referência TE. Os dispositivos representados são o mesmo relatado nas Figuras 6-7. A série (R s) e shunt (R sh) resistências são calculadas como descrito no texto. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9
Figura 9. testes JV e parâmetros de teste para uma linha de base amostra de ALD. (Superior) As curvas JV mostrar bom desempenho de pico, mas alguns dispositivos sofre claramente de baixa resistência shunt. (Parte inferior) Os parâmetros de teste mostram uma forte correlação entre a eficiência eo FF, consistente com perdas de resistência shunt. Estas medidas foram realizadas sem uma abertura de luz definindo área..jove.com / files / ftp_upload / 52705 / "target =" _ blank 52705fig9large.jpg "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10
Figura 10. Resultados de certificação para dispositivos ALD- e TE-crescidos. Certificação realizada pelo Caracterização Equipe Desempenho PV no Laboratório Nacional de Energia Renovável, EUA. (Esquerda) O registro certificada ALD é de 4,36%, conforme relatado em Sinsermsuksakul et al. 10 (Direito) O registro de certificado TE é de 3,88%, conforme relatado em Steinmann et al. 9 Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 11
Figura 11. Longo tempo stadade de células solares SnS J -. V testes de amostras que foram medidos regularmente durante um período de cerca de um ano, enquanto está a ser armazenado no ar e ser exposto à luz ambiente, sem encapsulação. Para cada painel as curvas pretas mostram a mensuração inicial, as curvas vermelhas mostram a medição final, e correu curvas mostram. As linhas finas mostram o melhor dispositivo para cada ensaio, e as curvas de espessura são representativos J - envelopes V (média ± erro padrão) para todos os dispositivos em cada amostra, como descrito no texto. Todos os quatro painéis mostram amostras TE-cultivadas que foram processados ​​como descrito neste manuscrito, excepto para as seguintes diferenças: (a) n H 2 S passo de recozimento. (B) camada absorvente Thinner, 650 nm de espessura; nenhuma H 2 S passo de recozimento; exposição ao ar realizada a 200 ° C durante 30 min. (C) camada absorvente Thinner, 650 nm de espessura; nenhuma H 2 S passo de recozimento; camada tampão wom maior teor de enxofre e de azoto sem dopagem. Revestimento (d) anti-reflexo depositado no topo da pilha do dispositivo. O tempo entre as medições foi de 50 semanas, 48 semanas, 48 semanas e 28 semanas para painéis de a, b, c, e d, respectivamente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 12
Figura 12. A visualização de não uniformidade espacial entre duas amostras de linha de base TE. Os resultados são os mesmos como descritos na Figura 6-8. Há 11 dispositivos em cada amostra, e cada dispositivo é codificados por cores de acordo com a eficiência medida; o mapa de cores, é a mesma para ambas as amostras. Eclosão preto-e-branco indica um que o dispositivo não foi medido, ou nenhum dispositivo estava presente (como um canto de cada amostra).

Figura 13
Figura 13. Ilustrado exemplo de teste de hipóteses, na presença de comum causa variância. Personagens fictícios Angela e Nessi estão testando separadamente a hipótese de que o Processo B produzir células solares mais alta eficiência de Processo A. Angela tem controle de processo superior, mas a eficiência da linha de base ligeiramente inferior Nessi. (A, D, G) distribuições de probabilidade verdadeiro para resultados Angela e Nessi das. (B, E, H) medições individuais. (C, F, I) distribuições de medição. Com apenas 6 amostras, Angela pode rejeitar a hipótese nula, mas Nessi não pode. Veja o texto para a descrição completa. Por favor clique aqui para veruma versão maior da figura.

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Discussion

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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 vidro, o que conduz a uma maior uniformidade de aquecimento durante o crescimento e o recozimento. Com bolachas de vidro adquiridos comercialmente, verificou-se que era necessário para limpar os substratos com detergente, incluindo uma massagem manual com dedos com luvas seguido por um banho de ultra-sons quente, a fim de remover todos os vestígios visíveis de contaminação, e mesmo assim a limpeza do substrato não podia ser garantida. Foi confirmado experimentalmente que a escolha de vidro ou substratos de Si não tem qualquer impacto no desempenho do dispositivo. However, essa comparação foi realizada com dispositivos estavam na 2% - 3% gama eficiente, e as comparações repetidas vai valer a pena como a eficiência da linha de base melhora.

Tipicamente 10 ou mais substratos são limpos em um tempo usando um transportador de quartzo wafer personalizados. Isso produz resultados mais reprodutíveis do que lidar com wafers individualmente com uma pinça.

Mo pulverização catódica

Decidiu-se depositar o Mo volta de contatos (o cátodo) em casa em vez de substratos de compra Mo-revestido após resultados decepcionantes foram obtidos com os substratos disponíveis de vários fornecedores diferentes. Com substratos compradas (Mo cuspiu no vidro) foram encontrados problemas com limpeza, delaminação, ou ambos. O filme Mo é depositado por cintilação de magnetrão DC, em duas camadas, um para adesão ao substrato de Si / SiO2 e uma em alta condutividade, de acordo com os resultados publicados pelaScofield e t al. 13

Filmes típicos Mo são 720 nm de espessura, com uma resistência de folha de aproximadamente 1 Ω / sq. A resistência de folha é medida sobre um substrato sacrificial usando um sistema de sonda de quatro pontos depois de cada corrida Mo crescimento. Além disso, a adesão ao substrato é testada usando uma lâmina de bisturi. Filmes bem aderidas pode resistir a coçar a mão com um bisturi a pressão moderada sem de-laminação. Filmes mal aderidas vai de-laminado com apenas uma ligeira pressão. Observou-se que um passo curto de limpeza de plasma de substrato na câmara de pulverização antes do crescimento Mo é importante para se obter uma boa adesão. Parâmetros típicos para este passo de limpeza são 20 mTorr Ar, 20 W de RF, e 60 seg.

Crescimento SnS por evaporação térmica

SNS é evaporado da fonte de pó usando uma célula de efusão baixa temperatura comprada comercialmente com um cadinho de nitreto de boro pirolítico com volume 32 centímetros 3. Quando a fonte é carregado pela primeira vez, é um pó fino e cinza de cor escura. Tipicamente 3 4 g de pó é carregado. Com a nova fonte de pó, a temperatura da fonte é de aproximadamente 540 ° C, a fim de manter uma taxa de crescimento de um  / seg num substrato aquecido a 240 ° C. Com um número crescente de pistas de crescimento, a temperatura da fonte tem de ser aumentada para manter uma taxa de crescimento constante. Quando a temperatura da fonte necessária atinge 610 ° C, o pó é trocado.

Intimamente ligada à temperatura da fonte é a questão dos flocos SnS. Quando a taxa de crescimento é aumentado para mais de 10 Â / seg, flocos grandes SnS pode ser observado na película de desenvolvimento. Desconhece-se se estes se originam a partir da fonte principal, ou a partir de fontes secundárias, tais como a mortalha célula de efusão ou o obturador fonte.

Uma observação notável é que quando um lote de fonte de pó é exausto que deixa para trás um resíduo branco porosono fundo do cadinho. Difracção de raios-X confirma que este é SnO2. O peso do resíduo é tipicamente de 0,01 g.

Crescimento SnS por ALD

Um parâmetro crítico neste processo é a pressão do gás de transporte de azoto que flui para o Sn (AMD) 2 precursora. A pressão é mantida perto de 250 Torr, mas podem variar um pouco ao longo do tempo. Dado que a razão em volume do Sn (AMD) 2 precursora e borbulhador de gás N2 armadilha é de 5: 1, a pressão no interior do borbulhador é de cerca de 50 Torr. Se este valor torna-se muito grande, a evaporação do precursor de Sn vai ser suprimida de forma significativa. Por outro lado, se a pressão no interior do borbulhador é demasiado pequena, não haveria uma queda de pressão suficiente entre o borbulhador e a fornalha de reacção (que tem uma pressão de 10 ~ Torr) para permitir um fluxo de gás suave. Qualquer um desses cenários terá como resultado a precursor Sn inadequada na ALD reação. Uma indicação deste problema é que a espessura da película perto da saída do forno de reacção é muito mais fina do que perto da entrada. Durante cada deposição, a pressão dentro do reactor é monitorada para certificar-se de que as pressões do sistema sentar-se na gama correcta.

Para assegurar uma distribuição uniforme da temperatura dentro da zona de reacção, a entrada e a saída do tubo de deposição na parede quente são embrulhados com fitas de aquecimento. De acordo com as fitas de aquecimento, um par de termopares são inseridos para medir a temperatura. Uma distribuição não uniforme da temperatura no interior da zona de reacção vai resultar em diferentes morfologias película SnS em diferentes regiões. Na maior temperatura de deposição, os filmes tendem a ser mais áspero e tem uma cor mais clara. No caso de baixas temperaturas inferiores a 200 ° C, películas têm uma reflectividade superior, como pode ser examinada a olho nu.

SnS recozimento num forno de tubo 2 S H </ P>

O objectivo do passo de recozimento é para optimizar a morfologia, cristalinidade, e as propriedades eléctricas dos filmes SnS. Para as células solares TE-cultivadas, o passo de recozimento é realizado num forno de tubo dedicado. Este forno tubo de quartzo 2 "diâmetro é capaz de fluir misturas de 4% de H 2 S (balanço N2), 4% de H 2 (saldo N2), pura N 2 e puro Ar. As temperaturas são controlados por elementos de aquecimento externos Nicrómio e monitorizada utilizando um termopar revestido de quartzo localizado na zona quente. O gás é evacuado usando uma bomba de óleo preenchido com óleo inerte. Seals são feitos usando H 2 elastômeros resistentes S. Pressão de base típico é 8 20 mTorr.

A temperatura de recozimento de 400 ° C é um equilíbrio entre o crescimento de grão secundário e filme de re-evaporação. Em princípio, a alta temperatura de recozimento pode ser benéfica para o desempenho do dispositivo, e pode ser conseguido sem significativa fiperda lm utilizando uma pressão mais elevada do forno. Este é o tema de investigação activa.

SnS passivation superfície com um óxido nativo

O objectivo do passo de passivação é o de reduzir a densidade de estados de armadilhas electrónicos na junção entre o absorvedor e as camadas de amortecimento, e para servir como uma barreira de difusão para impedir a mistura indesejada dos elementos constituintes das camadas absorventes e de tampão. 14 Tem foi observado que as amostras processadas com este passo de oxidação têm valores mais elevados do que V OC amostras processadas sem.

Neste momento, o passo de oxidação não tem sido extensivamente estudada e provavelmente não é optimizada. Usando raios-X Os resultados de espectroscopia de fotoelectrão (não mostrados), estima-se que o óxido deve ser inferior a 1 nm de espessura para o bom desempenho e para evitar o bloqueio actual.

Deposição da conduc transparenteóxido ting (TCO), óxido de índio-estanho (ITO)

Antes deste ponto é tomado cuidado para controlar a exposição total do ar das amostras em cada etapa. No entanto, após a exposição ao ar a deposição de camada de tampão não é mais limitado e as amostras são armazenadas e transportadas no ar ambiente.

Antes deste ponto, todos os depoimentos foram filmes de "cobertor", cobrindo todo o substrato. Deste ponto em diante os depoimentos são padronizados para definir dispositivos individuais. Para tanto o ITO e metalização passos os depoimentos são definidos usando máscaras de metal sombra de corte a laser. Para a deposição ITO, é muito importante que a área da almofada depositado é claramente definida pela máscara de sombra. Se a área não é bem definida, por exemplo devido à flexão da máscara no alinhador máscara, em seguida, a área activa dos dispositivos resultantes podem ser significativamente maiores do que o tamanho nominal de 0,25 cm2. Isso pode levar à errônea sobre-reporting da densidade de corrente.

Metalização

O padrão de metalização é projetado para permitir a iluminação local da ferramenta de medição da eficiência quântica para cair completamente no ITO sem sobreposição com o metal. Esta restrição resulta em 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. Este padrão é menos do que óptima a partir de um ponto de vista do desempenho do dispositivo. Um padrão otimizado para o desempenho do dispositivo iria usar mais dedos com espaçamento menor.

Ag foi usado para células TE-cultivados e Ni / Al tem sido utilizado para células cultivadas-ALD. Esta divisão é histórica e não é baseado em um resultado experimental. É possível que o Ni / Al fornece uma resistência superior à corrosão durante os períodos de armazenamento longos. Na verdade, tem-se observado que os contactos Ag têm uma tendência para corroer durante o armazenamento prolongado em ar (por example, mais de um ano).

Caracterização de dispositivos

Dispositivos acabados são caracterizadas usando corrente e tensão - medições recolhidas ("J V") e eficiência quântica externa (EQE) medidas coletadas com e sem luz branca e viés de tensão. To-date células solares foram medidos em contato com aparelhos individuais um-em-um-tempo, usando micromanipuladores sonda em uma configuração típica estação de sonda. Os sistemas de simuladores solares e EQE eram fisicamente desligado, de modo que a amostra a ser necessário re-contactado para cada medição. Como resultado, levaria cerca de 4-5 horas para medir J - V e EQE em todos os 11 dispositivos.

Uma estação de teste integrado de alto rendimento que combina J - V e EQE usando um único chuck amostra e um cartão de sondagem que contatos de todos os dispositivos em simultâneo foi instalado recentemente no MIT, ver Figure 5. As ligações eléctricas são controlados por um multiplexador programável, e a platina motorizada mandril XY é controlada por computador. Desta forma, J - V e EQE medições podem ser realizadas sequencialmente em todos os 11 dispositivos em menos de 1 hora.

Por dispositivo de rotina testando uma abertura de luz definir a área não é utilizada. Portanto, a área de dispositivo ativo pode ser subestimada, resultando em excesso de estimativas da densidade de corrente. No entanto uma abertura é usado por laboratórios de certificação, muitas vezes resultando em eficiências mais baixas (cf figuras 7, 9 e 10). Usando uma abertura que define a área de luz é sempre desejável, mas para testes de rotina é muitas vezes negligenciado devido a preocupações de ordem prática, tais como para minimizar o contacto físico com o topo da amostra. O erro sistemático devido à sub-estimativa da área de dispositivo ativo pode ser atenuado com o uso de dispositivos áreas maiores. Para o trabalho descrito aqui, o bastante pequena (0,25 centímetros 2) tamanho foi escolhido como apropriado para o desenvolvimento da primeira tecnologia de palco (em fases anteriores foi utilizado um dispositivo ainda menor de 0,03 cm2 sem metalização). Agora que os dispositivos estão na gama de 4% de eficiência e são reprodutíveis, é importante aumentar para um tamanho de 1 cm2 ou mais.

Para além das técnicas de caracterização padrão descritos acima, em amostras ocasião também são testados utilizando técnicas incluindo dependente da temperatura J - V, Suns- V OC, perfilamento capacitância-tensão, e de bloqueio em termografia. Estas técnicas são usadas para quantificar e compreender mecanismos específicos, tais como perda de recombinação interface e perda de resistência em série.

O significado dos protocolos de fabricação de dispositivos de partilha

Em publicações sobre inorgânico PV de filme fino os resultados dos testes de dispositivos são nunca (com experiência), acompanhada por sufficient detalhes experimentais para reproduzir o experimento. Esta situação leva à frustração desnecessária entre os pesquisadores individuais, e dificulta o andamento de todo o campo. Esta situação também faz com que seja difícil comparar os procedimentos aqui descritos para os utilizados por outros grupos de investigação. As técnicas descritas neste manuscrito foram desenvolvidos com a ajuda de inúmeras conversas com pesquisadores no PV de filme fino (principalmente nos Estados Unidos), e um monte de tentativa-e-erro. Os autores esperam que este trabalho ajuda os outros a evitar frustrações desnecessárias, e estabelece um precedente para detalhes de relatórios de métodos experimentais em PV de filme fino.

As aplicações futuras do protocolo descrito

O protocolo aqui descrito é usado para estabelecer uma "linha de base" SNS célula solar. A característica mais importante de um protocolo de fabricação de linha de base é repetibilidade; o número absoluto eficiência é menos importante. EUn experiência dos autores, repetibilidade é o atributo chave que irá permitir a investigação em curso para melhorar a eficiência, como através da melhoria passivation superfície ou redução de densidade de defeitos em massa. Sem um protocolo de linha de base repetível é extremamente difícil avaliar os efeitos das alterações no protocolo de fabricação. Isto é completamente descrito na seção abaixo sobre testes de hipóteses.

Os trabalhos em curso e futura sobre células solares SNS alavancar o protocolo de linha de base descrito aqui para otimizar as etapas de fabricação individuais com o objetivo de aumentar a eficiência do dispositivo. De particular interesse são o H 2 S de recozimento e passos de passivação da superfície, uma vez que estes têm um impacto directo a densidade de defeitos na maior parte do absorvedor e ao nível de p - n junção.

Conjuntos de dados permitir testes de hipóteses

Em um campo que idolatra eficiências campeão, é tentador para maisolhar o conjunto - a> 99% dos dispositivos (não-campeão) - e as informações úteis que proporciona. Esta seção motiva análise de dados conjunto, e apresenta abordagens fáceis de visualizar e extrair informações úteis a partir de dados do conjunto. Pressupõe-se que o leitor tenha uma compreensão de trabalho das estatísticas experimentais (teste de hipóteses), e é confortável cálculo de uma distribuição de Gauss, o desvio padrão, erro padrão e intervalos de confiança de 95% para um determinado conjunto de dados.

Simplificando, a análise dos dados do conjunto é o estudo da variabilidade, que quando reduzido, permite um melhor teste de hipóteses. Variabilidade, coloquialmente "ruído", ofusca o "sinal" durante orientado a hipótese de engenharia de processos e da investigação científica. Como ruído aumenta, mais experimentos são prestados inconclusivos. Experimentos inconclusivos são um desperdício de tempo, recursos e otimismo. Ensemble de dados pode ajudar a reduzir a variabilidade de duas maneiras:

Primeiro, os dados do conjunto revelam processo não-uniformidades no espaço e no tempo. Este tipo de variabilidade é sistemático (eg., Causada por ou com temperatura caudal gradientes dentro de uma determinada câmara de deposição de película fina), produzindo um padrão claro espacialmente resolvido de variação de desempenho, exemplificado pela Figura 12. A variação espacial ou temporal encarna a "impressão digital" da etapa de processo ofensivo. In-situ amostras de metrologia e de controlo podem ajudar a identificar e solucionar problemas de fontes de variabilidade processo sistemático.

Em segundo lugar, os dados do conjunto revelar "sorte-of-the-draw" ou "causa comum" variância, ou seja, a variabilidade estatística que afeta todos os elementos do ensemble de forma igual. Esta variabilidade é mais difícil de resolver, uma vez que é o resultado de agregados de vários passos de processamento acoplados. Common-causa variância pode ser minimizado por rigorosos controles de processoe procedimentos operacionais padrão em cada etapa - reconhecidamente uma proposta desafiadora em uma rápida mudança e ambiente acadêmico minimamente cuidada. No entanto, o seguinte exercício ilustra por que a redução causa comum variância é essencial.

O impacto da causa comum variância exemplificado: Uma competição amigável científica, imaginário entre o Dr. meticuloso e Dr. Sujo: Angela e Nessi são pesquisadores de dois laboratórios diferentes. Eles estão envolvidos em uma competição amigável científica para testar a hipótese de que o Processo B gera melhores dispositivos do que um processo A. base de referência bem aceito Ambos os pesquisadores empregam um procedimento de teste de hipóteses padrão, o que pressupõe que causa comum variância resulta em distribuições de eficiência de Gauss ( funções de distribuição estatísticos representativos incluem mais log-normal para as distribuições sem valores extremos, e quanto mais estatisticamente robusta log-Cauchy-de Lorenz para distribuições com forte outliers).

Angela é conhecido por seus colegas como "Dr. Meticuloso. "Ela se esforça para reduzir a variabilidade do processo. Angela não compartilhar seu beakerware com os outros, emprega câmara de pré-condicionamento antes de rotinas de deposição de filmes finos, incorpora amostras de controlo com cada corrida fabricação, e prefere substratos de silício IC-grade com superfícies de óxido de térmicas em vez das superfícies de vidro mais variáveis. Ela produz dispositivos de linha de base (a) do processo com um "verdadeiro" (ie., Real) eficiência de 10% e um desvio padrão verdadeiro true) de 0,5% significa. Dispositivo de fabricação e as medições são demorados, e que ela só é capaz de medir e fabricar dispositivos seis (n = 6) por processo.

Em outro laboratório, Nessi é duro no trabalho. Para seus colegas, Nessi é conhecido como "Dr. . "Sua fabricação e metrologia ferramentas Sujo estão localizados em uma instalação de uso compartilhado. Quando é a vez delapara usá-los, ela não tomar as precauções necessárias para garantir baixo causa comum variância. Mas por causa de sua negligência, seu desvio padrão verdadeiro é de 1,5% absoluta (3 x maior do que Angela). Essa maior σ verdade reflete condições experimentais menos bem controlados. No entanto, porque Nessi utiliza materiais como matéria-prima mais elevada pureza, sua linha de base do Processo Um alcança uma média verdadeira de 10,6%. Nessi fabrica e medidas n = 6 dispositivos por processo.

Vamos supor que o Processo B melhora "true" eficiência dispositivo de 10% relativo (ou seja, 10% de melhora para 11%;. Melhora de 10,6% para 11,7%). Tanto Angela e Nessi aplicar o teorema do limite central para os n = 6 dispositivos cada um deles fabricam, como mostrado na Figura 13 Note-se que os "verdadeiros" distribuições (Figuras 13A, D, G) estão escondidos com os investigadores.; eles só observar seus dados experimentais (Figuras 13B, E, H) e o resultante gaussianas convulsões, erros padrão, e os intervalos de confiança (Figuras 1C, F, I).

Por um lado, de Angela apertado controle de processo (menor variabilidade, σ menor true) lhe permite rejeitar a hipótese nula, concluindo com> 95% de confiança que o Processo B é superior ao Processo A (Figura 13C). Por outro lado, Nessi, que tem maior σ verdade, não se pode concluir que o Processo B é melhor do que o Processo A (Figura 13F) com N = 6. Mesmo que Nessi tem a sorte de fazer dois dispositivos com ganhos de eficiência que são maiores do que qualquer um de Angela de (Figuras 13B, E), Angela está vencendo a corrida para publicar o artigo científico que irá revolucionar a forma como ela pensa sobre o campo Processo B.

Nessi percebe que ela precisa para aumentar sua confiança intervalos, o que o obriga a reduzir suaerro de medição padrão (SE), ie.,

Equação 2 . [1]

Nessi pode exercer qualquer uma das duas abordagens para corresponder de Angela 3 × menor SE: Nessi pode reduzir a sua verdadeira variabilidade o) por um fator de 3, ou aumentar N por um fator de 3 2 = 9. Nessi ganha acesso a um alto aparelho de medição de vazão dispositivo, aumentando N por 9 ×. Esta melhoria compensa sua 3 x maior variabilidade do processo, e ela é capaz de detectar uma diferença estatisticamente significativa entre Processos A e B, rejeitando a hipótese nula com> 95% de certeza (Figura 13I). Ela está de volta na corrida para a publicação.

Eficiências de linha de base mais altas aumentam as chances de teste de hipóteses de sucesso: Concentrando-se na equação para SE (Equação 1), pode ser vistocomo aumentar o desempenho de linha de base aumenta as chances de teste de hipóteses de sucesso. Se o Processo B acima referido foram testadas num dispositivo de linha de base -efficient 5% em vez de 10%, a melhoria da eficiência absoluta seria apenas 0,5% em vez de 1%. Assumindo σ o mantém-se inalterado, o número mínimo de amostras necessários para rejeitar a hipótese nula aumenta em 4 ×. Assim, melhorar o desempenho do dispositivo de linha de base tem o mesmo efeito matemática como reduzindo σ, ie., Uma melhoria de 1-a-1 em intervalos de confiança.

Palavra final: Redução de erro padrão é essencial para minimizar o risco de testes de hipóteses inconclusivos. Erro padrão podem ser reduzidas por decréscimo causa comum variância, manifesto em σ O, o que resulta em uma redução de 1-a-1 em SE. Melhorar o desempenho da linha de base tem um efeito equivalente. Pode-se também aumentar o tamanho da amostra N, mas isso irá ter um fracoimpacto de er em SE por causa da raiz quadrada (N aumentando também aumenta o risco de variação sistemática).

A importância da aplicação de estatística experimental é amplamente aceito em biologia e física (comités estatísticas cf permanentes experimentos em tudo alta energia). 15 Para melhorar a qualidade dos dados de relatórios no PV, recomenda-se que os pesquisadores prestar atenção à 99% dos dispositivos que eles fabricar, e adotar o teste de hipóteses com conjuntos de dados.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

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.

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

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References

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Fazendo Record-eficiência SnS Células solares por evaporação térmica e Deposição Camada Atómica
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Jaramillo, R., Steinmann, V., Yang, C., Hartman, K., Chakraborty, R., Poindexter, J. R., Castillo, M. L., Gordon, R., Buonassisi, T. Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition. J. Vis. Exp. (99), e52705, doi:10.3791/52705 (2015).More

Jaramillo, R., Steinmann, V., Yang, C., Hartman, K., Chakraborty, R., Poindexter, J. R., Castillo, M. L., Gordon, R., Buonassisi, T. Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition. J. Vis. Exp. (99), e52705, doi:10.3791/52705 (2015).

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