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Engineering

Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Sulfuro de estaño (SNS) es un material absorbente de candidato a la Tierra abundantes células solares, no tóxicos. SnS ofrece control de fase fácil y rápido crecimiento por evaporación térmica congruentes, y que absorbe la luz visible con fuerza. Sin embargo, durante mucho tiempo el registro de eficiencia de conversión de energía de las células solares SnS mantuvo por debajo de 2%. Recientemente hemos demostrado nuevas eficiencias récord certificadas del 4,36% utilizando SnS depositados por deposición de capas atómicas, y 3.88% usando evaporación térmica. Aquí el procedimiento de fabricación para estas células solares de registro se describe, y se informa de la distribución estadística del proceso de fabricación. La desviación estándar de eficiencia medido en un único sustrato es típicamente más de 0,5%. Todos los pasos que incluyen la selección y limpieza del sustrato, Mo pulverización catódica para el contacto posterior (cátodo), la deposición del SNS, recocido, pasivación de la superficie, Zn (O, S) Selección de capa tampón y depósito, conductor transparente (ánodo) deposición y metalización se describen. En cada sustrato fabricamos 11 dispositivos individuales, cada uno con área activa de 0,25 cm 2. Además, se describe un sistema para la medición de alto rendimiento de las curvas de corriente-voltaje bajo luz solar simulada, y medición de la eficiencia cuántica externa con sesgo de luz variable. Con este sistema podemos medir conjuntos de datos completos sobre los 11 dispositivos de forma automatizada y en un tiempo mínimo. Estos resultados ilustran el valor de estudiar grandes conjuntos de muestras, en lugar de centrarse estrictamente en los más altos dispositivos de rendimiento. Grandes conjuntos de datos nos ayudan a distinguir y remediar mecanismos de pérdida individuales que afectan a nuestros dispositivos.

Introduction

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Fotovoltaica de película delgada (PV) siguen atrayendo el interés y la actividad investigadora significativa. Sin embargo, la economía de mercado fotovoltaico están cambiando rápidamente y desarrollar con éxito comercial fotovoltaica de película delgada se ha convertido en una perspectiva más desafiante. Ventajas de coste de fabricación más de las tecnologías basadas en obleas ya no puede darse por sentado, y las mejoras en la eficiencia y el costo deben buscarse en pie de igualdad. 1,2 A la luz de esta realidad, hemos optado por desarrollar SnS como material absorbente para PV de película delgada. SnS tiene ventajas prácticas intrínsecas que podrían traducirse en bajo coste de fabricación. Si altas eficiencias se pueden demostrar, que podría ser considerado como un reemplazo de acogida para CdTe en comercial fotovoltaica de película delgada. Aquí, se demuestra el procedimiento de fabricación de los discos células solares SnS recientemente denunciados. Nos centramos en los aspectos prácticos, como la selección del sustrato, las condiciones de deposición, el diseño de dispositivos y protocolos de medición.

SnS se compone de elementos no tóxicos, la Tierra-abundantes y de bajo costo (estaño y azufre). SnS es un sólido semiconductor (nombre mineral Herzenbergite) inerte e insoluble con una banda prohibida indirecta de 1,1 eV, fuerte absorción de luz de fotones con energía por encima de 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), y intrínseca conductividad tipo p con concentración de portadores en el rango de 15 oct-17 oct cm -3 3 - 7. Es importante destacar que, SnS evapora congruente y es de fase estable hasta 600 ° C 8,9 Esto significa que SnS pueden ser depositados mediante evaporación térmica (TE) y su alta. -Velocidad primo, la sublimación espacio cerrado (CSS), como se emplea en la fabricación de células solares de CdTe. También significa que el control de fase SnS es mucho más simple que para la mayoría de los materiales fotovoltaicos de película delgada, en particular incluyendo Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) y Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Por lo tanto, ef celulardeficiencia se erige como el principal obstáculo para la comercialización de SnS PV, y SNS podría considerarse un sustituto de acogida para CdTe vez altas eficiencias se demuestran en la escala de laboratorio. Sin embargo, esta barrera de eficiencia no puede ser exagerada. Estimamos que la eficiencia de registro debe aumentar por un factor de cuatro, de ~ 4 ~% a 15%, con el fin de estimular el desarrollo comercial. Desarrollar SnS como el crecimiento también requerirá gota en el reemplazo de CdTe de las RSC de alta calidad de películas delgadas por CSS, y el desarrollo de un material de tipo socio n en la que SnS puede cultivar directamente.

A continuación se describe el procedimiento paso a paso para la fabricación de SnS récord células solares utilizando dos técnicas de deposición diferentes, la deposición de capas atómicas (ALD) y TE. ALD es un método de crecimiento lento, pero hasta la fecha ha dado los mayores dispositivos de eficiencia. TE es más rápido e industrialmente escalable, pero se queda ALD en la eficiencia. Además de los diferentes métodos de deposición del SNS, el TEy las células solares ALD difieren ligeramente en el recocido, pasivación de la superficie, y los pasos de metalización. Las etapas de fabricación dispositivo se enumeran en la Figura 1.

Después de describir el procedimiento, se presentan resultados de las pruebas de los dispositivos de registro certificados y muestras relacionadas. Los resultados récord se ha informado anteriormente. Aquí, la atención se centra en la distribución de los resultados de una típica rutina de procesamiento.

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Protocol

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1. Sustrato Selección y Corte

  1. Compra pulido obleas de Si con un óxido térmico de espesor. Para los dispositivos divulgados aquí, utilizar obleas de espesor 500 micras con un 300 nm o más grueso de óxido térmico. Los criterios de selección de sustrato se discuten en la sección de Discusión.
  2. Escudo de la vuelta del lado pulido de la oblea con un fotoprotector típica positivo (SPR 700 o PMMA A. 495) y hornear suave (30 segundos a 100 ° C).
    Nota: Esta es una capa protectora para evitar daños o contaminación durante la etapa de corte subsiguiente.
  3. Use una sierra troquel para cortar la oblea en 1 "× 1" (25,4 x 25,4 mm 2) sustratos cuadrados.

2. Sustrato de limpieza

  1. Eliminar partículas y otros residuos que resultan de la etapa de corte usando una pistola de nitrógeno comprimido, seguido de un baño de ultrasonidos en (DI) de agua desionizada durante 5 min a 45 - 60 ° C.
  2. Retire la capa de resina fotosensible con un ba ultrasónicaTH en acetona durante 5 min a 45 - 60 ° C.
  3. Limpiar el sustrato expuesta con 3 baños de ultrasonidos posteriores, todas durante 5 min a 45 - 60 ° C: acetona, etanol, y alcohol isopropílico. Acabado de secado con una pistola de nitrógeno comprimido, mientras que los sustratos se mantienen en el portador de cuarzo.

3. Mo Sputtering

  1. Cargue los de Si / SiO2 sustratos limpios en un sistema de pulverización catódica alto vacío. Asegúrese de que la placa de sustrato es climatizada y rotación sustrato está habilitada. Para los dispositivos divulgados aquí, proceso en un sistema comercial con armas de fuego de magnetrón inclinadas con 2 "objetivos y una distancia de proyección de aproximadamente 4".
  2. Depositar la primera capa (la capa de adhesión) a presión relativamente alta de fondo como 10 mTorr de Ar. Para los dispositivos divulgados aquí, proceso de pulverización catódica con una potencia de 180 W (DC), lo que da una tasa de crecimiento de 2,6 Å / seg, y una primera capa de Mo que es de 360 ​​nm de espesor.
  3. Depositar el segundocapa (la capa conductora) a una presión relativamente baja de fondo como de 2 mTorr Ar. Utilice el mismo poder de pulverización catódica como la primera capa (180 W) y depositar el mismo espesor.
    Nota: Los dispositivos aquí presentados tenían una segunda capa de Mo que era 360 nm de espesor, lo mismo que la primera capa.
  4. Después de la deposición de Mo, almacenar los sustratos al vacío hasta la etapa de deposición del SNS.

4. SnS Deposición

Nota: La técnica de deposición ALD se describe en la subsección 4.1, y la deposición TE se describe en la subsección 4.2. El sistema de deposición de ALD se muestra en la Figura 2, y el sistema de TE deposición se muestra en la Figura 3.

  1. Depósito SnS por ALD
    1. Antes de cargar en el reactor, poner sustratos Mo en un limpiador de ozono UV durante 5 min para eliminar las partículas orgánicas. A continuación, coloque los sustratos en el soporte de sustrato y se insertan en la zona de deposición.
    2. Estabilizar la tempe hornoratura a 200 ° C antes de comenzar la deposición.
    3. Crecer SnS películas delgadas de la reacción de bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N iPr) 2) 2, denominado aquí como Sn (AMD) 2] y sulfuro de hidrógeno (H 2 S) 4.
      1. Mantenga el Sn (AMD) 2 precursor a una temperatura constante de 95 ° C. Utilice puro gas N 2 para ayudar a la entrega de Sn (AMD) 2 vapor desde el recipiente en el horno a la zona de deposición. Durante cada ciclo de ALD, suministro de tres dosis de Sn (amd) 2 precursor de la exposición total de 1,1 Torr segundos.
      2. Utilice una mezcla de gas de 4% de H 2 S en N 2 como la fuente de azufre. Asegúrese de que la exposición al vapor de sulfuro de hidrógeno es 1,5 Torr segundos por dosis. Asegúrese de que la presión parcial de H 2 S y la presión total de H 2 S en N 2 son 0,76 Torr y 19 Torr, respectivamente.
    4. Set tque el bombeo de tiempo entre dosis precursor Sn y H 2 dosis S ser sólo 1 seg (corto en comparación con la mayoría de otros procedimientos ALD convencionales) con el fin de acelerar la deposición.
      Nota: Debido a que el precursor de Sn no se elimina por completo por este tiempo de bombeo definitiva, algún precursor Sn residual cuando el H 2 S llega. Así, el proceso puede ser descrito como un proceso CVD pulsada. La tasa de crecimiento de la película SnS es 0,33 Å / ciclo, o 0,04 Å / seg.
  2. Depósito SnS por TE
    1. Asegúrese de que la presión de la cámara proceso es 2 x 10 -7 Torr o inferior. Sustratos de carga en la cámara a través del bloqueo de carga. Mantenga los sustratos a la placa ya sea con un solo clip, o con un soporte de sustrato de encargo con los bolsillos de tamaño apropiado que se atornilla a la placa de sustrato.
    2. Rampa de la fuente y calentadores de sustrato a sus consignas. Para el dispositivo informado aquí la temperatura del sustrato es 240 ° C y la tasa de crecimiento es 17; / seg; para lograr esta tasa de crecimiento ajustar la temperatura de la fuente en la gama de 550 a 610 ° C (la temperatura aumenta de origen necesarios con el tiempo para una sola carga de polvo de fuente). El espesor de la película de destino es de 1.000 nm.
    3. Medir la velocidad de deposición utilizando el monitor de cristal de cuarzo (QCM) antes y después de la deposición de la película SnS moviendo el brazo QCM en la cámara de proceso. Para esta medición el sustrato se eleva de manera que la QCM puede ser movido a la posición de crecimiento sustrato.
      Nota: La tasa de deposición se mantiene bastante constante a lo largo de un tiempo de deposición de 3 horas (± 0,05 Å desviación / seg).
    4. Después de la deposición, la transferencia de las muestras de nuevo en el bloqueo de carga antes de venteo de aire. Transportar rápidamente las muestras a través del aire en el almacenamiento, ya sea en vacío o en una atmósfera inerte guantera antes de la próxima etapa de procesamiento.
      Nota: El tiempo típico de la exposición involuntaria de aire es de aproximadamente 3 min. El tiempo de almacenamiento típico es entre un día y aweek.

5. SnS recocido

Nota: Este paso se realiza de forma ligeramente diferente para las células solares ALD y TE. El procedimiento de recocido para las células solares ALD se describe en la subsección 5.1, y el procedimiento para las células solares TE se describe en la subsección 5.2. El propósito de recocido se discute en la sección de Discusión.

  1. Recocer las películas SnS ALD-crecido en H 2 S de gas.
    Nota: Este paso se realiza en el mismo sistema utilizado para el crecimiento ALD.
    1. Utilice H 2 S gas puro (99,5% de pureza) a una velocidad de flujo de 40 sccm y la presión de 10 Torr.
    2. Calentar la película SNS para una temperatura de 400 ° C y mantener durante 1 hora en el entorno de gas H2 S. Asegúrese de que el gas está fluyendo a lo largo de todo el proceso, incluyendo la temperatura rampa hacia arriba y abajo.
  2. Recocer las películas SnS adultos TE en gas H 2 S. Realice este paso en un horno tubular dedicado.
    1. ª Cargae muestras sobre una placa de cuarzo limpio y diapositiva en la región caliente zona del horno.
    2. Después se sella el horno, purgar tres veces con N 2 puro y dejar de bombear a presión base.
    3. Establecer el flujo de gas a 100 sccm de 4% de H 2 S a 28 Torr.
    4. Rampa la temperatura a 400 ° C durante 10 min. Mantenga a 400 ° C durante 1 hora, y luego permitir que las muestras se enfríen sin ayuda en la bañera de la zona. Mantener el flujo de gas H 2 S y presión constantes hasta que las muestras se enfrían por debajo de 60 ° C. Retire las muestras y, o bien proceder de inmediato al siguiente paso, o colocarlos en el almacenamiento en una caja de guantes de gas inerte.

6. SnS pasivación de la superficie con un óxido nativo

Nota: Este paso se realiza de forma ligeramente diferente para las células solares ALD y TE. En la subsección 6.1 se describe el procedimiento de pasivación de la superficie de las células solares ALD, y el procedimiento para las células solares TE se describe en la subsección6.2. La función de este paso se discute en la sección de Discusión.

  1. Para las muestras ALD-crecido, crecer una fina capa de SnO2 por ALD.
    Nota: Utilizamos un reactor diferente a la utilizada para el crecimiento del SNS.
    1. Crecer SnO2 por la reacción de amida cíclica de estaño [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) 1,3,2-diazastannolidin-2-iliden) Sn (II)] y el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2). Guarde el precursor de estaño amida cíclica en un horno a 43 ° C, y el H 2 O 2 en un pelele a RT.
    2. Mantenga la temperatura del substrato a 120 ° C durante la deposición.
    3. Exponer el precursor de estaño y H 2 O 2 con 0,33 y 1,5 Torr segundos por ciclo, respectivamente, para un total de 5 ciclos. Compruebe que el espesor de la resultante de SnO 2 es 0,6 0,7 nm, medido por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) análisis 10.
  2. Para las muestras cultivadas-TE, forman un thin capa de SnO2 por la exposición al aire.
    1. Exponga las muestras al aire ambiente de laboratorio durante 24 horas. Compruebe que el espesor de la resultante de SnO 2 es de aproximadamente 0,5 nm, medido por análisis XPS.
      Nota: El típico RT es 24 ± 1 ° C, y la humedad típico es 45% ± 13% (mayor en el verano); para los dispositivos divulgados aquí, los valores fueron de 24,6 C y <30%, respectivamente.

7. La deposición de la Zn (O, S) / capa de ZnO Buffer

Nota: Este paso se realiza en la misma cámara de ALD que se utiliza para el crecimiento SnS por ALD.

  1. Crecer un Zn (O, S): N capa por ALD.
    1. Mantener la temperatura del substrato a 120 ° C.
    2. Crecer Zn (O, S): N por ALD de la reacción de dietilzinc (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), agua desionizada (H 2 O), 4% de H 2 S en N 2, y el amoníaco (NH 3) 11. Guarde las contai pelelening DEZ a RT. Utilice una secuencia de ciclo de la [DEZ-H2O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, y repita este super ciclo de 12 veces. Asegúrese de que la exposición de amoníaco es 11 Torr segundos.
    3. Compruebe que la relación S / Zn en la película resultante es 0,14, según lo medido por espectroscopia de retrodispersión de Rutherford 12, y que el espesor de la película es de aproximadamente 36 nm.
  2. Crecer una capa de ZnO por ALD.
    1. Mantener la temperatura del substrato a 120 ° C.
    2. Crecer ZnO con 50 ciclos de duración limitada de DEZ-H 2 O.
      Nota: El espesor de la película de ZnO resultante es aproximadamente 18 nm.

8. La deposición del óxido conductor transparente (TCO), óxido de estaño e indio (ITO)

  1. Cortar ITO máscaras de sombra de un 0,024 "(610 m) de aluminio 6061 de hoja usando un cortador láser de laboratorio.
    Nota: Las máscaras definen 11 dispositivos rectangulares que son 0,25 cm 2 enmás del tamaño de una almohadilla grande en una esquina que se utiliza para las mediciones de reflectividad óptica, véase la Figura 4.
  2. Montar los dispositivos y máscaras en un alineador de máscara.
    Nota: Se trata de una placa de aluminio con los bolsillos anidados para el sustrato y máscaras y clips para fijar las máscaras en su lugar.
  3. Depósito de ITO por pulverización catódica con magnetrón reactivo.
    1. Calentar el sustrato de aproximadamente 80 a 90 ° C y permitir la rotación del sustrato.
    2. Utilice un objetivo ITO diámetro de 2 pulgadas (En 2 O 3 / SnO2 90/10 en peso.%, 99,99% de pureza) a los 65 W de potencia de RF de pulverización catódica con Ar / O 2 flujo de gas 40 / 0,1 sccm a las 4 mTorr presión total.
    3. Crece un 240 nm de espesor película de ITO.
      Nota: Con estos parámetros, las tasas de crecimiento de 0,5 Å / seg y la hoja de resistencias en el rango de 40 - 60 Ω / cuadrado se logran.

9. Metalización

  1. Máscaras de sombra Corte de metalización de un austen espesor 127 micraschapa de acero inoxidable ITIC.
    Nota: Estas máscaras se cortan con + 10 / -5 tolerancia micras por una empresa comercial. El patrón de metal consta de 2 dedos separados por 1.5 mm de largo, cada 7 mm, y una placa de contacto 1 x 1 mm 2, véase la Figura 4.
  2. Montar los dispositivos y máscaras en un alineador de máscara, como en el paso 8.2.
  3. Fuerte Ag (para dispositivos TE) o Ni / Al (para dispositivos ALD) por evaporación por haz de electrones.
    1. Monte máscara alineador sobre la placa de sustrato de un sistema de metales evaporación por haz de electrones. Bomba hasta una presión de base por debajo de 1 x 10 -6 Torr.
    2. Se evapora el metal a una velocidad de 2 Å / seg. Deposite 500 grosor total de metal nm.

Caracterización 10. Dispositivo

  1. Realizar corriente-tensión - mediciones ("J V") en todos los dispositivos a la luz solar oscuro y en AM1.5 simulado.
    1. Calibrar el simulador solar mediante la recopilación de J - fr datos Vom una célula solar de silicio calibrado y ajuste de la potencia de la lámpara simulador solar y la altura hasta alcanzar el valor actual calibrada para la insolación AM1.5.
    2. Póngase en contacto con los dispositivos en modo de cuatro hilos con berilio cobre consejos dobles sonda en ponerse en contacto tanto a la (cátodo, Mo) capas superior (ánodo, Ag o Al) e inferior. Póngase en contacto con la capa inferior por rascarse las capas de amortiguación y SNS con una hoja de bisturí.
    3. V datos utilizando una fuente metros por el voltaje de abastecimiento y de medición de corriente - Medida J claras y oscuras.
      Nota: Los dispositivos se miden típicamente dentro del rango de ± 0,5 V. Los dispositivos no responden a la dirección o la velocidad de los barridos de tensión. Para las pruebas de rutina no se utiliza una abertura de luz área definitoria, consulte la sección de discusión para más detalles.
  2. Realizar la eficiencia cuántica externa (EQE) mediciones en todos los dispositivos, con luz variable y polarización de tensión.
    1. Calibrar el sistema EQE midiendo la respoNSE de un fotodiodo de calibración Si.
      Nota: El software compara estos datos con las mediciones realizadas con un estándar respaldado por el NIST para ajustar el nivel de luz en consecuencia.
    2. Póngase en contacto con los dispositivos que utilizan el método de cuatro hilos, como en el paso 10.1.2.
    3. Mida EQE utilizando un sistema comercial que ilumina la muestra con luz monocromática picada a 100 Hz en un rango de longitud de onda de 270 nm y 1100 mide la corriente resultante. Realizar esta medida según el procedimiento operativo estándar del fabricante.
    4. Repita la medición EQE con voltaje variable y blanca sesgo luz. Use un SourceMeter para abastecer a la polarización de tensión, y una lámpara halógena para abastecer el sesgo de la luz. Mida dispositivos, tanto en avance y retroceso de polarización de tensión, intensidad y bajo luz blanca variable hasta ~ 1 Suns.
    5. Medir la reflectancia óptica (% R) de la superficie superior ITO usando un espectrofotómetro con una esfera de integración con el fin de convertir externo a internoeficiencia cuántica (IQE). Realizar esta medida según el procedimiento operativo estándar del fabricante.

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Representative Results

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En las Figuras 6-8 se muestran los resultados para dos representativos "de referencia" muestras crecidas-TE como se describe anteriormente. Iluminado J - V de datos para estas dos muestras se representa en la Figura 6 La primera muestra ("SnS140203F") produjo el dispositivo con eficiencia certificada de 3,88% que se había informado anteriormente distribuciones 9 Representante JV también se muestran para cada muestra... Para un voltaje de polarización dado, estas distribuciones se calculan como Ecuación 1 donde <J> es el promedio de la densidad de corriente medido para todos los dispositivos, J σ es la desviación estándar de estas mediciones, y N es el número total de mediciones. En otras palabras, la media y el error estándar se representan gráficamente. Esta representación ayuda con la comparación de los resultados de diferentes muestras, y para evaluar visualmente laimpacto de los cambios en la fabricación de dispositivos en el rendimiento del dispositivo resultante.

Los J - V datos sugieren que las muestras sufren de problemas con la resistencia shunt que varía entre dispositivos en una muestra. Esta conclusión se ve reforzada por las figuras 7 y 8. En la Figura 7 los parámetros de las células solares estándar se representan gráficamente - tensión de circuito abierto (V OC), la densidad de corriente de cortocircuito (J SC), el factor de llenado (FF), y la eficiencia de conversión de potencia -. Para todos los mismos dispositivos que se muestran en la Figura 6 La representación gráfica de barras ayuda a identificar visualmente las correlaciones entre los parámetros. Para estas muestras la correlación más evidente es entre la eficiencia y el FF, como se esperaba para los dispositivos que sufren de derivación o de resistencia serie pérdidas. Para el segundo dispositivo también hay una correlación aparente entre la eficiencia y V OC,como se esperaba por las pérdidas de resistencia shunt.

Estas correlaciones se hacen explícitas por las parcelas multivariados mostrados en la Figura 8. Aquí, V OC, J SC, y FF se representan frente a la serie (R s) y shunt (R sh) resistencias. R R sh s y se calculan utilizando lineal se adapta a la J - V de datos cerca de 0,5 y 0 V, respectivamente. En muchos casos, sería mejor para extraer s R y R sh como parámetros en un modelo de diodo que pueden ser aptos para el J - V de datos. Sin embargo, para las células solares relativamente baja eficiencia hay muchas fuentes de pérdidas, y los modelos de diodo que tienen éxito para los dispositivos de eficiencia más altos no son fiables. Por lo tanto se prefiere para extraer s R y R sh mediante una técnica más robusta. Aunque los valores resultantes pueden no ser exactos, el trends siguen siendo instructiva y se puede utilizar para guiar el desarrollo. Los datos en la Figura 8, confirman que desvían la resistencia es una fuente importante de pérdida. Esto se puede ver más claramente en la tendencia al alza en FF (R sh). Los datos muestran que, en la etapa actual de desarrollo de dispositivos, la resistencia shunt debe mantenerse superior a aproximadamente 200 Ω cm 2 con el fin de aumentar la eficiencia de otras mejoras en los procesos a ser evidente. R s no parece limitar los dispositivos divulgados aquí. Los valores de R s son típicamente 0,5 Ω cm 2, y sólo rara vez se aventuran por encima de 1 Ω cm 2.

Resultados para un representante "de referencia" muestra ALD-crecido como se describe anteriormente se muestran en la Figura 9. Los dispositivos ALD muestran un mejor rendimiento que los dispositivos de TE, con el mejor dispositivo que muestra la eficiencia de 4,6%. Además de las diferentes técnicas de crecimiento del SNS, el two fabricación procedimientos difieren en la pasivación de la superficie SnS por oxidación. Además, las muestras de TE se exponen al aire en laboratorio entre crecimiento de la película y de recocido, mientras que las muestras ALD son recocidas en la cámara de crecimiento sin una ruptura de aire. Las muestras ALD-crecido parecen sufrir menos de pérdidas de resistencia de derivación que las muestras cultivadas-TE. La razón de esta diferencia no se conoce. Es posible que las películas SnS ALD-crecido son más compactos, debido a la modo de crecimiento auto-limitante y tasa de crecimiento lento, que las películas crecidas-TE.

Las pruebas de dispositivos certificados se reproducen en la Figura 10. 9,10 A la izquierda se muestra el dispositivo de registro certificado utilizando una capa SnS ALD-crecido. La eficiencia certificada para esta muestra fue 4,36%, y los dispositivos de hasta 4,54% de eficiencia se han medido utilizando el mismo procedimiento de fabricación. A la derecha se muestra el dispositivo de registro certificado utilizando una capa SnS crecido-TE. La eficiencia certificada para esta muestrafue 3,88%, y los dispositivos de hasta 4,1% se han medido con el mismo procedimiento. Tenga en cuenta que el resultado de la prueba certificado 3,88% está bien dentro de la gama de medida para la misma muestra, para lo cual la media ± desviación estándar es 3,5% ± 0,4%, como se muestra en la Figura 7.

La Figura 11 muestra los resultados que demuestran la estabilidad de las células solares SnS TE cultivados en condiciones ambientales. Para seleccionar muestras J - V pruebas se realizaron antes y después de almacenar durante un máximo de once meses. Las muestras fueron almacenadas en el aire y se expusieron a la luz ambiente sin encapsulación. Las cuatro muestras se muestran en la Figura 11 se procesaron de forma ligeramente diferente que el procedimiento aquí presentados; esto es por razones históricas, y no hay razón para pensar que los dispositivos presentados aquí podrían tener diferentes características de estabilidad. Las diferencias de procesamiento se describen en el pie de figura, y representan el performanc variandoe de los dispositivos. El punto principal es que la degradación mínima se observa más de un año. Queda por ver cómo SnS células solares podrían sobrevivir la prueba de vida más acelerado, como el calor húmedo o prolongada iluminación de espectro completo.

Figura 1
Figura 1. Dispositivo proceso de fabricación. Enumeración del proceso de fabricación del dispositivo, desde el corte de sustrato (# 1, abajo) para la metalización (# 9, arriba).

Figura 2
Figura 2. Descripción del sistema de deposición de capas atómicas (ALD). (Arriba) sistema ALD dibujo esquemático. (Abajo) fotografía del sistema ALD, con componentes críticos numeradas y etiquetadas. Este sistema puede realizar la deposición del SNS, SnS recocido, y el tampón deposición de capas y se sienta en el Gordel grupo de la Universidad de Harvard. Se compone de un tubo de deposición de pared caliente, dos hornos utilizados para almacenar precursor, gas entregan y sistema de control, sistema de control de la temperatura y una bomba de vacío rotativa de paletas mecánico. El titular de sustrato puede poner como máximo ocho 1 "x 1" sustratos cuadrados. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3
Figura 3. visión general del sistema de evaporación térmica (TE). Los componentes críticos están numeradas y etiquetadas. Este sistema es dedicada a SnS deposición y se sienta en el grupo Buonassisi en el MIT. El sistema consta de una cámara de proceso y un bloqueo de carga. La cámara de proceso se mantiene típicamente en condiciones de vacío alto (1 × 10 -8 Torr) e incluye una etapa sustrato cerrada conrotación de la muestra y calefacción por radiación, y una célula de efusión cerrada para la evaporación fuente. La cámara también tiene un monitor retráctil de cristal de cuarzo (QCM) situado directamente debajo de la placa de sustrato para medir la tasa de crecimiento, y un pirómetro para medir la temperatura del sustrato. Comercialmente comprado polvo SnS se utiliza para el precursor, con un pre-tratamiento térmico descrito anteriormente. 9 La placa de sustrato tiene un sustrato gran dispositivo (1 × 1 en 2) y uno más pequeño de sustrato (1 × 1/3 en 2), que es utilizado para las mediciones de cine del SNS. La distancia desde el sustrato al orificio de fuente es 10 cm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. patrón de metalización y la fotografía de la muestra. & # 160; El dibujo de la izquierda muestra el patrón de metalización de 0,25 cm 2 dispositivos. Para mayor claridad la huella TCO se resume en un solo dispositivo. También se muestra la ubicación de la almohadilla de TCO más grande que se utiliza para las mediciones de reflectividad óptica. La fotografía de la derecha muestra una muestra real con SnS adultos TE. La región de rayado a la izquierda proporciona un contacto a la capa de Mo subyacente para la prueba. Fotografía:. KJ Wang Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5. prueba de dispositivos con la tarjeta de la sonda. La imagen de arriba hacia abajo muestra una muestra montada en el mandril de la estación de prueba con varios dispositivos simultáneamente en contacto con la tarjeta sonda personalizada. Sólo la mitad de la muestra se puede ver en esta imagen.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. J - V pruebas para dispositivos en dos muestras diferentes TE "de referencia". Para mayor claridad, todos los 12 dispositivos en una muestra dada se representan gráficamente en el mismo color (gris o rojo). También representados son representativos J - V sobres (promedio ± error estándar) para todos los dispositivos en cada muestra, como se describe en el texto. Estas mediciones se realizaron sin una abertura de luz área definitoria. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

. Figura 7. parámetros de ensayo de células solares para muestras TE dos basales Los resultados de la prueba se representan en una sola línea para cada dispositivo probado - 11 dispositivos cada uno para "SnS140203F" (arriba) y "SnS140306H" (abajo) - para hacer correlaciones más evidentes . Por encima de cada parcela se reporta el mejor, promedio, desviación estándar (DE), y el error estándar (SE) para cada distribución. Tenga en cuenta que la mejor oc V (por ejemplo) es la más alta oc V medido, no el V oc del dispositivo más eficiente. Estas mediciones se realizaron sin una abertura de luz área definitoria. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8
Figura 8. S erie y resistencia shunt parcelas multivariados para muestras TE dos iniciales. Los dispositivos representados son el mismo reportado en las Figuras 6-7. La serie (R s) y derivación (R) sh resistencias se calculan como se describe en el texto. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9
Figura 9. pruebas JV y parámetros de prueba para la muestra ALD una línea de base. (Arriba) Las curvas de JV muestran buen desempeño máximo, pero algunos dispositivos sufren claramente de baja resistencia shunt. (Parte inferior) Los parámetros de la prueba muestran una fuerte correlación entre la eficiencia y el FF, en consonancia con las pérdidas de resistencia en derivación. Estas mediciones se realizaron sin una abertura de luz área definitoria..jove.com / archivos / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10
Figura 10. Resultados de certificación para dispositivos adultos TE ALD- y Certificación. Realizado por el Caracterización Rendimiento del equipo fotovoltaico en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable, EE.UU.. (Izquierda) El registro certificado ALD es 4,36%, según se informa en Sinsermsuksakul et al. 10 (Derecha) El registro TE certificada es 3,88%, según se informa en Steinmann et al. 9 Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 11
Figura 11. Desde hace mucho tiempo stabilidad de las células solares SnS J -. pruebas V de muestras que se midieron varias veces durante un período de casi un año, mientras que se almacena en el aire y se expone a la luz ambiente sin encapsulación. Para cada panel de las curvas negras muestran la medición inicial, las curvas rojas muestran la medición final y frustradas curvas muestran. Las líneas delgadas muestran el mejor dispositivo para cada prueba, y las curvas gruesas son representativas J - V sobres (promedio ± error estándar) para todos los dispositivos en cada muestra como se describe en el texto. Los cuatro paneles muestran muestras crecidas-TE que se procesaron tal como se describe en este manuscrito a excepción de las siguientes diferencias: (a) Ningún H 2 S etapa de recocido. (B) capa absorbente Thinner, 650 nm de espesor; sin H 2 S etapa de recocido; la exposición al aire lleva a cabo a 200 ° C durante 30 min. (C) capa absorbente Thinner, 650 nm de espesor; sin H 2 S etapa de recocido; capa tampón wITH mayor contenido de azufre y de nitrógeno no dopaje. Revestimiento (d) antirreflectantes deposita en la parte superior de la pila de dispositivos. El tiempo entre las mediciones fue de 50 semanas, 48 semanas, 48 semanas y 28 semanas para los paneles a, b, c, yd, respectivamente. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 12
Figura 12. Visualización de espacial no uniformidad a través de dos muestras de referencia TE. Los resultados son la misma que se informa en la Figura 6-8. Hay 11 dispositivos en cada muestra, y cada dispositivo es un código de color de acuerdo a la eficiencia medido; el mapa de colores es la misma para ambas muestras. Eclosión blanco y negro indica que o bien no se midió el dispositivo, o ningún dispositivo estaba presente (como una de las esquinas de cada muestra).

Figura 13
Figura 13. Ejemplo de prueba de hipótesis se ilustra en la presencia de causa varianza común. Personajes de ficción Angela y Nessi están probando por separado la hipótesis de que el rendimiento del proceso B células solares mayor eficiencia que Proceso A. Angela tiene control de proceso superior, pero una eficacia ligeramente inferior a la línea de base Nessi. (A, D, G) distribuciones de probabilidad verdaderos resultados para Angela y Nessi de. (D, E, H) mediciones individuales. (C, F, I) distribuciones medidos. Con sólo 6 muestras, Angela puede rechazar la hipótesis nula, pero Nessi no puede. Véase el texto para la descripción completa. Haga clic aquí para veruna versión ampliada de la figura.

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Discussion

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Limpieza de la selección del sustrato

Obleas de Si oxidadas se utilizan como sustratos. Los sustratos son el soporte mecánico para las células solares resultantes y sus propiedades eléctricas no son importantes. Obleas de Si se prefieren al vidrio debido a obleas de Si adquiridos comercialmente son típicamente más limpio que las obleas de vidrio adquiridos comercialmente, y esto ahorra tiempo en la limpieza del sustrato. Si sustratos también tienen mayor conductividad térmica que el vidrio, lo que conduce a un calentamiento más uniforme durante el crecimiento y el recocido. Con las obleas de vidrio adquiridos comercialmente se encontró que era necesario limpiar los sustratos con detergente, incluyendo un masaje manual con los dedos enguantados seguido de un baño ultrasónico caliente, con el fin de eliminar todos los rastros visibles de contaminación, e incluso entonces la limpieza sustrato no pudo ser garantizada. Fue confirmado experimentalmente que la elección del vidrio o sustratos de Si no tiene impacto en el rendimiento del dispositivo. Sin embarer, esta comparación se realizó con dispositivos estaban en el 2% - 3% gama eficiente, y las comparaciones repetidas valdrá la pena como la eficiencia mejora la línea de base.

Por lo general 10 o más sustratos se limpian a la vez que utiliza un portador de obleas de cuarzo de diseño personalizado. Esto produce resultados más reproducibles que el manejo de obleas de forma individual con pinzas.

Mo pulverización catódica

Se decidió depositar el Mo vuelta de contacto (el cátodo) en la casa en vez de sustratos recubiertos de compra-Mo después se obtuvieron resultados decepcionantes con los sustratos disponibles de varios proveedores diferentes. Con sustratos comprados (farfulló Mo en vidrio) se encontraron problemas con la limpieza, exfoliación, o ambos. La película Mo se deposita por pulverización catódica con magnetrón DC en dos capas, una para la adhesión al sustrato de Si / SiO 2 y uno para alta conductividad, de acuerdo con los resultados publicados porScofield e t al. 13

Películas Mo típicos son 720 nm de espesor con una resistencia de lámina de aproximadamente 1 Ω / sq. La resistencia de la lámina se mide sobre un sustrato sacrificial usando un sistema de sonda de cuatro puntos después de cada carrera crecimiento Mo. Además, la adhesión al sustrato se prueba utilizando una hoja de bisturí. Películas bien adheridas pueden soportar arañar a mano con un bisturí a presión moderada y sin de-laminación. Películas mal adheridas se des-laminado con sólo una ligera presión. Se observó que una etapa de limpieza plasma de sustrato corto en la cámara de pulverización catódica antes de crecimiento Mo es importante para obtener una buena adherencia. Parámetros típicos para esta etapa de limpieza son 20 mTorr Ar, 20 W de RF, y 60 seg.

Crecimiento SnS por evaporación térmica

SnS se evapora a partir de polvo de origen mediante una célula de efusión baja temperatura comercialmente adquirida con un crisol de nitruro de boro pirolítico con volume 32 cm 3. Cuando la fuente se carga primero es un polvo fino y de color gris oscuro. Típicamente se carga 3 4 g de polvo. Con la nueva fuente de polvo, la temperatura de la fuente es de aproximadamente 540 ° C a fin de mantener una tasa de crecimiento de 1 Å / seg sobre un sustrato calentado a 240 ° C. Con un número creciente de carreras de crecimiento, la temperatura de la fuente se debe aumentar para mantener una tasa de crecimiento constante. Cuando la temperatura de la fuente requerida alcanza 610 ° C se intercambia el polvo.

Estrechamente conectado con la temperatura de la fuente es el tema de escamas del SNS. Cuando la tasa de crecimiento se incrementa a más de 10 Å / seg, grandes copos de SnS pueden ser observados en la película en crecimiento. Se desconoce si estos se originan en la fuente principal, o de fuentes secundarias tales como la cubierta de la célula de efusión o el obturador fuente.

Una observación notable es que cuando se agota un lote de polvo de fuente que deja detrás de un blanco, poroso residuoen la parte inferior del crisol. Difracción de rayos X confirma que se trata de SnO2. El peso de este residuo es típicamente 0,01 g.

Crecimiento SnS por ALD

Un parámetro crítico en este proceso es la presión del gas portador de nitrógeno que fluye hacia el Sn (AMD) 2 precursor. La presión se mantiene cerca de 250 Torr, pero puede variar un poco de tiempo en tiempo. Dado que la relación de volumen de la Sn (AMD) 2 burbujeador precursor y N 2 trampa de gas es 5: 1, la presión dentro del burbujeador es de alrededor de 50 Torr. Si este valor llega a ser demasiado grande, la evaporación de Sn precursor se suprimió significativamente. Por otro lado, si la presión dentro del burbujeador es demasiado pequeño, no habría no ser una caída de presión suficiente entre el burbujeador y el horno de reacción (que tiene una presión de ~ 10 Torr) para permitir un flujo de gas suave. Cualquiera de estos escenarios se traducirá a insuficiente precursor de Sn en la Liga AmericanaReacción D. Una indicación de este problema es que el espesor de película cerca de la salida del horno de reacción es mucho más delgada que cerca de la entrada. Durante cada deposición, la presión dentro del reactor se controla para asegurarse de que las presiones del sistema se sientan en el rango correcto.

Para asegurar una distribución uniforme de la temperatura dentro de la zona de reacción, la entrada y la salida del tubo de deposición de pared caliente están envueltos con cintas de calefacción. Bajo las cintas de calefacción, un par de termopares se insertan para medir la temperatura. Una distribución no uniforme de temperatura dentro de la zona de reacción resultará a diferentes morfologías de cine SnS en diferentes regiones. A mayor temperatura de deposición, las películas tienden a ser más áspero y tienen un color más claro. A bajas temperaturas por debajo de 200 ° C, las películas tienen una reflectividad más alta, como puede ser examinado por el ojo.

SnS recocido en un H 2 S tubo del horno </ P>

El propósito de la etapa de recocido es optimizar la morfología, cristalinidad, y propiedades eléctricas de las películas del SNS. Para las células solares cultivadas-TE, la etapa de recocido se realiza en un horno de tubo dedicado. Este horno de tubo de cuarzo 2 "de diámetro es capaz de fluir mezclas de 4% de H 2 S (balance de N 2), 4% de H 2 (balance de N 2), N 2 puro y puro Ar. Las temperaturas son controlados por elementos de calentamiento externos nicrom y monitoreadas usando un termopar de cuarzo-encerrado situado en la zona caliente. El gas se evacuó usando una bomba de aceite lleno de aceite inerte. Los sellos se realizan con H 2 S elastómeros resistentes. Presión base típica es 8 20 mTorr.

La temperatura de recocido de 400 ° C es un equilibrio entre el crecimiento de granos secundarios y la película re-evaporación. En principio, una mayor temperatura de hibridación puede ser beneficioso para el rendimiento del dispositivo, y podría ser logrado sin significativa fipérdida lm mediante el uso de una presión más alta del horno. Este es el tema de investigación activa.

SnS pasivación de la superficie con un óxido nativo

El propósito de la etapa de pasivación es reducir la densidad de estados electrónicos de trampa en el cruce entre el absorbedor y las capas de amortiguamiento, y para servir como una barrera de difusión para evitar la mezcla no deseada de los elementos constitutivos de las capas absorbentes y de amortiguamiento. 14 Tiene ha observado que las muestras procesadas con esta etapa de oxidación tienen valores V OC más altas que las muestras procesadas sin.

En este momento, la etapa de oxidación no ha sido ampliamente estudiado y probablemente no está optimizado. Utilizando los resultados de espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (no mostrados) se estima que el óxido debe ser inferior a 1 nm de espesor para un buen rendimiento y para evitar el bloqueo actual.

La deposición de la conduc transparenteóxido ting (TCO), óxido de indio y estaño (ITO)

Antes de este punto de atención se toma para controlar la exposición al aire total de las muestras en cada paso. Sin embargo, después de la exposición al aire deposición capa amortiguadora ya no está limitado y las muestras se almacenan y se transporta en el aire ambiente.

Antes de este punto, todas las declaraciones han sido películas de "manta", que abarca todo el sustrato. A partir de ahora las deposiciones se modeló para definir los dispositivos individuales. Tanto para el ITO y metalización pasos las deposiciones se definen utilizando máscaras de sombra de metal cortadas con láser. Para la deposición ITO es muy importante que el área de la almohadilla depositado está claramente definida por la máscara de sombra. Si el área no está claramente definida, por ejemplo debido a la flexión de la máscara en el alineador de máscara, entonces el área activa de los dispositivos resultantes puede ser significativamente mayor que el tamaño nominal de 0,25 cm 2. Esto puede conducir a la errónea sobre-reporting de la densidad de corriente.

Metalización

El patrón de metalización está diseñado para que el punto de iluminación de la herramienta de medición de la eficiencia cuántica a caer completamente en el ITO sin superponerse con el metal. Esta limitación resulta en 2 dedos separados por 1,5 mm, cada 7 mm de largo, y una almohadilla de contacto 1 x 1 mm 2, véase la Figura 4. Este patrón es menos que óptimo desde el punto de vista dispositivo de rendimiento. Un patrón optimizado para el rendimiento del dispositivo usaría más dedos con menor espaciado.

Ag se ha utilizado para las células cultivadas-TE y Ni / Al se ha utilizado para las células ALD-crecido. Esta división es histórico y no se basa en un resultado experimental. Es posible que Ni / Al proporciona una resistencia superior a la corrosión durante largos tiempos de almacenamiento. De hecho, se ha observado que los contactos Ag tienen una tendencia a corroer durante el almacenamiento prolongado en el aire (por example, más de un año).

Caracterización de dispositivos

Dispositivos terminados se caracterizaron utilizando corriente-tensión ("J - V") mediciones recogidas y la eficiencia cuántica externa (EQE) mediciones recogidas con y sin luz blanca y el sesgo de tensión. Células solares Hasta la fecha se han medido poniéndose en contacto con los dispositivos individuales de una en una sola vez, mediante micromanipuladores sonda en una configuración típica estación de sonda. Los sistemas de simulador y EQE solares eran físicamente desconectado, por lo que la muestra necesaria para ser re-estableció contacto para cada medición. Como resultado, se necesitarían aproximadamente 4-5 horas para medir J - V y EQE en los 11 dispositivos.

Una estación de pruebas de alto rendimiento integrado que combina J - V y EQE utilizando una sola tirada de muestras y una tarjeta de sondeo que los contactos de todos los dispositivos al mismo tiempo se ha instalado recientemente en el MIT, ver figuraUre 5. Las conexiones eléctricas están controladas por un multiplexor programable, y la etapa de la tirada XY motorizado es controlado por ordenador. De esta manera, J - V y mediciones EQE se pueden realizar secuencialmente en todos los 11 dispositivos en menos de 1 hr.

Para el dispositivo rutina probar una salida de luz área definitoria no se utiliza. Por lo tanto el área dispositivo activo puede ser subestimado, lo que resulta en exceso de las estimaciones de la densidad de corriente. Sin embargo una abertura es utilizado por los laboratorios de certificación, a menudo resultando en eficiencias inferiores (cf figuras 7, 9 y 10). El uso de una salida de luz área definitoria es siempre deseable, pero para las pruebas de rutina que a menudo se descuida debido a las preocupaciones prácticas, como para minimizar el contacto físico con la parte superior de la muestra. El error sistemático debido a subestimar la zona dispositivo activo puede ser mitigado mediante el uso de las áreas de dispositivos más grandes. Para el trabajo que se describe aquí, el más pequeño (0,25 cm 2) tamaño fue elegido como apropiado para el desarrollo de tecnología en estadio temprano (en las primeras etapas se utilizó un dispositivo aún menor de 0,03 cm 2 sin metalización). Ahora que los dispositivos están en el rango de 4% eficiente y son repetibles, vale la pena subiendo a un tamaño de 1 cm 2 o más.

Además de las técnicas de caracterización estándar descritas anteriormente, en muestras ocasión también se prueban utilizando técnicas que incluyen la temperatura dependiente de J - V, Suns- V OC, perfiles de capacitancia-voltaje y bloqueo en termografía. Estas técnicas se utilizan para entender y cuantificar la pérdida de mecanismos específicos tales como la recombinación interfaz y la pérdida de resistencia en serie.

La importancia de los protocolos de fabricación de dispositivos para compartir

En publicaciones sobre inorgánica PV de película fina de los resultados de las pruebas de dispositivos no son nunca (con experiencia) acompañado de sufficient detalles experimentales para reproducir el experimento. Esta situación conduce a la frustración innecesaria entre los investigadores individuales, y obstaculiza el progreso de todo el campo. Esta situación también hace que sea difícil comparar los procedimientos descritos en el presente documento a los utilizados por otros grupos de investigación. Las técnicas descritas en este manuscrito fueron desarrollados con la ayuda de numerosas conversaciones con los investigadores en PV de película delgada (principalmente en los Estados Unidos), y un montón de prueba y error. Los autores esperan que este trabajo ayuda a otros a evitar frustraciones innecesarias, y sienta un precedente para los detalles de información de métodos experimentales en PV de película delgada.

Las futuras aplicaciones del protocolo descrito

El protocolo descrito en el presente documento se utiliza para establecer una célula solar SnS "de referencia". La característica más importante de un protocolo de fabricación de línea de base es la repetibilidad; el número eficiencia absoluta es menos importante. YOn experiencia de los autores, la repetibilidad es el atributo clave que permitirá a la investigación en curso para mejorar la eficiencia, como por ejemplo mediante la mejora de pasivación de la superficie o la reducción de la densidad de defectos granel. Sin un protocolo de línea de base repetible, es extremadamente difícil de juzgar los efectos de cambios en el protocolo de fabricación. Esto se describe en detalle en la siguiente sección de la prueba de hipótesis.

El trabajo en curso y futuros en las células solares SNS aprovechar el protocolo de línea de base se describe aquí para optimizar las etapas de fabricación individuales con el objetivo de aumentar la eficiencia del dispositivo. De particular interés son el H 2 S de recocido y la superficie pasos de pasivación, ya que estos impactar directamente la densidad de defectos en la mayor parte del absorbedor y en el p - n de unión.

Conjuntos de datos permiten la comprobación de hipótesis

En un campo que idolatra eficiencia campeón, es tentador sobremirar el conjunto - el> 99% de los dispositivos (no-campeón) - y la información útil que proporciona. En esta sección se motiva el análisis de datos de conjunto y presenta enfoques fáciles de visualizar y extraer información útil a partir de datos del conjunto. Se presupone que el lector tiene un conocimiento de trabajo de estadísticas experimentales (prueba de hipótesis), y es cómodo calcular una distribución de Gauss, la desviación estándar, error estándar y los intervalos de confianza del 95% para un determinado conjunto de datos.

En pocas palabras, el análisis de los datos del conjunto es el estudio de la variabilidad, que cuando se reduce, permite una mejor prueba de hipótesis. Variabilidad, coloquialmente "ruido", ofusca la "señal" durante la hipótesis impulsada por la ingeniería de procesos y la investigación científica. A medida que aumenta el ruido, más experimentos se representan concluyentes. Experimentos no concluyentes son una pérdida de tiempo, recursos y optimismo. Datos Ensemble pueden ayudar a reducir la variabilidad de dos maneras:

En primer lugar, los datos del conjunto de procesos revelan falta de uniformidad en el espacio y el tiempo. Este tipo de variabilidad es sistemática (por ejemplo., Causada por o con temperatura de flujo de tipos de gradientes dentro de una cámara de deposición de película delgada dado), produciendo un patrón claro resolución espacial de la variación de rendimiento, ejemplificado en la figura 12. La variación espacial o temporal encarna la "huella digital" de la etapa del procedimiento infractor. In-situ muestras de metrología y control pueden ayudar a identificar y solucionar problemas de fuentes de variabilidad proceso sistemático.

En segundo lugar, los datos del conjunto revelan la "suerte-of-the-draw" o "causa común" varianza, es decir, la variabilidad estadística que afecta a todos los elementos del conjunto por igual. Esta variabilidad es más difícil de solucionar, ya que es el resultado agregado de múltiples etapas de procesamiento acoplados. Common-causa varianza mejor puede minimizarse estrictos controles de procesoy los procedimientos operativos estándar en cada paso - ciertamente una proposición difícil en un cambio rápido y ambiente académico mínimo de personal. Sin embargo, el siguiente ejercicio ilustra por qué la reducción de las causas comunes varianza es esencial.

El impacto de las causas comunes varianza ejemplifica: Una competencia científica amable, ficticia entre el Dr. meticulosa y el Dr. Sucias: Angela y Nessi son investigadores de dos laboratorios diferentes. Ellos están involucrados en una competencia científica amigable para poner a prueba la hipótesis de que el Proceso B genera mejores dispositivos de un proceso basal bien aceptada A. Ambos investigadores emplean un procedimiento de comprobación de hipótesis estándar, lo que supone que las causas comunes varianza resulta en distribuciones de eficiencia de Gauss ( funciones de distribución estadísticos representativos más incluyen log-normal para la distribución sin valores atípicos, y cuanto más estadísticamente robusta log-Cauchy-Lorenzian para distribuciones con una fuerte outliers).

Angela es conocido por sus colegas como "Dr. Meticuloso. "Ella se esfuerza para reducir la variabilidad del proceso. Angela no comparte su beakerware con otros, emplea la cámara de rutinas de acondicionamiento previo antes de la deposición de película delgada, incorpora muestras de control con cada corrida de fabricación, y prefiere sustratos de silicio IC-grado con superficies de óxido térmico en lugar de las superficies de vidrio más variables. Ella produce basales dispositivos (a) del proceso con un "verdadero" (es decir., Real) eficiencia del 10% y una desviación estándar verdaderas cierto) de 0,5% significa. La fabricación de dispositivos y mediciones son mucho tiempo, y que sólo es capaz de fabricar y medir seis dispositivos (n = 6) por proceso.

En otro laboratorio, Nessi es difícil en el trabajo. Para sus colegas, Nessi es conocido como "Dr. ". Su fabricación y metrología herramientas Sucias se encuentran en una instalación de uso compartido. Cuando es su turnousarlos, ella no toma las precauciones necesarias para garantizar bajo causa común varianza. Pero debido a su descuido, su desviación estándar verdadera es del 1,5% absoluto (3 x mayor que Angela). Este mayor σ verdadera refleja las condiciones experimentales menos bien controlados. Sin embargo, debido Nessi utiliza materiales de alimentación de mayor pureza, su proceso de línea de base A logra una verdadera media del 10,6%. Nessi fabrica y medidas N = 6 dispositivos por proceso.

Supongamos que el Proceso B mejora la "verdadera" la eficiencia del dispositivo en un 10% relativo (es decir, el 10% mejora a 11%;. 10,6% mejora hasta el 11,7%). Tanto Angela y Nessi aplicar el teorema del límite central para las N = 6 dispositivos cada uno de ellos fabrican, como se muestra en la Figura 13 Tenga en cuenta que los "verdaderos" distribuciones (Figuras 13A, D, G) se ocultan a los investigadores.; que sólo observan sus datos experimentales (Figuras 13B, E, H) y el de Gauss resultante ataques, errores estándar y los intervalos de confianza (figuras 1C, F, I).

Por un lado, un control más estricto proceso de Angela (menor variabilidad, σ pequeña cierto) le permite rechazar la hipótesis nula, concluyendo con confianza> 95% de que el Procedimiento B es superior al Proceso A (Figura 13C). Por otro lado, Nessi, quien tiene mayor σ cierto, no puede llegar a la conclusión de que el Procedimiento B es mejor que el Proceso A (Figura 13F) con N = 6. Aunque Nessi tiene la suerte de hacer dos dispositivos con eficiencias superiores a cualquiera de Angela (Figuras 13B, E), Angela está ganando la carrera por publicar el artículo científico que va a revolucionar la forma en que su campo piensa Proceso B.

Nessi da cuenta de que necesita aumentar sus intervalos de confianza, lo que le obliga a reducir suerror de medición estándar (SE), es decir.,

Ecuación 2 . [1]

Nessi puede perseguir uno de los dos enfoques para el partido de Angela 3 × más pequeña SE: Nessi puede reducir su verdadera variabilidad (o σ) por un factor de 3, o aumentar N por un factor de 3 2 = 9. Nessi obtiene acceso a un alto dispositivo de medición del caudal aparato, aumentando por N 9 ×. Esta mejora compensa su 3 × mayor variabilidad del proceso, y es capaz de detectar una diferencia estadísticamente significativa entre los procesos A y B, el rechazo de la hipótesis nula con> 95% de certeza (Figura 13I). Ella está de vuelta en la carrera para su publicación.

Eficiencias iniciales más altos aumentan las probabilidades de éxito de las pruebas de hipótesis: Centrándose en la ecuación para SE (Ecuación 1), se puede observarcómo aumentar el rendimiento de referencia aumenta las probabilidades de éxito de las pruebas de hipótesis. Si el mencionado proceso B se probaron en un dispositivo de la línea de base Eficiente 5% en lugar del 10%, la mejora absoluta eficiencia sería sólo el 0,5% en lugar del 1%. Suponiendo σ o se modifica, el número mínimo de muestras necesarias para rechazar las hipótesis nulas aumentos de 4 ×. Por lo tanto, mejorar el rendimiento del dispositivo de línea de base tiene el mismo efecto matemático como la reducción de σ, es decir., Una mejora de 1-a-1 en los intervalos de confianza.

Palabra final: Reducir el error estándar es esencial para minimizar el riesgo de las pruebas de hipótesis no concluyentes. Error estándar puede reducirse disminuyendo-causa común varianza, que se manifiesta en o σ, lo que resulta en una reducción de 1-a-1 en SE. Mejorar el rendimiento de referencia tiene un efecto equivalente. Uno puede también aumentar tamaño de la muestra N, pero esto tendrá un débiler impacto en SE a causa de la raíz cuadrada (aumentando N también aumenta el riesgo de variación sistemática).

La importancia de la aplicación de las estadísticas experimentales es ampliamente aceptado en la biología y la física (comités estadísticas cf permanentes experimentos en absoluto de alta energía). 15 Para mejorar la calidad de los datos que informan en PV, se recomienda que los investigadores presten atención del 99% de los dispositivos que fabricar, y adoptar la prueba de hipótesis con conjuntos de datos.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores desean agradecer a Paul Ciszek y Keith Emery, del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) para las mediciones de riesgo compartido certificados, Riley Brandt (MIT) para mediciones de espectroscopia de fotoelectrones, y Jeff Cotter (ASU) en busca de inspiración para la sección de la prueba de hipótesis. Este trabajo es apoyado por el Departamento de Energía de EE.UU. a través de la Iniciativa SunShot bajo contrato DE-EE0005329, y de Robert Bosch LLC a través de la Red de Investigación en Energía de Bosch bajo concesión 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, y K. Hartman reconocen el apoyo de la Fundación Alexander von Humboldt, un Premio de Investigación Postdoctoral DOE EERE, e Intel PhD Fellowship, respectivamente. Este uso de trabajo realizado, del Centro de Sistemas de la Universidad de Harvard a nanoescala que es apoyado por la Fundación Nacional de la Ciencia bajo premio 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas
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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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