Het maken van Record-efficiëntie SnS Zonnecellen door thermische verdamping en Atomic Layer Deposition

Abstract

Tin sulfide (SnS) in aanmerking absorptiemateriaal Aard--rijke, niet-toxisch zonnecellen. SnS biedt een gemakkelijke fase controle en snelle groei door congruent thermische verdamping, en het zichtbaar licht absorbeert sterk. Echter, lang de registreer vermogen omzettingsrendement van SnS zonnecellen bleef onder 2%. Onlangs toonden we nieuwe gecertificeerde staat rendementen van 4,36% met SnS afgezet door atomic layer deposition, en 3,88% met thermische verdamping. Hier de fabricageprocedure deze plaat zonnecellen wordt beschreven, en de statistische verdeling van het fabricageproces gemeld. De standaarddeviatie van efficiëntie gemeten op een enkel substraat normaal meer dan 0,5%. Alle stappen waaronder substraat selectie en schoonmaken, Mo sputteren voor het contact achter (kathode) is SNS depositie, gloeien, oppervlakte passiveren, Zn (O, S) bufferlaag selectie en depositie, transparante geleider (anode) depositie en metallisatie worden beschreven. Op elk substraat fabriceren we 11 individuele inrichtingen, elk met actieve oppervlakte 0,25 ^cm2. Verder is een systeem voor high throughput metingen van stroom-spanning curven onder gesimuleerd zonlicht en externe kwantumefficiëntie meting met variabele lichte voorspanning beschreven. Met dit systeem kunnen we de volledige datasets over alle 11 apparaten meten op een geautomatiseerde manier en in een mum van tijd. Deze resultaten illustreren de waarde van het bestuderen van grote sample sets, in plaats van zich ternauwernood op de best presterende apparaten. Grote datasets ons helpen om onderscheid te maken en op te lossen individuele verlies mechanismen die onze apparaten.

Introduction

Dunne film fotovoltaïsche (PV) blijven belangstelling en belangrijke onderzoeksactiviteiten te trekken. Echter, de economie van de PV-markt zich snel verschuiven en het ontwikkelen van commercieel succesvolle dunne film PV is uitgegroeid tot een meer uitdagende vooruitzicht. Productie kostenvoordelen over-wafer gebaseerde technologieën kan niet meer vanzelfsprekend, en verbeteringen in zowel de efficiency en de kosten moeten worden gezocht op gelijke voet. ^1,2 In het licht van deze realiteit die we hebben gekozen om SnS ontwikkelen als een absorberend materiaal voor dunne film PV. SnS intrinsieke praktische voordelen die kunnen vertalen in lage productiekosten. Indien hoge rendementen kunnen worden aangetoond, kan worden beschouwd als een volledige vervanger is voor CdTe commerciële dunne film PV. Hier wordt de fabricageprocedure voor het recent gerapporteerde plaat SnS zonnecellen gedemonstreerd. We richten ons op praktische aspecten zoals de gekozen ondergrond, depositie voorwaarden, apparaat lay-out, en meting protocollen.

SnS is samengesteld uit niet-giftig, Aarde-overvloedig en goedkoop elementen (tin en zwavel). SnS is een inert en onoplosbaar halfgeleidende solide (minerale naam Herzenbergite) met een indirecte bandgap van 1.1 eV, sterke lichtabsorptie voor fotonen met een energie van meer dan 1,4 eV (α> 10 ⁴ cm ^-1), en de intrinsieke p -type geleiding concentratie carrier in het traject ^{15 oktober} - ^{17 oktober} cm ^{-3 3 -. 7} Belangrijk SnS verdampt congruent en fase-stabiel tot 600 ° C ^8,9 Dat betekent dat SnS kan worden afgezet door thermische verdamping (TE) en de hoge. speed neef, afgesloten ruimte sublimatie (CSS), zoals bij de bereiding van CdTe zonnecellen. Het betekent ook dat SNS fase controle is veel eenvoudiger dan voor de meeste dunne film PV-materialen, waaronder met name Cu (In, Ga) (S, Se) ₂ (CIGS) en Cu ₂ ZnSnS ₄ (CZTS). Daarom cell efficiëntie staat als de belangrijkste barrière voor de commercialisering van SnS PV, en SNS kan worden beschouwd als een drop-in vervanger voor CdTe eens hoge rendementen worden gedemonstreerd op de laboratoriumschaal. Maar dit efficiency barrière kan niet worden overschat. Wij schatten de recordrendement moet toenemen met een factor vier, van ~ 4% tot ~ 15%, om de commerciële ontwikkeling te stimuleren. Ontwikkeling SnS als drop-in vervanger voor CdTe vereist tevens groei van hoge kwaliteit SnS dunne films van CSS en het ontwikkelen van een n-type partner materiaal waarop SnS direct worden gekweekt.

Hieronder wordt beschreven de stap-voor-stap procedure voor het vervaardigen plaat SnS zonnecellen met twee verschillende depositietechnieken, atomic layer deposition (ALD) en TE. ALD is een trage groei methode, maar to-date heeft het hoogste rendement apparaten opgeleverd. TE is sneller en industrieel schaalbaar, maar blijft ALD in efficiency. Naast de verschillende SnS depositiemethoden de TEen ALD zonnecellen enigszins verschillen in de annealing, oppervlaktepassivering en metallisatie stappen. De inrichting vervaardigingsstappen zijn in figuur 1 opgesomd.

Na een beschrijving van de procedure, zijn testresultaten voor de gecertificeerde opname-apparaten en aanverwante monsters gepresenteerd. De plaat resultaten zijn eerder gerapporteerd. Hier ligt de focus op de verdeling van de resultaten voor een typische verwerking run.

Protocol

1. Ondergrond Selection en Snijden

1. Aankoop gepolijst Si wafers met een dikke thermische oxide. Voor de apparaten hier gemeld, gebruiken 500 micrometer dik wafers met een 300 nm of dikker thermische oxide. De ondergrond selectiecriteria worden besproken in de sectie Discussie.
2. Spin coat de gepolijste zijde van wafer met een typische positieve fotoresist (SPR 700 of PMMA A. 495) en zacht bakken (30 s bij 100 ° C).
   Opmerking: Dit is een beschermende laag op beschadiging of verontreiniging tijdens de volgende snijstap voorkomen.
3. Gebruik een dobbelsteen zaag aan de wafer in 1 "x 1" (25,4 x 25,4 mm ²⁾ vierkante substraten snijden.

2. Substrate Cleaning

1. Verwijder deeltjes en andere resten die voortvloeien uit snijstap met een gecomprimeerde stikstof kanon, gevolgd door een ultrasoonbad in gedeïoniseerd (DI) water gedurende 5 minuten bij 45-60 ° C.
2. Verwijder de fotoresistlaag met een ultrasone bae in aceton gedurende 5 minuten bij 45-60 ° C.
3. Reinig het blootgestelde substraat met 3 opeenvolgende ultrasone baden, allemaal voor 5 min bij 45-60 ° C: aceton, ethanol en isopropylalcohol. Finish door drogen met samengeperste stikstof geweer, terwijl substraten blijven de quartz carrier.

3. Mo Sputtering

1. Laad de schone Si / SiO ₂ substraten in een hoog vacuüm sputtering systeem. Zorg ervoor dat het substraat plaat is niet verwarmd en substraat rotatie is ingeschakeld. Voor de apparaten hier gemeld, proces in een commercieel systeem met gekantelde magnetron geweren met 2 "targets en een worp afstand van ongeveer 4".
2. Deponeer de eerste laag (de hechtlaag) bij betrekkelijk hoge achtergronddruk bijvoorbeeld 10 mTorr van Ar. Voor de hier vermelde inrichtingen, proces met een sputtervermogen van 180 W (DC), die een groei van 2,6 A / sec geeft, en een eerste Mo laag die 360 ​​nm dik.
3. Stort de tweedelaag (de geleidende laag) bij een relatief lage achtergronddruk bijvoorbeeld 2 mTorr van Ar. Gebruik dezelfde sputtervermogen de eerste laag (180 W) en legt deze dikte.
   Opmerking: De hier vermelde inrichtingen hadden een tweede Mo laag die 360 ​​nm dik, net als de eerste laag was.
4. Na Mo afzetting, slaan de substraten onder vacuüm tot de SnS depositie stap.

4. SnS Deposition

Opmerking: De ALD afzetting techniek wordt beschreven in paragraaf 4.1, en de TE afzetting wordt beschreven in paragraaf 4.2. Het ALD afzetting wordt getoond in figuur 2, en TE Afzettingssysteem wordt getoond in figuur 3.

1. Borg SnS door ALD
   1. Voordat in de reactor, zet Mo substraten in een UV-ozon reiniger voor 5 min op organische deeltjes te verwijderen. Plaats vervolgens de substraten op de substraathouder ontgrendelen en in de afzetting zone.
   2. Stabiliseren van de oven tempetuur bij 200 ° C alvorens depositie.
   3. Kweek SnS dunne films uit de reactie van bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -iPr) _{2) 2,} hier aangeduid als Sn (AMD) _2] en waterstofsulfide (H ₂ S) ^4.
      1. Houd de Sn (AMD) ₂ precursor bij een constante temperatuur van 95 ° C. Met zuiver _N2 gas naar de levering van Sn (AMD) ₂ damp ondersteunen van de houder in de oven om de afzetting zone. Tijdens elke ALD-cyclus, levering drie doses van Sn (AMD) ₂ voorloper voor de totale blootstelling van 1,1 Torr tweede.
      2. Gebruik een gasmengsel van 4% _H2S in _N2 als zwavelbron. Zorg ervoor dat de blootstelling aan de waterstofsulfide damp is 1,5 Torr seconde per dosis. Controleer of de partiële H S ₂ en de totale druk van _H2S in N ₂ zijn 0,76 Torr en 19 Torr, respectievelijk.
   4. Set tHij pomptijd tussen Sn precursor dosis en H ₂ S dosis slechts 1 sec (kort vergeleken met de meeste andere conventionele ALD procedures) om sneller de afzetting.
      Let op: Omdat de Sn voorloper is niet volledig verwijderd door deze korte tijd pompen, enkele resterende Sn voorloper blijft wanneer de H ₂ S arriveert. Dus de werkwijze kan worden beschreven als een pulserende CVD proces. Het groeitempo van SnS film is 0,33 Å / cyclus, of 0,04 A / sec.
2. Borg SnS door TE
   1. Zorg ervoor dat de proceskamer druk 2 x 10 ^-7 Torr of lager. Substraten lading in de kamer via de vulsluis. Houd de substraten aan de plaat kan worden met één clip of met een custom substraathouder met geschikt bemeten zakken die is vastgeschroefd aan de substraatplaat.
   2. Ramp de bron en substraat kachels hun setpoints. Voor het apparaat hier meldde de ondergrond temperatuur is 240 ° C en de groei is 17, / sec; 610 ° C (de gewenste bron temperatuur toeneemt met de tijd voor een enkele lading bronpoeder) - deze groei van het bron- temperatuur tussen 550 bereiken. De dikte doelfilm is 1000 nm.
   3. Meet depositie tarief met behulp van de kwartskristal monitor (QCM) voor en na de SnS film afzetting door het bewegen van de QCM arm in de proceskamer. Voor deze meting het substraat wordt verhoogd zodat de QCM in het groeisubstraat positie kan worden bewogen.
      Opmerking: De afzetting percentage blijft vrij constant gedurende een afzetting tijd van 3 uur (± 0.05 A / sec afwijking).
   4. Na afzetting, overdracht van de monsters terug in de belasting slot voordat ontluchting aan de lucht. Snel transporteren de monsters door lucht inslag hetzij in vacuüm of in een inerte atmosfeer handschoenenkast voor de volgende verwerkingsstap.
      Opmerking: De typische onopzettelijke blootstelling lucht duurt ongeveer 3 minuten. De typische opslagtijd tussen dag en aweek.

5. SnS gloeien

Opmerking: Deze stap wordt enigszins anders uitgevoerd ALD en TE zonnecellen. De gloeien procedure voor ALD zonnecellen wordt beschreven in paragraaf 5.1, en de procedure voor TE zonnecellen wordt beschreven in paragraaf 5.2. Het doel van uitgloeien wordt besproken in de sectie Discussie.

1. Gloeien de-ALD gegroeid SnS films in _H2S gas.
   Opmerking: Deze stap wordt uitgevoerd in hetzelfde systeem voor ALD groei.
   1. Gebruik pure _H2S gas (99,5% zuiver) met een stroomsnelheid van 40 sccm en een druk van 10 Torr.
   2. Verwarm de SnS film tot een temperatuur van 400 ° C en houdt deze 1 uur in het _H2S gas omgeving. Zorg ervoor dat het gas stroomt gedurende het hele proces, met inbegrip van de temperatuur ramping omhoog en omlaag.
2. Gloeien de TE-gegroeid SnS films in _H2S gas. Voer deze stap in een speciale buis oven.
   1. Load the monsters op een schone kwartsplaat en schuif in de hot-zone gebied van de oven.
   2. Nadat de oven wordt afgesloten, driemaal spoelen met zuiver _N2 en laat deze doorlopen te pompen basisdruk.
   3. Vestigen gasstroom bij 100 sccm 4% H ₂ S bij 28 Torr.
   4. Ramp de temperatuur tot 400 ° C gedurende 10 min. Houden op 400 ° C gedurende 1 uur, laat vervolgens de monsters afkoelen zelfstandig in de hete zone. Handhaaf constant H ₂ S gasstroom en druk totdat monsters afkoelen beneden 60 ° C. Verwijder de monsters en hetzij onmiddellijk doorgaan naar de volgende stap, of plaats ze in opslag in een inert gas handschoenenkastje.

6. SnS oppervlaktepassivering met een Inheems Oxide

Opmerking: Deze stap wordt enigszins anders uitgevoerd ALD en TE zonnecellen. In paragraaf 6.1 van het oppervlak passiveren procedure voor ALD zonnecellen wordt beschreven, en de procedure voor TE zonnecellen wordt beschreven in paragraaf6.2. De functie van deze stap wordt verder besproken in de sectie Discussie.

1. Voor ALD-volwassen samples, groeien een dunne laag SnO ₂ door ALD.
   Opmerking: We maken gebruik van een andere reactor dan die gebruikt worden voor SnS groei.
   1. Groei SnO ₂ door de reactie van cyclische amide tin [(1,3-bis (1,1-dimethylethyl) -4,5-dimethyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ylideen) Sn (II)] en waterstofperoxide (H ₂ O _2). Bewaar de cyclische amide tin precursor in een oven bij 43 ° C, en de H ₂ O ₂ in een wasfles bij KT.
   2. Handhaaf substraattemperatuur op 120 ° C gedurende depositie.
   3. Maak de tin precursor en H ₂ O ₂ behulp 0,33 en 1,5 Torr seconde per cyclus, respectievelijk, voor een totaal van 5 cycli. Controleer of de dikte van de resulterende SnO ₂ 0,6 0,7 nm, zoals gemeten met röntgen foto-elektron spectroscopie (XPS) analyse ^10.
2. Voor de TE volwassen monsters vormen een thin laag van _SnO2 door blootstelling aan de lucht.
   1. Maak de monsters lab omgevingslucht gedurende 24 uur. Controleer of de dikte van de resulterende SnO ₂ is ongeveer 0,5 nm, zoals gemeten met XPS-analyse.
      Opmerking: De typische RT 24 ± 1 ° C, en de typische vochtigheid 45% ± 13% (hoger in de zomer); voor de apparaten hier gerapporteerde, de waarden werden 24,6 ° C en <30%, respectievelijk.

7. Afzetting van de Zn (O, S) / ZnO bufferlaag

Opmerking: Deze stap wordt uitgevoerd in dezelfde ALD kamer die wordt gebruikt voor SnS groei door ALD.

1. Kweek een Zn (O, S): N-laag door ALD.
   1. Handhaaf de substraattemperatuur op 120 ° C.
   2. Groei Zn (O, S): NB door ALD door reactie van diethylzink (Zn (C ₂ H _{5) 2,} DEZ), gedeïoniseerd water _(H2O), 4% _H2S in _N2, en ammoniak (NH ₃₎ ^11. Bewaar de bubbler containing DEZ bij RT. Gebruik een cyclus opeenvolging van [DEZ-H ₂ O-DEZ-NH _{3] 14} - [DEZ-H ₂ S] _1, en ​​herhaal deze super cyclus 12 keer. Zorg ervoor dat de blootstelling van ammoniak is 11 Torr tweede.
   3. Controleer of de S / Zn verhouding in de resulterende film is 0,14, zoals gemeten door Rutherford backscattering spectroscopie ^12, en dat de dikte van de folie bedraagt ​​ongeveer 36 nm.
2. Kweek een ZnO-laag door ALD.
   1. Handhaaf de substraattemperatuur op 120 ° C.
   2. Groei ZnO met 50 ALD cycli van DEZ-H ₂ O.
      Opmerking: De dikte van de ZnO resulterende film is ongeveer 18 nm.

8. Afzetting van de transparante geleidende oxide (TCO), Indium Tin Oxide (ITO)

1. Snijd ITO schaduw maskers uit een 0,024 "(610 micrometer) aluminium 6061 plaat met behulp van een laboratorium laser cutter.
   Opmerking: Het scherm worden 11 rechthoekige apparaten die 0,25 cm ² insize plus een grotere pad in een hoek die wordt gebruikt voor optische reflectievermogen metingen, zie figuur 4.
2. Monteer de apparaten en maskers in een masker aligner.
   Opmerking: Dit is een aluminium plaat met geneste zakken voor de ondergrond en maskers en clips om de maskers vast te zetten.
3. Borg ITO door reactief magnetronsputteren.
   1. Verwarm het substraat tot ongeveer 80-90 ° C en schakel substraat rotatie.
   2. Gebruik een 2 inch diameter ITO doel (In ₂ O ₃ / _SnO2 90/10 gew.%, 99,99% zuiver) op 65 W RF sputteren vermogen met 40 / 0,1 sccm Ar / O ₂ gasstroom op 4 mTorr totale druk.
   3. Kweek een 240 nm dik ITO film.
      Opmerking: Met deze parameters, groeipercentages van 0,5 A / sec en vel weerstanden in de range 40-60 Ω / m² worden bereikt.

9. Metalliseren

1. Cut metallisatie schaduw maskers uit een 127 pm dikke AustenITIC roestvrij staal.
   Let op: Deze maskers zijn gesneden met + 10 / -5 um tolerantie door een commercieel bedrijf. De metalen patroon bestaat uit 2 vingers gescheiden door 1,5 mm, iedere 7 mm lang, en een 1 x 1 mm ² contact pad, zie Figuur 4.
2. Monteer de inrichtingen en maskers in een masker aligner, als in stap 8.2.
3. Borg Ag (voor TE-apparaten) of Ni / Al (voor ALD-apparaten) door electron-beam verdamping.
   1. Mount masker aligner op het substraat plaat van een elektronenbundel metalen verdamping systeem. Pomp naar een basis druk onder 1 x 10 ^-6 Torr.
   2. Verdampen metal met een snelheid van 2 A / sec. Stort 500 nm totale plaatdikte.

10. Device Karakterisering

1. Voer stroom-voltage ("J - V") metingen aan alle apparaten in het donker en in AM1.5 gesimuleerd zonlicht.
   1. Kalibreren van de zonne-simulator door het verzamelen van J - V data frOM een geijkte silicium zonnecel en het aanpassen van de zonne-simulator lamp vermogen en de hoogte tot het bereiken van de gekalibreerde huidige waarde voor AM1.5 bezonning.
   2. Neem contact op met de apparaten in vier-wire modus met behulp van koper beryllium dubbele probe tips contact op te nemen om zowel de bovenkant (anode, Ag of Al) en bodem (kathode, Mo) lagen. Neem contact op met de onderste laag door weg te krassen op de buffer en SNS lagen met een scalpel.
   3. Meet licht en donker J - V-gegevens met behulp van een bron-meter door inkoop spanning en het meten van stroom.
      Opmerking: Apparaten worden meestal gemeten binnen het bereik ± 0,5 V. De toestellen zijn niet reageren op de richting of de snelheid van de spanning veegt. Voor routine testen een gebiedsbepalende licht diafragma wordt niet gebruikt, zie Overleg sectie voor verdere details.
2. Voer externe quantum efficiëntie (EQE) metingen op alle apparaten, met een variabele licht en spanning vooringenomenheid.
   1. Kalibreer de EQE systeem door het meten van de RespoNSE een Si fotodiode calibratie.
      Opmerking: De software vergelijkt deze gegevens om metingen uitgevoerd met een NIST-backed standaard aan het lichtniveau aan te passen.
   2. Neem contact op met de apparaten met behulp van de vier-draads methode, zoals in stap 10.1.2.
   3. Meet EQE met behulp van een commercieel systeem dat het monster met monochromatische licht gehakte bij 100 Hz over een golflengte van 270 nm 1.100 branden en meet de resulterende stroom. Voer deze meting volgens de standaard procedure van de fabrikant.
   4. Herhaal de EQE meting met variabele spanning en wit licht vooringenomenheid. Gebruik een SourceMeter de spanning bias, en een halogeenlamp voor het licht voorspanning leveren leveren. Meet apparaten in zowel vooruit als achteruit voltage bias, en onder variabele wit lichtintensiteit tot ~ 1 Suns.
   5. Meet optische reflectie (% R) van de ITO bovenste oppervlak met behulp van een spectrofotometer met een integrerende bol om te zetten extern aan internequantum efficiency (IQE). Voer deze meting volgens de standaard procedure van de fabrikant.

Representative Results

In figuren 6-8 worden de resultaten weergegeven voor twee representatieve "basislijn" TE-gekweekt zoals hierboven beschreven. Verlichte J - V data voor deze twee monsters uitgezet in Figuur 6 Het eerste monster ("SnS140203F") leverde de inrichting met gecertificeerde efficiëntie van 3,88% die voorheen gerapporteerd ⁹ Representatieve JV verdelingen worden ook getoond voor elk monster... Voor een bepaalde voorspanning, worden deze verdelingen berekend waarbij <J> de gemiddelde van de stroomdichtheid gemeten voor alle apparaten, σ _J is de standaarddeviatie van de metingen, en N is het totale aantal metingen. Met andere woorden, worden de gemiddelde en de standaardfout grafische voorstelling. Deze voorstelling draagt ​​het vergelijken van de resultaten van verschillende monsters en een visuele beoordeling van deeffect van veranderingen in het apparaat fabricage op de resulterende prestaties van het apparaat.

The J - V data suggereren dat de monsters te kampen hebben met shunt weerstand die varieert tussen apparaten op een monster. Deze conclusie wordt verder versterkt door de figuren 7 en 8. In figuur 7 de standaard zonnecelparameters uitgezet - nullastspanning _(VOC), kortsluitstroom dichtheid (J _SC), vullinggraad (FF) en energie conversie-efficiëntie -. Voor alle inrichtingen dezelfde figuur 6 The staafdiagram vertegenwoordiging helpt om correlaties tussen de parameters visueel te identificeren. Voor deze monsters de meest duidelijke correlatie is tussen efficiëntie en de FF, zoals verwacht voor apparaten die lijden aan shunt of weerstand serie verliezen. Voor het tweede apparaat is er ook een duidelijke correlatie tussen efficiëntie en V _OC,zoals verwacht voor shunt weerstandsverliezen.

Deze correlaties worden expliciet door multivariate plots figuur 8 gemaakt. Hier, _VOC, J _SC en FF zijn uitgezet tegen de reeks _(Rs) en shunt (R _sh) weerstanden. _Rs en R _sh worden berekend met lineaire past op de J - V data dichtbij 0,5 en 0 V resp. In veel gevallen zou het beter zijn om _Rs en R _sh extract parameters in een diode model dat geschikt kan zijn om de J - V data. Voor relatief lage efficiënte zonnecellen zijn vele bronnen van verlies en diode modellen die slagen voor een hogere efficiëntie inrichtingen niet betrouwbaar. Daarom wordt de voorkeur _Rs en R _sh extraheren met een meer robuuste techniek. Hoewel de resulterende waarden niet accuraat kan zijn, de trends toch nuttig zijn en kan worden gebruikt om de ontwikkeling te regelen. De gegevens in figuur 8 bevestigen dat resistentie shunt is een belangrijke bron van verlies. Dit is het duidelijkst te zien in de stijgende trend in FF (R _sh). De gegevens tonen aan dat, bij de huidige stand van de ontwikkelinrichting, de shunt weerstand moet groter gehouden dan ongeveer 200 Ω cm ² zodat de efficiëntie aanzienlijk verbeteringen proces blijken. _Rs blijkbaar niet de inrichtingen hier vermelde beperken. De waarden voor _Rs zijn typisch 0,5 Ω cm ^2, en zelden wagen boven 1 Ω cm ^2.

Resultaten van één representatief "basislijn" ALD-grown monster zoals hierboven is beschreven zijn getoond in Figuur 9. De ALD toestellen vertonen betere prestaties dan de TE toestellen, met alle apparaat geeft 4,6% rendement. Naast de verschillende SnS groeitechnieken, de two fabricage procedures verschillen in de SnS oppervlaktepassivering door oxidatie. Bovendien worden de TE monsters blootgesteld aan laboratoriumlucht tussen filmgroei en annealing, terwijl de ALD monsters uitgegloeid in de groeikamer zonder luchtonderbreking. De ALD gekweekt monsters blijken minder lijden shunt weerstandsverliezen dan TE-volwassen samples. De reden voor dit verschil is niet bekend. Het is mogelijk dat de ALD-geteelde SnS films zijn compacter, vanwege de zelf-beperkende groei-modus en langzame groeisnelheid dan de TE-volwassen films.

De gecertificeerde apparaat testen worden weergegeven in figuur 10. ^9,10 Aan de linkerkant wordt de gecertificeerde opname apparaat via een-ALD gegroeid SnS laag. De gecertificeerde efficiëntie voor dit voorbeeld was 4,36%, en apparaten tot 4,54% efficiënt zijn gemeten met behulp van dezelfde fabricage procedure. Aan de rechterkant wordt de gecertificeerde opname apparaat met behulp van een TE-gegroeid SnS laag. De gecertificeerde efficiëntie voor dit voorbeeldwas 3,88%, en apparaten tot 4,1% zijn gemeten met dezelfde procedure. Merk op dat de 3,88% gecertificeerde testresultaten ruim binnen het gemeten voor hetzelfde monster, waarvan het gemiddelde ± standaardafwijking 3,5% ± 0,4%, zie figuur 7 range.

Figuur 11 toont resultaten die de stabiliteit van TE-gekweekt SnS zonnecellen omgevingsomstandigheden. Voor bepaalde monsters J - V werden uitgevoerd voor en na opslag gedurende elf maanden. De monsters werden opgeslagen in de lucht en blootgesteld aan omgevingslicht zonder inkapseling. Alle vier monsters getoond in figuur 11 waren enigszins anders verwerkt dan de hier gerapporteerde procedure; dit is om historische redenen, en er is geen reden om te denken dat de apparaten hier gemeld zou hebben verschillende stabiliteit kenmerken. De verwerking verschillen worden toegelicht in de figuur bijschrift, en zij vertegenwoordigen de variërende performance van de inrichtingen. Het belangrijkste punt is dat minimale afbraak wordt gemeten over een jaar. Het valt nog te bezien hoe SnS zonnecellen meer versnelde leven testen, zoals vochtige hitte of langdurige volledige spectrum verlichting zou overleven.

Figuur 1. Device fabricageproces. Opsomming van de inrichting fabricageproces, van substraat snijden (# 1, onderaan) om metallisatie (# 9, boven).

Figuur 2. Atomic layer deposition (ALD) systeem overzicht. (Top) ALD systeem schematische tekening. (Onder) foto ALD-systeem, met een kritische componenten genummerd en geëtiketteerd. Dit systeem kan SnS afzetting SNS gloeien te voeren, en buffer layer deposition en zit in de Gordop de groep aan de Harvard University. Het bestaat uit een hot-wall depositie buis, twee ovens gebruikt precursor slaan gas leveren en regelsysteem, temperatuurcontrole systeem en draaischuifpomp mechanische vacuümpomp. De substraathouder kan zetten hooguit acht 1 "× 1" vierkant substraten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Thermische verdamping (TE) systeem overzicht. Kritische componenten zijn genummerd en geëtiketteerd. Dit systeem is gewijd aan SnS afzetting en zit in de Buonassisi groep aan het MIT. Het systeem bestaat uit een proceskamer en een laadsluis. De proceskamer wordt typisch gehouden onder hoog vacuüm (1 x 10 ^-8 Torr) en omvat een sluiter substraatplatform metmonster rotatie en stralende verwarming en een geblindeerd uitstroomcel voor bron verdamping. De kamer heeft ook een intrekbare kwartskristal monitor (QCM) direct onder de substraatplaat om groei te meten, en een pyrometer om substraat temperatuur te meten. Commercieel gekocht SnS poeder wordt gebruikt voor de precursor met een thermische voorbehandeling eerder beschreven. ⁹ De substraatplaat bevat een grote inrichting substraat (1 x 1 in ²⁾ en een kleinere substraat (1 x 1/3 in ²⁾ dat gebruikt voor SnS film metingen. De afstand van het substraat naar de bron opening is 10 cm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4. Metalliseren patroon en de sample foto. & # 160; de tekening links toont metallisatiepatroon van 0,25 cm ² apparaten. Voor de duidelijkheid van de TCO footprint wordt geschetst op slechts één apparaat. Ook getoond is de locatie van de grotere TCO pad die wordt gebruikt voor optische reflectie metingen. De foto rechts toont een echt monster met TE-gegroeid SnS. De gekraste gebied aan de linkerkant geeft contact met de onderliggende Mo layer testen. Foto:. KJ Wang Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. Inrichting testen met sonde kaart. Deze afbeelding top-down toont een monster gemonteerd op de test station boorkop met meerdere apparaten tegelijk contact met de aangepaste sonde kaart. Slechts de helft van de steekproef is zichtbaar in dit beeld.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 6. J - V tests voor apparaten op twee verschillende "basislijn" TE samples. Voor de duidelijkheid zijn alle 12 apparaten in een gegeven monster uitgezet in dezelfde kleur (grijs of rood). Ook uitgezet representatief J - V enveloppen (gemiddelde ± standaardfout) voor alle apparaten op elk monster, zoals beschreven in de tekst. Deze metingen werden uitgevoerd zonder gebiedsbepalende licht diafragma. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

. Figuur 7. Zonnecel testparameters voor twee basislijn TE monsters De testresultaten uitgezet op één lijn voor elk apparaat getest - 11 apparaten elk voor "SnS140203F" (boven) en "SnS140306H" (onderaan) - om correlaties duidelijker te maken . Boven elk perceel wordt melding gemaakt van het beste, gemiddelde, standaarddeviatie (SD) en standaardfout (SE) voor elke distributie. Merk op dat het best V _oc (bijvoorbeeld) de hoogste gemeten V _oc, niet de V _oc van de meest efficiënte apparaat. Deze metingen werden uitgevoerd zonder gebiedsbepalende licht diafragma. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 8. S eries en shuntweerstand multivariate kavels voor twee basislijn TE monsters. De inrichtingen vertegenwoordigd hetzelfde gerapporteerd in Figuren 6-7. De serie (R _s) en de shunt (R _sh) weerstanden worden berekend zoals beschreven in de tekst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 9. JV testen en test parameters voor een basislijn ALD monster. (Top) De JV curves tonen goed presteren, maar sommige apparaten duidelijk last van lage shunt weerstand. (Onder) De testparameters vertonen een sterke correlatie tussen de efficiëntie en de FF overeenstemming met shunt weerstandsverliezen. Deze metingen werden uitgevoerd zonder gebiedsbepalende licht diafragma..jove.com / files / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 10. Certificering resultaten voor ALD- en TE-gegroeid apparaten. Certification uitgevoerd door de PV Prestatiekarakterisering Team aan het National Renewable Energy Laboratory, USA. (Links) De ALD gecertificeerde plaat is 4,36%, zoals gerapporteerd in Sinsermsuksakul et al. ¹⁰ (rechts) De TE gecertificeerde plaat is 3,88%, zoals gerapporteerd in Steinmann et al. ⁹ Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 11. Lange tijd staheid van SnS zonnecellen J -. V testen van monsters die herhaaldelijk werden gemeten over een periode van bijna een jaar, wordt bewaard in de lucht en blootstelling aan omgevingslicht zonder inkapseling. Voor elk paneel de zwarte curves tonen de eerste meting, de rode lijnen geven de eindmeting en gestippelde lijnen tonen. De dunne lijnen geven het beste toestel voor elke test, en de dikke lijnen representatief J - V enveloppen (gemiddelde ± standaardfout) voor alle apparaten op elk monster zoals beschreven in de tekst. Alle vier panelen tonen TE gekweekte monsters die werden verwerkt zoals beschreven in dit manuscript uitzondering van de volgende verschillen: (a) nr H ₂ S uitgloeistap. (B) Thinner absorberende laag, 650 nm dik; geen H ₂ S hybridisatiestap; blootstelling lucht uitgevoerd bij 200 ° C gedurende 30 min. (C) Thinner absorberende laag, 650 nm dik; geen H ₂ S hybridisatiestap; bufferlaag wet hoger zwavelgehalte en geen stikstof doping. (D) antireflectiecoating afgezet bovenop stack inrichting. De tijd tussen de metingen was 50 weken, 48 weken, 48 weken en 28 weken voor de panelen a, b, c en d, resp. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 12. Visualisatie van ruimtelijke niet-uniformiteit in twee basislijn TE monsters. De resultaten zijn dezelfde zoals in figuur 6-8. Er zijn 11 apparaten op elk monster en elke inrichting kleurcode basis van de gemeten efficiëntie; de kleurkaart is hetzelfde voor beide monsters. Black-and-white arcering duidt dat het apparaat niet gemeten of geen apparaat aanwezig (zoals een hoek van elk monster).

Figuur 13 weergegeven voorbeeld van hypothesetoetsing in aanwezigheid van gemeenschappelijke zaak variantie. Fictieve personages Angela en Nessi afzonderlijk testen van de hypothese dat Werkwijze B hoger rendement zonnecellen opbrengst dan Werkwijze A. Angela superieure procescontrole maar een iets lagere efficiëntie dan basislijn Nessi. (A, D, G) True kansverdelingen voor Angela en Nessi's resultaten. (B, E, H) Individuele metingen. (C, F, I) Gemeten distributies. Met slechts 6 samples, kan Angela de nulhypothese verwerpen maar Nessi niet. Zie de tekst voor een volledige beschrijving. Klik hier om te bekijkeneen grotere versie van de figuur.

Discussion

Gekozen ondergrond schoonmaken

Geoxideerde Si wafers worden gebruikt als substraten. De substraten zijn de mechanische ondersteuning van de resulterende zonnecellen, en de elektrische eigenschappen niet belangrijk. Si wafers hebben de voorkeur aan glas, omdat de winkel gekochte Si wafers zijn meestal schoner dan de winkel gekochte glas wafers, en dit bespaart tijd in de ondergrond reinigen. Si substraten ook hogere thermische geleidbaarheid dan glas, wat leidt tot meer gelijkmatige verwarming tijdens de groei en annealing. Met commercieel gekocht glas wafers werd vastgesteld dat het noodzakelijk is de substraten met detergent, met handleiding wrijven met handschoenen aan, gevolgd door een warme ultrasoon bad gereinigd, teneinde alle zichtbare sporen van verontreinigingen te verwijderen is, en dan het substraat hygiëne niet konden gegarandeerd. Er werd experimenteel bevestigd dat de keuze van glas of Si substraten heeft geen invloed op de prestaties van het apparaat. Howeveh, deze vergelijking werd uitgevoerd met apparaten waren in de 2% - 3% efficiënt bereik en herhaalde vergelijkingen zal de moeite waard zijn als de basislijn efficiency verbetert.

Typisch 10 of meer substraten worden gereinigd tegelijk met een aangepaste ontworpen quartz wafeldrager. Dit levert meer reproduceerbare resultaten dan het hanteren van wafers individueel met een pincet.

Mo sputteren

Er werd besloten om de Mo borg terug contact (de kathode) in eigen huis in plaats van aankoop Mo-gecoate substraten na teleurstellende resultaten werden verkregen met de beschikbaar van verschillende leveranciers substraten. Met gekochte substraten (sputterde Mo op glas) problemen werden ondervonden met netheid, delaminatie, of beide. De Mo film wordt afgezet door DC magnetron sputteren in twee lagen, een voor hechting aan de Si / _SiO2 substraat en een uitstekende geleider volgens de gepubliceerde resultaten doorScofield e t al. ¹³

Typische Mo films 720 nm dik met een laagweerstand van ongeveer 1 Ω / vierkant. De plaat weerstand wordt gemeten op een offer substraat met behulp van een vierpunts sonde systeem na elke Mo groei run. Bovendien wordt de hechting aan het substraat getest met een scalpel. Gunstig gehecht films kan weerstaan ​​krassen met de hand met een scalpel bij gematigde druk zonder de-lamineren. Slecht gehandeld films zullen de-laminaat met slechts lichte druk. Er werd waargenomen dat een korte substraat plasma schoonmaakstap in de sputterkamer voordat Mo groei is belangrijk om een ​​goede hechting te verkrijgen. Typische parameters voor deze reiniging stap zijn 20 mTorr Ar, 20 W RF, en 60 sec.

SnS groei door thermische verdamping

SnS is verdampt uit de bron poeder met behulp van een in de winkel gekochte lage temperatuur uitstroomcel met een boornitride smeltkroes met Volume 32 cm ^3. Wanneer de bron voor het eerst wordt geladen is het een fijn poeder en donkergrijs van kleur. Typisch 3 4 g poeder wordt geladen. Met nieuw bronpoeder, de bron temperatuur ongeveer 540 ° C teneinde een groeisnelheid van 1 A / sec te handhaven op een substraat verhit tot 240 ° C. Bij een toenemend aantal groei- runs, moet de bron temperatuur verhoogd om een ​​constante groeisnelheid handhaven. Als de gewenste bron temperatuur 610 ° C bereikt het poeder wordt uitgewisseld.

Nauw verbonden met de bron temperatuur is de kwestie van SnS vlokken. Wanneer de groeisnelheid wordt verhoogd tot meer dan 10 A / sec, kunnen grote SnS vlokken worden waargenomen in de groeiende film. Het is onbekend of deze afkomstig zijn van de belangrijkste bron, of uit secundaire bronnen, zoals de uitstroomcel lijkwade of de bron sluiter.

Een opmerkelijke vaststelling is dat wanneer een partij van bron poeder is uitgeput het achter een witte, poreuze residu laataan de onderkant van de kroes. Röntgendiffractie bevestigt dat dit SnO _2. Het gewicht van dit residu typisch 0,01 g.

SnS groei van ALD

Een kritische parameter bij deze werkwijze is de druk van de stikstof draaggas dat stroomt naar de Sn (AMD) ₂ precursor. De druk wordt gehandhaafd dichtbij 250 Torr, maar kan een beetje van tijd tot tijd variëren. Aangezien de volumeverhouding van de Sn (AMD) ₂ bubbler precursor en _N2 gas val is 5: 1, de druk in de wasfles is ongeveer 50 Torr. Als deze waarde te groot wordt, zal de verdamping van Sn precursor significant onderdrukt. Anderzijds, indien de druk in het opvangvat te klein is, zou niet voldoende drukval tussen het opvangvat en het reactiemengsel oven om een ​​vlotte gasstroom mogelijk maken (met een druk van ~ 10 Torr heeft) zijn. Elk van deze scenario's zal leiden tot onvoldoende Sn voorloper in de ALD reactie. Een indicatie van dit probleem is dat filmdikte nabij de uitlaat van de oven reactie is veel dunner dan bij de inlaat. Tijdens elke afzetting wordt de druk in de reactor gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de systeemdruk zitten in het juiste bereik.

Om een ​​gelijkmatige temperatuurverdeling in de reactiezone verlenen de inlaat en uitlaat van de hete-wand afzetten buis zijn gewikkeld met verwarming tapes. Onder verwarming tapes, een paar thermokoppels worden ingebracht om de temperatuur te meten. Een niet-uniforme temperatuurverdeling in de reactiezone leidt tot verschillende SnS film morfologieën op verschillende gebieden. Bij hogere neerslagtemperatuur, films vaak ruwer zijn en een lichtere kleur. Bij lage temperaturen onder 200 ° C, folies een hogere reflectiviteit, zoals op het oog kunnen worden onderzocht.

SnS gloeien in een H ₂ S buisoven </ P>

Het doel van de annealing stap is om de morfologie, kristalliniteit en elektrische eigenschappen van de films SnS optimaliseren. Voor de TE volwassen zonnecellen wordt de annealing stap uitgevoerd in een daartoe buisoven. Deze diameter 2 "kwartsbuis oven kan stromen mengsel van 4% H ₂ S (balans _N2), 4% H ₂ (balans _N2), zuiver _N2 en Ar pure. Temperaturen worden gecontroleerd door externe Nichrome verwarmingselementen en geanalyseerd met een kwarts-ingekapseld thermokoppel in de hete zone. Gas wordt afgevoerd met behulp van een oliepomp gevuld met inerte olie. Zeehonden zijn gemaakt met behulp van _H2S resistente elastomeren. Typische base druk 8 20 mTorr.

De annealing temperatuur van 400 ° C een evenwicht tussen secundaire korrelgroei en film opnieuw verdampen. In principe kan een hogere hybridisatietemperatuur gunstig voor de prestaties apparaat en kan worden bereikt zonder significante film verlies door hogere ovendruk. Dit is het onderwerp van actief onderzoek.

SnS oppervlaktepassivering met een native oxide

Het doel van de passiveringsstap op de dichtheid van elektronische val toestanden reduceren bij knooppunt tussen de absorber en de bufferlagen en te dienen als een diffusiebarrière om ongewenste vermenging van de bestanddelen van de absorber en bufferlagen voorkomen. ¹⁴ Het is Geconstateerd is dat verwerkt met deze oxidatiestap monsters hebben hogere V _OC waarden dan verwerkt zonder samples.

Op dit moment is de oxidatiestap niet uitgebreid bestudeerd en is waarschijnlijk niet geoptimaliseerd. Met röntgenfotoelektronspectroscopie spectroscopie (niet getoond) wordt geschat dat het oxide minder dan 1 nm dik voor goede prestatie wordt gegarandeerd en stroomblokkeerlaag voorkomen.

Afzetting van de transparante Conducting oxide (TCO), indium tin oxide (ITO)

Voorafgaand aan dit punt aandacht wordt besteed aan de totale blootstelling lucht van de monsters bij elke stap onder controle. Na de bufferlaag depositie blootstelling aan lucht niet langer beperkt en de monsters worden opgeslagen en lucht getransporteerd.

Voorafgaand aan dit punt, hebben alle verklaringen "deken" films, die de hele substraat geweest. Vanaf dit moment van verklaringen patroon voorzien om afzonderlijke toestellen definiëren. Voor zowel de ITO en metallisatie stappen de afzettingen worden gedefinieerd met behulp van laser gesneden metalen schaduw maskers. Voor de ITO depositie is het belangrijk dat het oppervlak van de afgezette pad scherp wordt bepaald door het schaduwmasker. Als het gebied niet scherp gedefinieerd, bijvoorbeeld door buigen van het masker in de mask aligner dan het actieve gebied van de resulterende inrichtingen aanzienlijk groter zijn dan de nominale afmeting van 0,25 cm ² zijn. Dit kan leiden tot foutieve over-reporting van de stroomdichtheid.

Metallisatie

Het metallisatiepatroon is ontworpen om de lichtvlek van de quantum efficiency meet instrument staat volledig vallen op de ITO zonder overlapping met het metaal. Deze beperking resulteert in 2 vingers gescheiden door 1,5 mm, elke 7 mm lang, en een 1 x 1 mm ² contactaansluitvlak, zie figuur 4. Dit patroon is niet optimaal vanuit een inrichting performance oogpunt. Een patroon geoptimaliseerd voor prestaties van het apparaat zou meer vingers gebruiken met kleinere afstand.

Ag is gebruikt voor TE gekweekte cellen en Ni / Al is gebruikt voor ALD volwassen cellen. Deze divisie is historisch en is niet gegrond in een experimenteel resultaat. Het is mogelijk dat Ni / Al geeft superieure weerstand tegen corrosie bij lange bewaartijden. In feite is waargenomen dat Ag contacten de neiging hebben om corrosie tijdens langdurige opslag in lucht (bij example, langer dan een jaar).

Device karakterisering

Afgewerkte apparaten worden gekarakteriseerd met behulp van stroom-spanning ("J - V") metingen verzameld en externe quantum efficiëntie (EQE) metingen verzameld met en zonder wit licht en spanning vooringenomenheid. Tot op heden zonnecellen zijn gemeten door contact afzonderlijke apparaten één-at-a-time gebruik probe micromanipulators in een typische probe station configuratie. De zonnesimulator en EQE systemen fysisch losgekoppeld, zodat de nodige monster opnieuw worden benaderd voor elke meting. 5 hr J meten - - Dientengevolge zou duren ongeveer 4 V en EQE alle 11 apparaten.

Een geïntegreerde high-throughput testen station dat J combineert - V en EQE gebruik van een enkel monster boorkop en een indringende kaart die de contacten alle apparaten gelijktijdig werd onlangs geïnstalleerd bij MIT, zie Figure 5. worden de elektrische verbindingen geregeld door een programmeerbare multiplexer, en de gemotoriseerde XY chuck fase is computergestuurd. Zo J - kan V en EQE metingen worden opeenvolgend uitgevoerd op alle 11 apparaten in minder dan 1 uur.

Voor routine apparaat testen van een gebiedsbepalende licht diafragma wordt niet gebruikt. Derhalve kan de inrichting oppervlakte actief worden onderschat, waardoor overschatting van de stroomdichtheid. Maar een opening wordt gebruikt door certificeringslaboratoria, vaak resulterend in lagere rendementen (zie figuren 7, 9 en 10). Met behulp van een gebiedsbepalende lichtopening is altijd wenselijk, maar routinetests wordt vaak verwaarloosd door praktische overwegingen, zoals fysiek contact met de bovenzijde van het monster te minimaliseren. Systematische fout te wijten aan onder-schatten van het apparaat gebied actief kan worden beperkt door het gebruik van grotere apparaat gebieden. Voor de hier beschreven werkzaamheden, de nogal klein (0,25 cm ²⁾ grootte werd gekozen als geschikt voor een vroeg stadium de technologische ontwikkeling (in eerdere stadia een nog kleiner apparaat van 0,03 cm ² zonder metallisering werd gebruikt). Nu de inrichtingen in het bereik van 4% efficiënt en herhaalbaar, is het waard te verhogen tot een afmeting van 1 cm ² of meer.

Naast de standaard karakteriseringstechnieken hierboven beschreven, soms monsters ook getest met behulp van technieken zoals temperatuurafhankelijke J - V, V Suns- _OC, capaciteit-spanning profilering en lock-in thermografie. Deze technieken worden gebruikt om te begrijpen en kwantificeren van specifieke verliesmechanismen zoals interface-recombinatie en weerstand reeksverlies.

De betekenis van het delen van het apparaat fabricage protocollen

In publicaties over anorganische dunne film PV de resultaten van het apparaat testen zijn nooit (met ervaring) vergezeld van sufficient experimentele gegevens om het experiment te reproduceren. Deze situatie leidt tot onnodige frustratie bij individuele onderzoekers, en belemmert de voortgang van het gehele veld. Deze situatie maakt het ook moeilijk om de hierin beschreven met die van andere onderzoeksgroepen procedures vergelijken. De in dit manuscript beschreven technieken werden ontwikkeld met behulp van talrijke gesprekken met onderzoekers in dunne film PV (hoofdzakelijk in de Verenigde Staten), en veel vallen en opstaan. De auteurs hopen dat dit werk helpt anderen onnodige frustraties en een precedent voor details rapportage van experimentele methoden in dunne film PV.

Toekomstige toepassingen van het beschreven protocol

De hierin beschreven protocol wordt gebruikt om een ​​"basislijn" SnS zonnecel stellen. Het belangrijkste kenmerk van een baseline fabricage protocol is herhaalbaarheid; de absolute efficiëntie getal minder belangrijk. Ikn de ervaring van de auteurs, herhaalbaarheid is de belangrijkste eigenschap die lopend onderzoek in staat zal stellen om de efficiëntie te verbeteren, bijvoorbeeld door het verbeteren van het oppervlak passiveren of verminderen bulk defect dichtheid. Zonder herhaalbare basislijn protocol is het uiterst moeilijk om de effecten van veranderingen in de fabricage protocol beoordelen. Dit wordt uitvoerig beschreven in het onderstaande gedeelte hypothese getest.

Lopende en toekomstige werkzaamheden op SnS zonnecellen zal de basislijn protocol benutten beschreven hier om de individuele fabricage stappen met als doel het verhogen van de efficiëntie toestel te optimaliseren. Van bijzonder belang zijn de H ₂ S annealing en de oppervlaktepassivering stappen, omdat deze rechtstreeks invloed op de dichtheid van gebreken in de bulk van de absorber en de p - overgang.

Gegevens ensembles mogelijk hypothese testen

In een veld dat kampioen efficiëntie aanbidt, is het verleidelijk om over tebezoeken de ensemble - de> 99% van de (non-kampioen) apparaten - en de nuttige informatie die het biedt. Deze sectie motiveert ensemble data-analyse, en presenteert facile benaderingen voor het visualiseren en het extraheren van bruikbare inzichten uit ensemble data. Er wordt verondersteld dat de lezer heeft een werkende begrip van experimentele statistieken (hypothese testen) en is comfortabel berekenen van een Gauss-verdeling, standaardafwijking, standaard fout en 95% betrouwbaarheidsintervallen voor een bepaalde dataset.

Simpel gezegd, ensemble data-analyse is de studie van variabiliteit, die, wanneer verminderd, maakt een betere hypothese testen. Variabiliteit, in de volksmond "ruis", verduistert het "signaal" tijdens de hypothese-gedreven process engineering en wetenschappelijk onderzoek. Als ruis toeneemt, worden meer experimenten niet overtuigend weergegeven. Onovertuigend experimenten zijn een verspilling van tijd, middelen, en optimisme. Ensemble data kan helpen verminderen variabiliteit op twee manieren:

Eerst ensemble gegevens duiden proces ongelijkmatigheden in ruimte en tijd. Dit type van variabiliteit is systematische (bv., Veroorzaakt door temperatuur- of debiet-gradiënten binnen een bepaalde dunne-film afzettingskamer), waarbij een helder ruimtelijk opgelost patroon van prestaties variatie, geïllustreerd door Figuur 12. De ruimtelijke en temporele variatie belichaamt de "vingerafdruk" van de gewraakte processtap. In-situ metrologie en controlemonsters kan helpen bij het ​​identificeren en oplossen van bronnen van systematisch proces variabiliteit.

Ten tweede, ensemble gegevens duiden "geluk-van-de-draw" of "common-cause" variantie, dat wil zeggen, de statistische variabiliteit ensemble dat alle elementen even beïnvloedt. Deze variabiliteit is moeilijk op te lossen, omdat dit het totale resultaat van meerdere gekoppelde verwerkingsstappen. Common-oorzaak variatie kan het best worden geminimaliseerd door strikte procesbeheersingen standaard operationele procedures bij elke stap - weliswaar een uitdagende propositie in een snel veranderende en minimaal bemand academische omgeving. Toch is de volgende oefening illustreert waarom het verminderen van common-oorzaak variantie is essentieel.

De impact van common-oorzaak variantie voorbeeld: Een vriendelijke, fictieve wetenschappelijke concurrentie tussen Dr. Nauwgezet en Dr. Rommelig: Angela en Nessi zijn onderzoekers uit twee verschillende laboratoria. Ze zijn bezig met een vriendelijke wetenschappelijk wedstrijd om de hypothese dat proces B genereert beter apparaten dan een goed geaccepteerd basislijn Process A. Beide onderzoekers maken gebruik van een standaard-hypothese testen procedure, die ervan uitgaat dat common-oorzaak variatie resulteert in Gauss efficiency distributies (testen meer representatieve statistische verdeling functies zijn log-normaal voor verdelingen zonder uitschieters, en de meer statistisch robuuste log-Cauchy-Lorenzian voor uitkeringen met sterke outliers).

Angela is aan haar collega's bekend als 'Dr. Nauwgezet. "Ze tracht procesvariabiliteit verminderen. Angela heeft haar beakerware met anderen niet delen, telt kamer pre-conditioning routines voor dunne-film depositie, neemt controlemonsters met elke fabricage run, en geeft de voorkeur IC-grade silicium substraten met thermische oxide oppervlakken in plaats van de meer variabele glazen oppervlakken. Zij produceert basislijn (werkwijze A) inrichtingen met een "echte" (bijv., Werkelijk) gemiddelde efficiëntie van 10% en een ware standaardafwijking (σ _true) van 0,5%. Device fabricage en afmetingen zijn tijdrovend, en zij alleen in staat te fabriceren en meet zes apparaten (N = 6) per proces.

In een ander laboratorium, Nessi is hard aan het werk. Om haar collega's, is Nessi bekend als 'Dr. Rommelig. "Haar fabricage en metrologie instrumenten bevinden zich in een gedeelde gebruik faciliteit. Toen het haar beurtom ze te gebruiken, doet ze de noodzakelijke voorzorgsmaatregelen te nemen om laag common-oorzaak variatie zorgen. Maar vanwege haar slordigheid, haar ware standaarddeviatie 1,5% absoluut (3 × groter dan Angela's). Deze hogere σ _ware reflecteert minder goed gecontroleerde experimentele omstandigheden. Omdat Nessi gebruikt hogere zuiverheidsgraad voedingsmateriaal materialen, haar basislijn Proces A bereikt een echte gemiddelde van 10,6%. Nessi fabriceert en maatregelen N = 6 apparaten per proces.

Laten we veronderstellen dat proces B verbetert "true" apparaat efficiëntie met 10% ten opzichte van (dat wil zeggen, 10% verbetert tot 11%;. 10,6% verbeterd tot 11,7%). Zowel Angela en Nessi toepassen centrale limietstelling aan het N = 6 inrichtingen zij elk te vervaardigen, zoals getoond in figuur 13 Merk op dat de "ware" distributies (Figuren 13A, D, G) worden verborgen voor de onderzoekers.; ze alleen hun experimentele data observeren (Figuurs 13B, E, H) en het resulterende Gaussian past, standaardfouten en betrouwbaarheidsintervallen (Figuren 1C, F, I).

Aan de ene kant, Angela's strengere process control (lagere variabiliteit, kleinere σ _waar) laat haar naar de nulhypothese verwerpen, afgesloten met vertrouwen> 95% dat Process B superieur is aan Proces A (Figuur 13C). Anderzijds, Nessi, die hoger σ _weliswaar niet concluderen dat Proces B is beter dan Werkwijze A (Figuur 13F) met N = 6. Hoewel Nessi geluk twee apparaten maken met rendementen die hoger dan al Angela zijn (figuren 13B, E), Angela is het winnen van de race naar de wetenschappelijke paper dat de manier waarop haar vakgebied denkt over Process B. zal revolutioneren publiceren

Nessi beseft dat ze nodig heeft om haar betrouwbaarheidsintervallen te verhogen, wat haar nodig heeft om haar te verminderenstandaard meetfout (SE), dwz.,

. [1]

Nessi kan nastreven één van twee benaderingen aan te passen Angela's 3 × kleinere SE: Nessi kan verminderen haar ware variabiliteit (σ _o) met een factor 3 of N te verhogen met een factor van 3 ² = 9. Nessi krijgt toegang tot een kwalitatief throughput apparaat-meting van geluid, het verhogen van N door 9 ×. Deze verbetering compenseert haar 3 × groter procesvariabiliteit, en ze is in staat om een statistisch significant verschil tussen Processen A en B detecteren, verwerpen de nulhypothese met> 95% zekerheid (figuur 13I). Ze is terug in de race voor publicatie.

Hogere basislijn efficiëntie te verhogen de kansen van succesvolle hypothese testen: Focussen op de vergelijking voor SE (Vergelijking 1), kan worden gezienhoe toenemende uitgangswaarde prestaties verhoogt de kans op succesvolle hypothese testen. Wanneer de bovengenoemde werkwijze B werden getest op een 5% -efficiënte uitgangswaarde device in plaats van 10%, zou de absolute efficiëntieverbetering slechts 0,5% in plaats van 1% bedragen. Ervan uitgaande dat σ _o is onveranderd, het minimumaantal monsters die nodig is om de nulhypothese toeneemt weigeren door 4 ×. Zo, het verbeteren van de prestaties basislijn apparaat heeft hetzelfde effect als het verminderen van wiskundige σ, dwz., Een 1-op-1 verbetering in de betrouwbaarheidsintervallen.

Laatste woord: Vermindering standaardfout is essentieel om het risico van twijfelachtige hypothese te testen te minimaliseren. Standaardafwijking kan worden verminderd door het verlagen voorkomende oorzaken variantie manifest in σ _o, wat resulteert in een 1-op-1 reductie SE. Het verbeteren van de uitgangswaarde prestaties heeft een gelijkwaardig effect. Men kan ook toenemen steekproefomvang N, maar dit zal een zwak hebbener gevolgen SE vanwege de vierkantswortel (waardoor N verhoogt ook het risico van systematische variatie).

Het belang van de toepassing van experimentele statistieken is algemeen aanvaard in de biologie en natuurkunde (cf staande statistieken commissies op alle hoge energie experimenten). ¹⁵ Om de kwaliteit van de rapportage van gegevens in PV te verbeteren, is het raadzaam dat onderzoekers aandacht besteden aan de 99% van de apparaten die ze fabriceren en nemen hypothese testen met data ensembles.

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