Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

מה שהופך את התאים סולריים שיא יעילות SNS על ידי אידוי תרמי ואטומית שכבת הפקדת

Published: May 22, 2015 doi: 10.3791/52705
Automatic Translation
2,4, 1,2, 3, 2,4, 1,2, 2,4, 2, 5, 1,2
1Department of Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2Laboratory for Manufacturing and Productivity, Massachusetts Institute of Technology, 3School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 4Department of Materials Science and Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 5Department of Chemistry & Chemical Biology, Harvard University

Abstract

גופרי פח (SNS) הוא חומר בולם מועמד לתאי כדור הארץ-שפע, שאינם רעילים שמש. SNS מציע שליטת שלב קלה וצמיחה מהירה על ידי אידוי תרמית חופף, והוא סופג אור הנראה בתוקף. עם זאת, במשך זמן רב את יעילות המרת הספק השיא של תאים סולריים SNS נשארה מתחת ל -2%. לאחרונה הפגינו שיא יעילות מוסמכת חדשה של 4.36% באמצעות SNS שהופקד על ידי תצהיר שכבה אטומי, ו3.88% באמצעות אידוי תרמית. הנה הליך הייצור לתאים סולריים שיא אלה מתואר, וההתפלגות הסטטיסטית של תהליך הייצור מדווחת. סטיית התקן של יעילות נמדדת על מצע יחיד היא בדרך כלל מעל 0.5%. כל הצעדים כוללים מבחר מצע וניקוי, מו מקרטעות למגע האחורי (קתודה), בתצהיר SNS, חישול, פסיבציה משטח, Zn (O, S) בחירת שכבת חיץ ותצהיר, מנצח שקוף בתצהיר (האנודה), וmetallization מתוארים. על כל מצע שאנו לפברק 11 מכשירים בודדים, כל אחד עם שטח פעיל 0.25 סנטימטר 2. יתר על כן, מערכת למדידת תפוקה גבוהה של עיקולים נוכחי מתח תחת אור השמש מדומה, ומדידת יעילות קוונטית חיצונית עם הטיה אור משתנה מתוארת. עם מערכת זו אנו מסוגלים למדוד ערכות נתונים מלאים על כל 11 המכשירים באופן אוטומטי ובזמן מינימאלי. תוצאות אלו ממחישות את הערך של לימוד קבוצות מדגם גדולים, במקום להתמקד באופן צר על מכשירי ביצועים הגבוהים ביותר. ערכות נתונים גדולות לעזור לנו להבחין ולתקן מנגנוני הפסד בודדים משפיעים המכשירים שלנו.

Introduction

photovoltaics סרט הדק (PV) ממשיך למשוך עניין ופעילות מחקר משמעותי. עם זאת, הכלכלה של שוק PV הם נודדים במהירות ופיתוח PV סרט דק הצלחה מסחרית הפכו סיכוי מאתגר יותר. יתרונות עלות ייצור על פני טכנולוגיות מבוססות רקיק כבר לא יכולים להיות מובן מאליו, ושיפורים בשתי היעילות והעלות יש לחפש על בסיס שווה. 1,2 לאור מציאות זו שבחרנו לפתח SNS כחומר בולם ל PV סרט דק. יש SNS יתרונות מעשיים פנימיים שיכול לתרגם עלות ייצור נמוכה. אם ניתן להוכיח את יעילות גבוהה, זה יכול להיחשב כתחליף ירידה-לCdTe בPV סרט הדק המסחרי. כאן, הליך הייצור לתאי SNS שיא דיווחו לאחרונה השמש הפגין. אנו מתמקדים בהיבטים מעשיים כגון בחירת מצע, תנאים בתצהיר, פריסת מכשיר, ופרוטוקולי מדידה.

SNS מורכב מאלמנטים שאינם רעילים, כדור הארץ-שפע ולא יקרים (פח וגופרית). SNS הוא (שם מינרלי Herzenbergite) אינרטי ולא מסיסים מוליכים למחצה מוצק עם bandgap עקיף של 1.1 eV, קליטת אור חזקה לפוטונים באנרגיה מעל 1.4 eV (α> 10 4 סנטימטר -1), ומוליכות -type עמ פנימיות עם ריכוז ספק בטווח 15 אוקטובר - 17 אוקטובר סנטימטר -3 3 -. 7 חשוב לציין, SNS מתאדה congruently והוא עד 600 מעלות צלזיוס שלב יציב 8,9 משמעות הדבר היא כי SNS ניתן להפקיד על ידי אידוי תרמית (TE) והגבוה שלה. בת הדודה -Speed, סובלימציה הסגורה החלל (CSS), כפי שהועסקו בייצור של תאים סולריים CdTe. זה גם אומר ששליטת שלב SNS היא הרבה יותר פשוט עבור רוב חומרי PV סרט דקים, בעיקר כולל Cu (ב, Ga) (S, Se) 2 (סיגריות) וCu 2 ZnSnS 4 (CZTS). לכן, EF התאficiency עומד כמכשול העיקרי למסחור של SNS PV, וSNS יכול להיחשב תחליף ירידה-לCdTe פעם יעילות גבוהה הם הפגינו בקנה מידת המעבדה. עם זאת מחסום יעילות זה לא יכול להיות מוגזם. אנו מעריכים כי יעילות השיא חייבת להגדיל בפקטור של ארבעה, מ~ 4% ל~ 15%, על מנת לעודד פיתוח מסחרי. פיתוח SNS כצמיחה הנפתחת בתחליף לCdTe גם ידרוש מסרטים דקים SNS באיכות הגבוהה על ידי CSS, והפיתוח של חומר שותף ברווחים מסוג n שבו SNS ניתן לגדל באופן ישיר.

להלן מתואר הליך צעד-אחר-צעד לבודת SNS שיא תאים סולריים באמצעות שתי טכניקות שונות בתצהיר, תצהיר שכבה אטומי (ALD) וTE. אלד הוא שיטת צמיחה איטית אך עדכני הניב מכשירי היעילות הגבוהים ביותר. TE הוא מהיר יותר ותעשייתי להרחבה, אבל מפגר אלד ביעילות. בנוסף לשיטות תצהיר SNS השונות, TEותאים סולריים אלד שונים במקצת בחישול, פסיבציה פני השטח, וצעדי metallization. צעדי ייצור המכשיר מנויים באיור 1.

לאחר שתאר את ההליך, תוצאות בדיקה עבור מכשירי השיא מוסמכים ודגימות קשורות מוצגות. תוצאות השיא כבר דווחו בעבר. כאן הדגש הוא על חלוקת תוצאות לריצת עיבוד טיפוסית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. תשתית בחירה וחיתוך

  1. רכישה מלוטשת הוופלים Si עם תחמוצת תרמית עבה. למכשירים שדווחו כאן, להשתמש 500 מיקרומטר הוופלים עבים עם ננומטר 300 או תחמוצת תרמית עבה. הקריטריונים לבחירת המצע נדונות בסעיף הדיון.
  2. מעיל ספין הצד המלוטש של רקיק עם photoresist חיובי טיפוסי (SPR 700 או PMMA א 495) ולאפות רך (30 שניות ב 100 מעלות צלזיוס).
    הערה: זוהי שכבת מגן למניעת נזק או זיהום במהלך שלב חיתוך שלאחר מכן.
  3. השתמש במסור למות לחתוך את פרוסות ל1 "× 1" (25.4 x 25.4 מ"מ 2) מצעים רבועים.

2. מצע ניקוי

  1. הסר חלקיקים ושאריות אחרות הנובעים מחיתוך צעד באמצעות אקדח חנקן דחוס, ואחרי אמבטיה קולית במי דה מיונן (DI) במשך 5 דקות ב 45 - 60 ° C.
  2. להסיר את שכבת photoresist עם תואר ראשון קוליה באצטון למשך 5 דקות ב 45 - C ° 60.
  3. נקה את המצע החשוף עם 3 אמבטיות קוליים שלאחר מכן, כל 5 דקות ב 45 - C ° 60: אצטון, אתנול, ואלכוהול איזופרופיל. סיום על ידי ייבוש עם אקדח חנקן דחוס, ואילו מצעים להישאר במנשא קוורץ.

3. מו מקרטע

  1. טען את סי / 2 מצעי SiO נקיים למערכת המקרטעת ואקום גבוה. ודא שצלחת המצע היא מוסק וסיבוב מצע מופעל. למכשירים שדווחו כאן, תהליך במערכת מסחרית עם רובי magnetron נטויים עם 2 "מטרות ומרחק זריקה של כ 4".
  2. להפקיד את השכבה הראשונה (שכבת ההדבקה) בלחץ גבוה יחסית רקע כגון 10 mTorr של Ar. למכשירים שדווחו כאן, תהליך עם כוח המקרטעת של 180 W (DC), אשר נותן שיעור צמיחה של 2.6 A / sec, ושכבת מו ראשונה שהוא עבה 360 ננומטר.
  3. להפקיד השניהשכבה (שכבת מוליך) בלחץ נמוך יחסית רקע כגון 2 mTorr של Ar. השתמש באותו הכח המקרטעת כמו השכבה הראשונה (180 W) ולהפקיד באותו עובי.
    הערה: המכשירים שדווחו כאן היו שכבת מו שנייה שהיו 360 ננומטר עבים, כמו השכבה הראשונה.
  4. לאחר תצהיר מו, לאחסן מצעים תחת ואקום עד שלב תצהיר SNS.

4. SNS הפקדת

הערה: הטכניקה בתצהיר אלד מתוארת בסעיף 4.1, ותצהיר TE מתואר בסעיף 4.2. מערכת התצהיר אלד מוצגת באיור 2, ומערכת בתצהיר TE מוצגת באיור 3.

  1. SNS הפקדה על ידי אלד
    1. לפני הטעינה לתוך הכור, לשים מצעי מו בשואב אוזון UV למשך 5 דקות כדי להסיר חלקיקים אורגניים. לאחר מכן למקם את מצעים על בעל המצע ולהכניס לתוך האזור בתצהיר.
    2. לייצב את טמפה התנורrature ב 200 מעלות צלזיוס לפני שמתחיל בתצהיר.
    3. לגדול SNS דקים סרטים מהתגובה של BIS (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N -iPr) 2) 2, המכונה כאן Sn (AMD) 2] ומימן גופרתי (H 2 S) 4.
      1. שמור Sn (AMD) 2 מבשר בטמפרטורה קבועה של 95 מעלות צלזיוס. השתמש N 2 גז טהור לסייע למסירת Sn (AMD) 2 אדים מהמכל בתנור לאזור בתצהיר. במהלך כל מחזור אלד, שלוש מנות אספקת Sn (AMD) 2 מבשרים לחשיפה כוללת של 1.1 שני Torr.
      2. להשתמש בתערובת גז של 4% H 2 S בN 2 כמקור הגופרית. ודא שהחשיפה לאדי מימן הגופרתי היא 1.5 Torr שני למנה. ודא שהלחץ החלקי של H 2 S והלחץ הכולל של 2 S H בN 2 הם 0.76 Torr ו -19 Torr, בהתאמה.
    4. לא הגדרהוא שאיבת זמן בין מנת מבשר Sn ו- H 2 S מינון להיות רק 1 שניות (לעומת קצר ביותר נהלים אלד קונבנציונליים האחרים) על מנת להאיץ את התצהיר.
      הערה: מאחר מבשר Sn לא הוסר לחלוטין על ידי זמן שאיבה קצר זה, כמה מבשר Sn שייר נשאר כאשר H 2 S מגיע. כך התהליך יכול להיות מתואר כתהליך CVD פעמו. שיעור הצמיחה של סרט SNS הוא 0.33 A / מחזור, או 0.04 / sec.
  2. SNS הפקדה על ידי TE
    1. ודא שהלחץ קאמרי התהליך הוא 2 x 10 -7 Torr או נמוך יותר. מצעים טען לתוך התא דרך מנעול העומס. החזק את מצעים לצלחת או עם סרטון אחד, או עם בעל מצע מותאם אישית עם כיסים בגודל מתאים, כי הוא מוברג לצלחת המצע.
    2. רמפה המקור וחימום מצע לsetpoints. למכשיר שדווח כאן טמפרטורת המצע היא 240 מעלות צלזיוס, קצב הצמיחה הוא 17; / שניות; כדי להשיג שיעור צמיחה זה להגדיר את טמפרטורת המקור בטווח 550-610 מעלות צלזיוס (העליות נדרשו מקור הטמפרטורה עם זמן לאחת עומס של אבקת מקור). עובי סרט היעד הוא 1,000 ננומטר.
    3. למדוד שיעור בתצהיר משתמש בצג גביש קוורץ (QCM) לפני ואחרי תצהיר סרט SNS ידי הזזת לתוך תא תהליך זרוע QCM. למדידה זה המצע עולה כך שQCM ניתן להעביר למצב צמיחת מצע.
      הערה: השיעור בתצהיר נשאר די קבוע לאורך זמן בתצהיר של 3 שעות (± 0.05 A / סטיית שניות).
    4. לאחר בתצהיר, להעביר את הדגימות חזרה למנעול העומס לפני האוורור לאוויר. במהירות להעביר את הדגימות דרך אוויר לאחסון או בואקום או בתא כפפות אווירת אינרטי לפני שלב העיבוד הבא.
      הערה: זמן חשיפת האוויר מכוון הטיפוסי הוא כ 3 דקות. זמן האחסון הטיפוסי הוא בין יום וaweek.

חישול 5. SNS

הערה: שלב זה מתבצע בצורה קצת שונה עבור תאים סולריים אלד וTE. הליך חישול לתאים סולריים אלד מתואר בסעיף 5.1, ואת ההליך לתאים סולריים TE מתואר בסעיף 5.2. המטרה של חישול נדונה בסעיף הדיון.

  1. לחשל סרטי SNS-גדל אלד בגז H 2 S.
    הערה: שלב זה מתבצע באותה המערכת המשמשת לגידול אלד.
    1. שימוש בגז טהור H 2 S (99.5% טהורים) בקצב זרימה של 40 SCCM ולחץ של 10 Torr.
    2. מחממים את סרט SNS לטמפרטורה של 400 מעלות צלזיוס ולהחזיק עבור שעה 1 בסביבת גז H 2 S. ודא שהגז זורם לאורך כל התהליך, כולל טמפרטורת ramping למעלה ולמטה.
  2. לחשל סרטי SNS גדלו-TE בגז H 2 S. לבצע שלב זה בתנור צינור ייעודי.
    1. ה טעןדגימות דואר על צלחת נקייה קוורץ ושקופיות לאזור חם לאזור של התנור.
    2. לאחר התנור אטום, לטהר שלוש פעמים עם N הטהור 2 ולאפשר לשאוב את לחץ בסיס.
    3. להקים זרימת גז בשיעור של 4% S 2 H 100 SCCM ב 28 Torr.
    4. רמפה הטמפרטורה ל -400 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. להחזיק ב 400 מעלות צלזיוס במשך שעה 1, ולאחר מכן לאפשר הדגימות להתקרר ללא עזרה בחמה-האזור. לשמור על זרימה מתמדת H 2 S גז ולחץ עד דגימות להתקרר מתחת ל -60 מעלות צלזיוס. הסר את הדגימות וגם להמשיך מייד לשלב הבא, או להכניס אותם לתוך אחסון בתא כפפות גז אינרטי.

6. פסיבציה Surface SNS עם תחמוצת ילידים

הערה: שלב זה מתבצע בצורה קצת שונה עבור תאים סולריים אלד וTE. בתת-סעיף 6.1 הליך פסיבציה המשטח לתאים סולריים אלד מתואר, ואת ההליך לתאים סולריים TE מתואר בסעיף קטן6.2. הפונקציה של שלב זה היא דנה נוסף בסעיף הדיון.

  1. לדגימות גדלו אלד, לגדול בשכבה דקה של SNO 2 על ידי אלד.
    הערה: אנו משתמשים בכור שונה מזה המשמש לגידול SNS.
    1. לגדול SNO 2 על ידי התגובה של אמיד המחזורי של פח [(1,3-bis (1,1-dimethylethyl) -4,5-dimethyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ylidene) Sn (II)] ומי חמצן (H 2 O 2). אחסן את מבשר הפח אמיד המחזורי בתנור על 43 מעלות צלזיוס, וH 2 O 2 בbubbler ב RT.
    2. לשמור על טמפרטורת מצע ב 120 מעלות צלזיוס במשך תצהיר.
    3. לחשוף את מבשר הפח וH 2 O 2 באמצעות 0.33 ו -1.5 Torr שני בכל מחזור, בהתאמה, עבור הסכום כולל של 5 מחזורים. בדוק שהעובי של SNO 2 וכתוצאה מכך הוא 0.6 0.7 ננומטר, כפי שנמדד על ידי ספקטרוסקופיה Photoelectron רנטגן ניתוח (XPS) 10.
  2. לדגימות גדלו-TE, יוצר תישכבת n של SNO 2 על ידי חשיפה לאוויר.
    1. לחשוף את הדגימות לאוויר הסביבה מעבדה למשך 24 שעות. בדוק שהעובי של SNO 2 וכתוצאה מכך הוא כ 0.5 ננומטר, כפי שנמדד על ידי ניתוח XPS.
      הערה: RT הטיפוסי הוא 24 ± 1 ° C, והלחות האופיינית היא 45% ± 13% (גבוהה יותר בקיץ); למכשירים שדווחו כאן, הערכים היו 24.6 C ו< 30%, בהתאמה.

7. בתצהיר של Zn (O, S) / Layer ZnO המאגר

הערה: שלב זה מתבצע באותו התא אלד המשמש לSNS צמיחה על ידי אלד.

  1. לגדול Zn (O, S): N שכבה על ידי אלד.
    1. לשמור על טמפרטורת המצע ב 120 מעלות צלזיוס.
    2. לגדול Zn (O, S): N ידי אלד מהתגובה של diethylzinc (Zn (C H 5) 2, Dez 2), מים ללא יונים (H 2 O), H 4% 2 S בN 2, ואמוניה (NH 3) 11. אחסן את contai bubblerנינג Dez ב RT. השתמש רצף מעגל [Dez-H 2 O-Dez-NH 3] 14 - [Dez-H 2 S] 1, וחזור מחזור סופר זה 12 פעמים. ודא שהחשיפה של אמוניה היא 11 שנייה Torr.
    3. בדוק שיחס S / Zn בסרט וכתוצאה מכך הוא 0.14, כפי שנמדד על ידי ספקטרוסקופיה backscattering רתרפורד 12, וכי העובי של הסרט הוא כ 36 ננומטר.
  2. לגדול שכבת תחמוצת אבץ על ידי אלד.
    1. לשמור על טמפרטורת המצע ב 120 מעלות צלזיוס.
    2. לגדול ZnO עם 50 מחזורי ALD של Dez-H 2 O.
      הערה: העובי של סרט תחמוצת האבץ וכתוצאה מכך הוא כ 18 ננומטר.

8. בתצהיר של תחמוצת הניצוח השקוף (TCO), אינדיום טין אוקסיד (איטו)

  1. חותך מסכות צל איטו מ0.024 "(610 מיקרומטר) אלומיניום 6061 גיליון באמצעות חותך לייזר מעבדה.
    הערה: המסכות להגדיר 11 מכשירים מלבניים שהם 0.25 סנטימטר 2 בבתוספת גודל כרית גדולה בפינה אחת המשמשת למדידות אופטיות רפלקטיביות, ראה איור 4.
  2. הר המכשירים ומסכות בaligner מסכה.
    הערה: זוהי צלחת אלומיניום עם כיסים מקוננים למצע ומסכות וסרטונים כדי לאבטח את המסכות במקום.
  3. איטו הפקדה על ידי המקרטעת magnetron תגובתי.
    1. לחמם את המצע לכ 80-90 C ולאפשר סיבוב מצע.
    2. השתמש יעד איטו קוטר 2 אינץ '(ב 2 O 3 / Sno 2 90/10 WT.%, 99.99% טהורים) בשעה 65 כוח המקרטעת W RF עם זרימת גז 2 Ar / O 40 / 0.1 SCCM ב 4 mTorr לחץ כולל.
    3. לגדול סרט איטו עבה 240 ננומטר.
      הערה: עם הפרמטרים האלה, שיעורי צמיחה של התנגדויות 0.5 A / sec וגיליון בטווח 40 - 60 Ω / מ"ר מושגות.

9. Metallization

  1. מסכות צל metallization Cut ממיקרומטר 127 אוסטן עבהגיליון נירוסטה itic.
    הערה: מסכות אלה נחתכות עם + 10 / -5 סובלנות מיקרומטר על ידי חברה מסחרית. דפוס המתכת מורכב 2 אצבעות מופרדות על ידי 1.5 מ"מ, כל עוד 7 מ"מ, וכרית מגע 1 x 1 מ"מ 2, ראו איור 4.
  2. הר המכשירים ומסכות בaligner מסכה, כמו בשלב 8.2.
  3. הפקדת Ag (למכשירי TE) או ניקל / אל (למכשירי ALD) על ידי אידוי קרן אלקטרונים.
    1. aligner מסכת ההר לצלחת המצע של מערכת אידוי מתכות אלומת אלקטרונים. לשאוב עד לחץ בסיס מתחת 1 x 10 -6 Torr.
    2. להתאדות מתכת בשיעור של 2 / sec. להפקיד 500 עובי כולל מתכת ננומטר.

אפיון 10. התקן

  1. בצע נוכחי מתח ("J - V") מדידות בכל ההתקנים באור השמש הכהה ובAM1.5 מדומה.
    1. לכייל סימולטור הסולרי על ידי איסוף J - fr נתונים Vאום תאים סולריים סיליקון מכויל והתאמת כוח מנורת סימולטור השמש וגובה עד שמגיע לערך הנוכחי המכויל לinsolation AM1.5.
    2. צור מכשירים במצב ארבעה-תיל באמצעות טיפים בדיקה כפולים בריליום הנחושת לפנות לשתי העליון (האנודה, Ag או אל) ותחתון שכבות (קתודה, מו). צור השכבה התחתונה על ידי גירוד משם שכבות החיץ וSNS עם להב סכין מנתחים.
    3. מדד אור וחושך J - נתונים V באמצעות מקור מטר במתח המקור והמדידה נוכחי.
      הערה: מכשירים נמדדים בדרך כלל בטווח ± 0.5 V. המכשירים אינם מגיבים לכיוון או השיעור של מטאטא המתח. לבדיקה שגרתית אינו משמש צמצם אור הגדרת אזור, ראה סעיף דיון לקבלת פרטים נוספים.
  2. בצע את יעילות חיצונית קוונטים (EQE) מדידות בכל ההתקנים, עם אור משתנה והטית מתח.
    1. לכייל את מערכת EQE ידי מדידת respoNSE של photodiode כיול סי.
      הערה: התוכנה משווה את הנתונים למדידות שבוצעו עם סטנדרטי כדי להתאים את רמת האור בהתאם מגובה NIST.
    2. צור מכשירים בשיטת ארבעת חוטים, כמו בשלב 10.1.2.
    3. למדוד EQE באמצעות מערכת מסחרית אשר מאירה את המדגם עם אור מונוכרומטי הקצוץ ב 100 הרץ על פני טווח אורך גל של 270 ננומטר 1,100 ומודד את הזרם וכתוצאה מכך. לבצע מדידה זו על פי נוהל העבודה הרגיל של היצרן.
    4. חזור על מדידת EQE עם מתח משתנה והטית אור לבנה. השתמש SourceMeter לספק ההטיה המתח, ומנורת הלוגן לספק הטיה הקלה. למדוד מכשירים בשני קדימה לאחור הטיה מתח, ותחת עד ~ שמשות 1 משתנה עוצמת אור לבנה.
    5. למדוד החזרה אופטית (% R) של המשטח העליון איטו באמצעות ספקטרופוטומטר עם כדור שילוב כדי להמיר חיצוני לפנימייעילות הקוונטית (IQE). לבצע מדידה זו על פי נוהל העבודה הרגיל של היצרן.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איורים 6-8 תוצאות מוצגות לשני מדגמים מייצגים "בסיס" גדלו-TE כפי שתוארו לעיל. J מואר - נתונים V לשתי דגימות אלה הוא להתוות איור 6 המדגם הראשון ("SnS140203F") הניב את המכשיר ביעילות מוסמכת של 3.88% שדווחה בעבר 9 הפצות הנציג JV מוצגות גם עבור כל דגימה... למתח הטיה נתון, הפצות אלו מחושבות כ משוואת 1 כאשר <J> הוא ממוצע של צפיפות הזרם נמדדה עבור כל ההתקנים, σ J הוא סטיית התקן של מדידות אלה, ו- N הוא המספר הכולל של מדידות. במילים אחרות, הממוצע וסטיית ההתקן מיוצגים בצורה גרפית. ייצוג זה עוזר עם השוואת תוצאות ממדגמים שונים, ולהערכה חזותיתהשפעה של שינויים בייצור מכשיר בביצועי מכשיר וכתוצאה מכך.

J - נתונים V מצביעים על כך שהדגימות סובלות מבעיות עם התנגדות מחלף שמשתנית בין מכשירים על מדגם. מסקנה זו מתחזקת עוד יותר על ידי דמויות 7 ו -8. באיור 7 הפרמטרים תאים הסולריים סטנדרטיים הם זממו - מתח מעגל פתוח (OC V), צפיפות קצרה חשמלי נוכחית (SC J), למלא גורם (FF), ויעילות המרת כוח -. לכל אותם המכשירים שמוצגים באיור 6 ייצוג גרף עמודות עוזר לזהות חזותי מתאמים בין פרמטרים. לדגימות אלה המתאם הבולט ביותר הוא בין היעילות וFF, כצפוי למכשירים שסובלים מהפסדי מחלף או התנגדות סדרה. למכשיר השני יש גם מתאם לכאורה בין היעילות וOC V,כצפוי להפסדי התנגדות מחלף.

מתאמים אלה עשויים מפורשים של חלקות רבות משתנים שמוצגים באיור 8. הנה, OC V, SC J, וFF הם זממו נגד הסדרה (R ים) ומחלף (SH R) התנגדויות. sh R של R ומחושבים באמצעות יניארי מתאים לJ - V נתונים קרובים 0.5 ו 0 V, בהתאמה. במקרים רבים זה יהיה יותר טוב כדי לחלץ sh R של וR כפרמטרים במודל דיודה אשר יכול להיות בכושר לJ - נתונים V. עם זאת, עבור תאים סולריים נמוכה יחסית יעילות ישנם מקורות רבים של אובדן, ומודלי דיודה שיצליחו למכשירי יעילות גבוהים יותר הם לא אמין. לכן הוא העדיף לחלץ של R וציוד R על ידי טכניקה חזקה יותר. למרות הערכים וכתוצאה מכך לא יכולים להיות מדויקים, מגמותDS עדיין מאלף וניתן להשתמש בם כדי להנחות את הפיתוח. הנתונים באיור 8 מאשרים כי לדחוק התנגדות הוא מקור עיקרי להפסד. ניתן לראות זאת באופן ברור ביותר במגמת העלייה בFF (SH R). הנתונים מראים כי, בשלב הנוכחי של פיתוח מכשיר, התנגדות המחלף חייבת להישמר יותר מכ 200 Ω 2 סנטימטר על מנת שרווחים יעילות משיפורים בתהליך אחרים לעין. R של מופיע שלא להגביל את המכשירים שדווחו כאן. הערכים עבור R של בדרך כלל 0.5 Ω 2 סנטימטר, ורק לעתים רחוקות מעזים מעל Ω 1 סנטימטר 2.

תוצאות עבור נציג אחד "בסיס" מדגם ALD-מבוגר כפי שתואר לעיל מוצגות באיור 9. המכשירים אלד להראות ביצועים טובים יותר מאשר מכשירי TE, עם המכשיר הטוב ביותר המראה את יעילות של 4.6%. מלבד טכניקות צמיחת SNS השונות, לאוו ייצור נהלים שונים בפסיבציה משטח SNS על ידי חמצון. בנוסף, דגימות TE חשופות לאוויר במעבדה בין צמיחת סרט וחישול, בעוד הדגימות תלדנה מרותק בתא הצמיחה ללא הפסקת אוויר. הדגימות גדלו אלד מופיעות לסבול פחות מהפסדי התנגדות מחלף מהדגימות גדלו-TE. הסיבה להבדל זה אינה ידועה. ייתכן שסרטי SNS-גדל אלד הם קומפקטיים יותר, בשל מצב צמיחת הגבלה העצמית וקצב צמיחה איטי, מסרטי המבוגרים TE.

בדיקות המכשיר המוסמכות לשכפל באיור 10. 9,10 משמאל מוצג מכשיר השיא מוסמך באמצעות שכבת SNS-גדל אלד. היעילות מוסמכת למדגם זה הייתה 4.36%, ומכשירים עד 4.54% יעילים נמדדו תוך שימוש באותו הליך הייצור. מימין מוצג מכשיר השיא מוסמך באמצעות שכבת SNS גדל-TE. היעילות מוסמכת למדגם זההיה 3.88%, ומכשירים עד 4.1% נמדדו באותו ההליך. שים לב ש3.88% תוצאת הבדיקה מוסמכת היא גם בטווח שנמדד במדגם זהה, שלסטיית התקן הממוצעת ± היא 3.5% ± 0.4%, כפי שמוצג באיור 7.

איור 11 מציג תוצאות מדגימות את היציבות של תאים סולריים TE-גדלו SNS בתנאי סביבה. עבור דגימות בחרו J - בדיקות V בוצעו לפני ואחרי האחסון של עד עשרה חודשים. הדגימות אוחסנו באוויר ונחשפו לאור הסביבה ללא אנקפסולציה. כל ארבע דוגמאות שמוצגים באיור 11 עובדו מעט שונות מההליך שדווח כאן; זה מסיבות היסטוריות, ואין סיבה לחשוב שהמכשירים דיווחו כאן היו מאפייני יציבות שונים. הבדלי העיבוד מתוארים בכותרת איור, והם מהווים performanc השוניםדואר של המכשירים. הנקודה העיקרית היא שהשפלה מינימאלית הוא ציינה למעלה משנה. זה נותר לראות כיצד SNS תאים סולריים ישרדו בדיקות חיים מואצים יותר, כגון חום לח או תאורת ספקטרום מלאה ממושכת.

איור 1
תהליך איור 1. התקן ייצור. ספירה של תהליך ייצור המכשיר, מחיתוך מצע (# 1, למטה) לmetallization (# 9, למעלה).

איור 2
איור 2. סקירת מערכת תצהיר שכבה (ALD) אטומית. מערכת (למעלה) אלד שרטוט. תצלום מערכת אלד (תחתון), עם רכיבים קריטיים הממוספרים ומסומנים. מערכת זו יכולה לבצע בתצהיר SNS, חישול SNS, וחיץ בתצהיר שכבה ויושבת בGordעל קבוצה באוניברסיטת הרווארד. הוא מורכב מצינור בתצהיר חם קיר, שני תנורים המשמשים לאחסון מבשר, גז לספק ומערכת בקרה, מערכת שליטה וטמפרטורת משאבת ואקום מכאני שבשבת סיבובית. בעל המצע יכול לשים ברוב שמונה 1 "× 1" מצעים רבועים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
3. אידוי תרמי (TE) סקירת מערכת איור. רכיבים קריטיים ממוספרות ומסומנת. מערכת זו היא ייעודית לתצהיר SNS ויושבת בקבוצת Buonassisi ב- MIT. המערכת מורכבת מתא תהליך ומנעול עומס. תא התהליך נשמר בדרך כלל בתנאי ואקום גבוהים (1 × 10 -8 Torr) וכולל שלב מצע מוגף עםסיבוב מדגם וחימום קרינה, ותא השתפכות מוגף לאידוי מקור. התא יש גם צג נשלף גביש קוורץ (QCM) ממוקם ישירות מתחת לצלחת המצע למדוד קצב צמיחה, וpyrometer למדידת טמפרטורת מצע. אבקת SNS לרכוש מסחרי משמשת למבשר, עם קדם-טיפול תרמי שתואר קודם לכן. 9 צלחת המצע מחזיקה מצע אחד גדול מכשיר (1 × 1 ב 2) ומצע אחד קטן (1 × 1/3 ב 2) שהוא המשמש למדידות סרט SNS. המרחק מהמצע לפתח המקור הוא 10 סנטימטר. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4. דפוס Metallization וצילום מדגם. & # 160; הציור בצד השמאל מציג את דפוס metallization עבור 0.25 סנטימטר 2 מכשירים. לשם בהירות את טביעת רגל TCO מתוארת במכשיר אחד בלבד. כמו כן מוצג הוא המיקום של כרית TCO הגדולה המשמשת למדידות אופטיות רפלקטיביות. התמונה בימין מראה מדגם אמיתי עם SNS הבוגר TE. האזור גרד בשמאל מספק קשר לשכבת מו בסיס לבדיקה. צילום:. KJ ואנג אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור בדיקות התקן 5. עם כרטיס בדיקה. תמונה מלמעלה למטה זה מראה מדגם רכוב על צ'אק תחנת בדיקה עם מספר מכשירים בו זמנית יצרו קשר עם כרטיס הבדיקה המותאמת אישית. רק מחצית מהמדגם היא נראית בתמונה זו."Target =" _ jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. J - בדיקות V עבור מכשירים בשתי דגימות "בסיס" TE שונים. לשם בהירות, כל 12 ההתקנים במדגם נתון הם זממו באותו הצבע (אפור או אדום). גם זמם הן נציג J - מעטפות V (ממוצע ± סטיית תקן) לכל מכשירים בכל דגימה, כפי שתוארו בטקסט. מדידות אלה בוצעו ללא צמצם אור הגדרת אזור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

. איור 7. פרמטרים בדיקת תאים סולריים לדגימות TE שני בסיס תוצאות הבדיקה נרשמות על שורה אחת עבור כל מכשיר שנבדקה - 11 מכשירים כל ל" SnS140203F "(למעלה) ו" SnS140306H" (למטה) - כדי להפוך את המתאמים ברורים יותר . מעל כל חלקה דיווחה הסטייה הטובה ביותר, ממוצעת, סטנדרטית (SD), וסטיית ההתקן (SE) עבור כל הפצה. שים לב שOC V הטוב ביותר (לדוגמא) הוא OC הגבוה ביותר שנמדד V, לא OC V של המכשיר יעיל ביותר. מדידות אלה בוצעו ללא צמצם אור הגדרת אזור. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 8
איור 8. S eries ומגרשים משתנים התנגדות מחלף לדגימות TE שתי בסיסיות. המכשירים ייצגו הם אותם דווחו בדמויות 6-7. הסדרה (R ים) ומחלף התנגדויות (SH R) מחושבים כמתואר בטקסט. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 9
איור 9. בדיקות JV ופרמטרי מבחן עבור מדגם אלד בסיס אחד. (למעלה) עקומות JV להראות ביצועי שיא טובים, אבל חלק מהמכשירים סובלים מהתנגדות מחלף נמוכה באופן ברור. הפרמטרים הבדיקה (התחתון) מראים קורלציה חזקה בין היעילות וFF, עולה בקנה אחד עם הפסדי התנגדות מחלף. מדידות אלה בוצעו ללא צמצם אור הגדרת אזור.קבצים / ftp_upload / 52,705 52705fig9large.jpg "target =" .jove.com / / _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 10
10. תוצאות איור הסמכה למכשירים בוגרים TE ALD- ו. הסמכה מבוצעת על ידי צוות אפיון PV ביצועים באנרגיה מתחדשת המעבדה הלאומית, ארה"ב. (משמאל) השיא המוסמך אלד הוא 4.36%, כפי שדווח בSinsermsuksakul et al. 10 (ימין) שיא TE מוסמך הוא 3.88%, כפי שדווח בet al טיינמן. 9 אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 11
STA 11. ארוך-זמן איורbility של תאים סולריים SNS J -. בדיקות V של דגימות שנמדדו שוב ושוב על פני תקופה של כמעט שנה, בעת היותו מאוחסנת באוויר ושנחשף לאור הסביבה ללא אנקפסולציה. לכל לוח העקומות השחורות להראות המדידה הראשונית, העקומות האדומות להראות המדידה הסופית, ומיהרו להראות עקומות. הקווים הדקים להראות את המכשיר הטוב ביותר עבור כל בדיקה, והעקומות העבות הן נציג J - מעטפות V (ממוצע ± סטיית תקן) לכל מכשירים בכל דגימה כפי שמתואר בטקסט. כל ארבעה הפנלים להראות דגימות גדלו-TE שעובדו כמתואר בכתב היד הזה, פרט להבדלים הבאים: (א) לא צעד חישול S H 2. שכבת בולם רזה (ב), 650 ננומטר עבה; אין צעד חישול 2 S H; חשיפת האוויר ביצעה ב 200 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות. שכבת בולם רזה (ג), 650 ננומטר העבה; אין צעד חישול 2 S H; שכבת חיץ wה- i תכולת גופרית גבוהה יותר ולא סימום חנקן. ציפוי Antireflection (ד) הופקד על גבי ערימת מכשיר. הזמן בין המדידות היה 50 שבועות, 48 שבועות, 48 שבועות, ו- 28 שבועות ללוחות, B, C, ו- D, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 12
ויזואליזציה איור 12. אי-אחידות מרחבית על פני שתי דגימות TE תחילת המחקר. תוצאות הן אותו הדבר, כפי שדווח באיור 6-8. יש 11 מכשירים בכל דגימה, וכל מכשיר הוא צבע מקודד לפי היעילות נמדדת; מפת הצבעים הוא זהה בשתי דוגמאות. בקיעה שחורה ולבן מציינת כי המכשיר לא נמדד, או לא מכשיר היה נוכח (כמו פינה אחת של כל דגימה).

איור 13
איור 13. מצויר דוגמא של בדיקת שערות בנוכחות שונות מטרה משותפות. דמויות בדיוניות אנג'לה ונסים הם בנפרד בדיקת ההשערה שהתהליך B להניב תאים סולריים יעילות גבוהה יותר מאשר א תהליך אנג'לה יש בקרת תהליך מעולה אבל יעילות בסיסית נמוכה במקצת מ נסי. (A, D, G) הסתברויות נכון לתוצאות אנג'לה והנסים של. (B, E, H) מדידות בודדות. (C, F, I) הפצות נמדדו. עם רק 6 דגימות, אנג'לה יכולה לדחות את השערת האפס, אבל לא יכולים נסי. ראה טקסט לתיאור מלא. אנא לחץ כאן לצפייהגרסה גדולה יותר של הדמות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ניקוי בחירת מצע

הוופלים Si חמצון משמשים כמצעים. מצעים הם התמיכה המכנית לתאים סולריים וכתוצאה מכך, והתכונות חשמליות שלהם אינן חשובות. הוופלים Si הם העדיפו לזכוכית, כי הוופלים Si לרכוש מסחרי הם בדרך כלל נקיים יותר מופלי זכוכית לרכוש מסחרי, וזה חוסך זמן בניקוי מצע. Si מצעים גם מוליכות תרמית גבוהה מזכוכית, מה שמוביל ליותר אפילו חימום בצמיחה וחישול. עם הוופלים זכוכית לרכוש מסחרי נמצא כי היה צורך לנקות את מצעים עם חומר ניקוי, כולל לשפשף ידני עם אצבעות בכפפות ואחרי אמבטיה קולית חמה, כדי להסיר כל העקבות הגלויות של זיהום, וגם אז לא יכל ניקיון מצע להיות מובטח. זה ניסוי שאשר כי הבחירה של זכוכית או מצעי Si אין השפעה על ביצועי מכשיר. Howevאה, השוואה זו בוצעה עם מכשירים היו ב2% - 3% הטווח יעיל, והשוואות חוזרות ונשנות תהיה כדאי כיעילות הבסיסית משפרת.

בדרך כלל 10 או יותר מצעים מנוקים בזמן שימוש במנשא רקיק קוורץ מותאם אישית שנועד. זה מניב תוצאות לשחזור יותר מאשר טיפול הוופלים בנפרד עם פינצטה.

המקרטעת מו

הוחלט להפקיד את מו קשר אחורי (הקתודה) בבית ולא מצעי רכישה מצופה מו לאחר תוצאות מאכזבות התקבלו עם מצעים זמינים ממספר ספקים שונים. עם מצעים קנויים (גמגם מו על זכוכית) בעיות היו נתקלו בניקיון, delamination, או שניהם. סרט מו מופקד על ידי המקרטעת magnetron DC בשתי שכבות, אחת להידבקות למצע סי / SiO 2 ואחד למוליכות גבוהות, בהתאם לתוצאות שפורסמו על ידילא דואר סקופילד אל. 13

סרטי מו אופייניים הם 720 ננומטר עבים עם התנגדות גיליון של כ 1 Ω / מ"ר. התנגדות גיליון נמדדת על מצע ההקרבה באמצעות מערכת בדיקה ארבע נקודות אחרי כל ריצת צמיחת מו. בנוסף, ההדבקה למצע נבדקה באמצעות סכין אזמל. סרטים טוב-דבקים יכולים לעמוד מגרדים ביד עם אזמל בלחץ מתון בלי דה-למינציה. סרטי דבק גרוע יהיו דה-רבד רק עם לחץ קל. היה נראה כי צעד ניקוי פלזמה מצע קצר בתא המקרטעת לפני צמיחת מו חשוב להשיג הידבקות טובה. פרמטרים אופייניים לצעד זה הם ניקוי 20 mTorr Ar, 20 W RF, ו -60 שניות.

SNS צמיחה על ידי אידוי תרמית

SNS הוא התאדה מאבקת המקור באמצעות תא השתפכות טמפרטורה נמוכה לרכוש מסחרי עם כור היתוך בורון ניטריד פירוליטי עם voluשלי 32 סנטימטר 3. כאשר המקור נטען ראשון הוא אבקה דקה ואפור כהים בצבע. בדרך כלל 3 4 גרם של אבקה טעון. עם אבקת המקור חדשה, טמפרטורת המקור היא כ 540 מעלות צלזיוס כדי לשמור על שיעור צמיחה של 1 / sec על מצע המחומם ל 240 מעלות צלזיוס. עם מספר גדל והולך של ריצות צמיחה, טמפרטורת המקור חייבת להיות מוגבר לשמור על שיעור צמיחה מתמיד. כאשר טמפרטורת המקור הנדרשת מגיעה 610 מעלות צלזיוס האבקה החליפה.

הדוק לטמפרטורת המקור הוא הנושא של פתיתי SNS. כאשר שיעור הצמיחה מוגבר למעל 10 A / sec, ניתן להבחין פתיתי SNS גדולות בסרט הולך וגדל. לא ידוע אם אלה נובעים מהמקור העיקרי, או ממקורות משניים כגון תכריכי תא השתפכות או תריס המקור.

תצפית מדהימה אחד היא שכאשר קבוצה של אבקת המקור היא מותשת שהוא מותיר אחרי שאריות לבנה, נקבוביותבחלק התחתון של כור ההיתוך. קרן ה- X עקיפה מאשר כי מדובר SNO 2. המשקל של שאריות זה הוא בדרך כלל 0.01 גר '.

SNS צמיחה על ידי אלד

פרמטר קריטי בתהליך זה הוא הלחץ של הגז המוביל חנקן שזורם לSn (AMD) 2 המבשר. הלחץ נשמר ליד 250 Torr, אבל עשוי להשתנות מעט מהעת לעת. בהתחשב בכך שיחס הנפח של Sn bubbler המבשר (AMD) 2 ו- N 2 מלכודת גז הוא 5: 1, הלחץ בתוך bubbler הוא סביב 50 Torr. אם ערך זה הופך גדול מדי, האידוי של מבשר Sn יהיה מדוכא באופן משמעותי. מצד השני, אם הלחץ בתוך bubbler קטן מדי, שלא תהיה ירידה בלחץ מספיק בין bubbler ותנור התגובה (שבו יש לחץ של ~ 10 Torr) כדי לאפשר זרימת גז חלקה. אחד מהתרחישים אלה יגרמו למבשר Sn הלקוי בALתגובת D. אינדיקציה לבעיה זו היא שעובי סרט ליד השקע של תנור התגובה הוא הרבה יותר רזה שליד הכניסה. במהלך כל תצהיר, הלחץ בתוך הכור הוא פיקוח לוודא כי לחצי המערכת לשבת בטווח הנכון.

כדי להבטיח הפצת טמפרטורה אחידה בתוך אזור התגובה, הכניסה והיציאה של הצינור בתצהיר חם קיר עטופות עם קלטות חימום. תחת קלטות החימום, זוג צמדים תרמיים מוכנסים כדי למדוד את הטמפרטורה. התפלגות טמפרטורה לא אחידה בתוך אזור התגובה תגרום למורפולוגיה סרט שונות SNS באזורים שונים. בטמפרטורה גבוהה יותר בתצהיר, סרטים נוטים להיות קשה יותר ויש לי צבע בהיר יותר. בטמפרטורות נמוכות מתחת ל -200 מעלות צלזיוס, יש סרטים רפלקטיביות גבוהה יותר, כפי שניתן לבחון בעין.

חישול SNS בתנור צינור 2 S H </ P>

מטרת צעד חישול היא לייעל את המורפולוגיה, crystallinity, ותכונות חשמליות של סרטי SNS. לתאים הסולריים גדלו-TE, צעד חישול מתבצע בתנור צינור ייעודי. תנור צינור קוורץ 2 קוטר "זה מסוגל לזרום תערובות של 2 S 4% H (איזון N 2), 4% H 2 (N איזון 2), N הטהור 2 וAr הטהור. טמפרטורות נשלטות על ידי גופי חימום Nichrome חיצוניים ופיקוח באמצעות תרמי-עטוף קוורץ ממוקם באזור החם. גז פונתה באמצעות משאבת שמן מלאה שמן אינרטי. אטמים מבוצעים באמצעות H 2 אלסטומרים עמידים S. לחץ בסיס טיפוסי הוא 8 20 mTorr.

חישול בטמפרטורה של 400 מעלות צלזיוס היא איזון בין צמיחת תבואה משני ומחדש אידוי סרט. בעיקרון, חישול בטמפרטורה גבוהה יותר עשויה להיות מועילה עבור ביצועי התקן, ויכולה להיות מושגת ללא Fi משמעותיאובדן LM באמצעות לחץ תנור גבוה יותר. זה הנושא של חקירה פעילה.

פסיבציה משטח SNS עם תחמוצת יליד

מטרת צעד פסיבציה היא להפחית את הצפיפות של מדינות מלכודת אלקטרוניות בצומת בין בולם ושכבות החיץ, ולשמש כמחסום דיפוזיה כדי למנוע ערבוב לא רצוי של האלמנטים המרכיבים את שכבות בולם וחיץ. 14 יש לו נצפה שיש לי דגימות מעובד עם צעד חמצון זה ערכי OC V גבוהים מדגימות מעובד ללא.

בשלב זה, שלב החמצון לא נחקר בהרחבה, והוא כנראה לא מותאם. שימוש בתוצאות רנטגן ספקטרוסקופיה Photoelectron (לא מוצגות) ההערכה היא כי תחמוצת צריכה להיות פחות מ 1 ננומטר עבה לביצועים טובים ולהימנע מחסימה נוכחית.

בתצהיר של conduc השקוףתחמוצת טינג (TCO), תחמוצת אינדיום בדיל (איטו)

לפני טיפול נקודה זו נלקחה לשלוט חשיפת האוויר הכוללת של הדגימות בכל שלב. עם זאת, לאחר החשיפה לאוויר בתצהיר שכבת חיץ כבר לא מוגבל והדגימות נשמרות ומועברות באוויר הסביבה.

לפני שלב זה, כל התצהירים היו סרטים "שמיכה", המכסים את כל המצע. מנקודה על התצהירים זה הם בדוגמת להגדיר מכשירים בודדים. עבור שני איטו וmetallization צעדים התצהירים מוגדרים באמצעות מסכות צל מתכת חתוכה בלייזר. לתצהיר איטו זה מאוד חשוב כי השטח של משטח הופקד מוגדר בשיעור חד של מסכת הצל. אם האזור לא היה ברור וחד, למשל עקב כיפוף של המסכה בaligner המסכה, אז האזור הפעיל של המכשירים וכתוצאה מכך עשוי להיות גדול יותר באופן משמעותי מהגודל הנומינלי של 0.25 סנטימטר 2. זה יכול להוביל ל- ריפו על שגויrting של צפיפות הזרם.

Metallization

דפוס metallization נועד לאפשר מקום הארת כלי מדידת יעילות קוונטית ליפול לחלוטין על איטו ללא חפיפה עם המתכת. תוצאות אילוץ זה ב 2 אצבעות מופרדות על ידי 1.5 מ"מ, ארוכות כל 7 מ"מ, וכרית מגע 1 x 1 מ"מ 2, ראו איור 4. דפוס זה הוא פחות מאופטימלי מבחינה מכשיר ביצועים. דפוס מותאם לביצועי מכשיר ישתמש יותר אצבעות עם מרווח קטן יותר.

Ag שמש במשך תאים בוגרים TE וניקל / אל שמש במשך תאים שגודלו בילדו. חלוקה זו היא היסטורית ואינה מעוגנת בתוצאה ניסיונית. ייתכן שניקל / אל מספק התנגדות מעולה לקורוזיה בזמני אחסון ארוכים. למעשה, זה כבר ציין כי יש להם קשרי Ag נטייה לשיתוק במהלך האחסון ממושך באוויר (לexample, יותר משנה).

אפיון מכשיר

מכשירים סיימו מאופיינים באמצעות נוכחי מתח ("J - V") מדידות שנאספו ויעילות חיצונית קוונטים (EQE) מדידות שנאספו עם ובלי אור לבן והטית מתח. תאים סולריים עדכני נמדדו על ידי פנייה להתקנים שונים אחד-ב- פעמי, באמצעות micromanipulators בדיקה בתצורת תחנת בדיקה טיפוסית. מערכות סימולטור וEQE השמש היו מנותקות פיזי, כך המדגם צריך להיות מחדש קשר עם לכל מדידה. כתוצאה מכך, זה ייקח כ 4-5 שעות למדידת J - V וEQE על כל 11 המכשירים.

תחנה משולבת תפוקה גבוהה בדיקה שמשלבת J - V וEQE באמצעות צ'אק מדגם יחיד וכרטיס חיטוט שקשרים בכל המכשירים בו זמנית הותקנו לאחרונה ב- MIT, ראה איוריור 5. חיבורי החשמל נשלטים על ידי רבב תכנות, ושלב צ'אק XY הממונע הוא מבוקר מחשב. בדרך זו, J - V ומדידות EQE יכולים להתבצע ברצף על כל 11 מכשירים בתחת 1 שעה.

למכשיר שגרת בדיקות צמצם אור הגדרת אזור אינו בשימוש. לכן אזור המכשיר הפעיל עשוי להיות מוערך מתחת ל, וכתוצאה מכך ההערכה-יתר של צפיפות הזרם. עם זאת צמצם משמש במעבדות הסמכה, ופעמים רבות תוצאה יעילות נמוכה יותר (האיורים CF 7, 9 ו -10). שימוש בצמצם אור הגדרת אזור הוא תמיד רצוי, אבל לבדיקה שגרתית הוא לעתים קרובות מוזנח בשל חששות מעשיים כגון כדי למזער מגע פיזי עם החלק העליון של המדגם. שגיאה שיטתית בשל הערכה מתחת לאזור המכשיר הפעיל ניתן למתן על ידי שימוש באזורי מכשיר גדולים יותר. לעבודה תיארה כאן, ולא קטן (0.25 סנטימטר 2) גודל נבחר כמתאים לפיתוח טכנולוגיה בשלבים מוקדם (בשלבים מוקדמים יותר מכשיר קטן עוד יותר של 0.03 סנטימטר 2 ללא metallization היה בשימוש). עכשיו שהמכשירים הם בטווח של 4% יעילים ודיר, זה שווה להגדיל לגודל של 1 סנטימטר 2 או יותר.

בנוסף לטכניקות אפיון הסטנדרטי שתוארו לעיל, על דגימות אירוע גם נבדקת תוך שימוש בטכניקות הכוללים J טמפרטורה תלויה - V, OC Suns- V, פרופיל קיבול-מתח, ונעילה בתרמוגרפיה. טכניקות אלה משמשות כדי להבין ולכמת מנגנוני אובדן ספציפיים כגון רקומבינציה ממשק ואובדן התנגדות סדרה.

המשמעות של פרוטוקולי ייצור מכשיר שיתוף

בפרסומים על PV סרט הדק אורגני התוצאות של בדיקות מכשיר הן לא (עם ניסיון) בליווי שלufficient פרטים ניסיוניים כדי לשחזר את הניסוי. מצב זה מוביל לתסכול מיותר בין חוקרים בודדים, ומעכב את ההתקדמות של כל השדה. מצב זה גם עושה את זה קשה להשוות את ההליכים המתוארים במסמך זה לאלה המשמשים על ידי קבוצות מחקר אחרות. הטכניקות מתוארות בכתב היד הזה פותחו בסיוע שיחות רבות עם חוקרים בPV סרט הדק (בעיקר בארצות הברית), והרבה ניסוי וטעייה. המחברים מקווים שעבודה זו עוזרת לאחרים להימנע מתסכולים מיותרים, וקובעת תקדים לפרטים דיווח של שיטות ניסיוניות בPV סרט הדק.

יישומים עתידיים של הפרוטוקול המתואר

הפרוטוקול המתואר במסמך זה משמש להקמת תאים סולריים SNS "בסיס". התכונה החשובה ביותר של פרוטוקול ייצור בסיסי היא הדירות; מספר היעילות המוחלט הוא פחות חשוב. אניn הניסיון של המחברים, הדירות היא תכונת המפתח שיאפשר מחקר מתמשך כדי לשפר את היעילות, כגון על ידי שיפור פסיבציה משטח או הפחתת צפיפות פגם בתפזורת. ללא פרוטוקול בסיס הדיר קשה מאוד לשפוט את ההשפעות של שינויים בפרוטוקול הייצור. זו מתוארת באופן מלא בסעיף הבא בבדיקת שערות.

עבודה שוטפת והעתידית בתאים סולריים SNS תמנף את הפרוטוקול הבסיסי מתוארת כאן כדי לייעל את צעדי ייצור הבודדים במטרה להגדיל את יעילות מכשיר. עניין מיוחד הם צעדי פסיבציה חישול H 2 S ועל פני השטח, שכן אלה משפיעים ישירות על צפיפות הפגם בחלק הארי של בולם ובעמ - n הצומת.

הרכבי נתונים לאפשר בדיקת שערות

בתחום שמעריץ את יעילות אלוף, זה מפתה יותרלחפש את ההרכב -> 99% ממכשירים (לא אלוף) - ומידע שימושי זה מספק. סעיף זה מניע את ניתוח נתוני הרכב, ומציג גישות קלילה המאפשר הדמיה וחילוץ תובנות שימושיות מנתוני הרכב. הוא מניח מראש שיש לו את הקורא הבנת עבודה של סטטיסטיקת ניסוי (בדיקת שערות), ונוח חישוב הפצת גאוס, סטיית תקן, סטיית התקן, ומרווחי ביטחון של 95% לערכת נתונים נתון.

במילים פשוטה, ניתוח נתונים הרכב הוא המחקר של השתנות, שכאשר מופחתים, מאפשרת בדיקת השערה טובה יותר. השתנות, בפיהם "רעש", מטשטשת "האות" בהנדסת תהליך מונחה השערה ומחקר מדעי. עם עלייה ברעש, יותר ניסויים ניתנים חד משמעיים. ניסויים חד משמעיים הם בזבוז של זמן, משאבים, ואופטימיות. נתונים אנסמבל יכולים לעזור להפחית את השונות בשתי דרכים:

ראשית, נתוני הרכב לחשוף הלא אחידות תהליך במרחב ובזמן. סוג זה של השתנות הוא שיטתי (למשל., שנגרם על ידי לטמפרטורה או ספיקה-הדרגתיים בתוך תא בתצהיר סרט דק נתון), מניב דפוס ברור מרחבית נפתר של וריאציה ביצועים, שהודגם על ידי 12 איור. הווריאציה המרחבית או זמנית מגלם את "טביעת האצבע" של צעד התהליך הפוגע. באתרו דגימות המטרולוגיה ושליטה יכולות לעזור לזהות ולפתור בעיות במקורות של השתנות תהליך שיטתית.

שנית, נתוני הרכב לחשוף "מזל-of-the-התיקו" או שונות "נפוצות הסיבות", כלומר, השתנות סטטיסטיות המשפיעה על כל אלמנטי ההרכב באותה מידה. השתנות זו היא קשה יותר לפתרון, כי זה הוא התוצאה המצטברת של מדרגות עיבוד בשילוב מרובות. שונות משותפות הסיבות הטובות ביותר ניתן למזער על ידי בקרת תהליך מחמירהונהלי הפעלה סטנדרטיים בכל שלב - אמנם הצעה מאתגרת במהירות המשתנית וסביבה אקדמית מאוישת מינימאלי. עם זאת, את התרגיל הבא ממחיש מדוע הפחתת שונות משותפות הסיבות היא חיונית.

ההשפעה של שונות משותפות הסיבות שהודגמה: בין ד"ר קפדני ומבולגן ד"ר תחרות ידידותית, בדיונית מדעית: אנג'לה ונסים הן שני חוקרים ממעבדות שונות. הם עוסקים בתחרות מדעית ידידותית כדי לבדוק את ההשערה שהתהליך B מייצר מכשירים טובים יותר מא מקובל היטב בנקודת ההתחלה תהליך שני החוקרים להעסיק הליך השערת בדיקה סטנדרטי, המבוסס על הנחה ששונות משותפות-לגרום לתוצאות בהפצות יעילות גאוס ( פונקציות הפצה יותר נציג סטטיסטיות כוללות יומן רגיל להפצות ללא חריגים, והיומן-קושי-Lorenzian יותר מבחינה סטטיסטית החזקה להפצות עם o החזקהutliers).

אנג'לה ידועה לעמיתיה בשם "ד"ר קפדן. "היא משתדלת להפחית שונות תהליך. אנג'לה לא לשתף beakerware עם אחרים, מעסיק שגרה מראש אוויר קאמרי לפני תצהיר סרט דק, משלב דגימות בקרה עם כל ריצת ייצור, ומעדיף מצעי סיליקון הכיתה IC עם משטחי תחמוצת תרמית במקום משטחי הזכוכית משתנים יותר. היא מייצרת בסיס התקנים (תהליך) עם "אמיתי" (כלומר., בפועל) אומר יעילות של 10% וסטיית תקן אמיתית (σ אמיתית) של 0.5%. ייצור מכשיר ומדידות הם זמן רב, והיא רק יכולה לפברק ולמדוד שישה מכשירים (N = 6) לתהליך.

במעבדה אחרת, נסי הוא קשה בעבודה. לעמיתיה, נסי ידוע בשם "ד"ר "הכלים הייצור והמטרולוגיה מבולגנים. ממוקמים במתקן משותף לשימוש. כאשר זה התור שלהלהשתמש בם, היא לא לנקוט באמצעי הזהירות הדרוש כדי להבטיח שונות משותפות הסיבות נמוכות. אבל בגלל רשלנותה, סטיית התקן האמיתית שלה היא 1.5% מוחלטים (3 × גדולה מאנג'לה). σ הגבוה זה נכון משקף תנאי ניסוי מבוקרים היטב פחות. עם זאת, כי נסי משתמשים בחומרי גלם גבוה-טוהר, התהליך הבסיסי שלה משיג ממוצע אמיתית של 10.6%. נסי בודים ואמצעי N = 6 מכשירים לתהליך.

נניח שהתהליך B משפר את יעילות מכשיר "אמיתית" על ידי 10% יחסית (כלומר, 10% משפרים ל -11%;. 10.6% משפרים 11.7%). שני אנג'לה ונסים להחיל את משפט הגבול המרכזי לN = 6 המכשירים שהם כל לפברק, כפי שמוצגים באיור 13 שימו לב שהפצות "האמיתיות" (האיורים 13 א, ד, ז) מוסתרים לחוקרים.; הם רואים רק את נתוני הניסוי שלהם (איורשל 13B, E, H) וכתוצאה מכך גאוס מתאים, סטיות תקן, ומרווחי ביטחון (1C דמויות, F, I).

מצד אחד, בקרת התהליכים הדוקה של אנג'לה (השתנות נמוכה יותר, σ האמיתי קטן יותר) מאפשרת לה לדחות את השערת האפס, הגיע למסקנה בביטחון> 95% שהתהליך B הוא מעולה לעבד (13C איור). מצד השני, נסי, שיש לו σ גבוה יותר נכון, לא ניתן להסיק כי תהליך B הוא טוב יותר מאשר תהליך (איור 13F) עם N = 6. למרות שהנסים הוא בר מזל כדי להפוך את שני מכשירים עם יעילות גבוהות מכל של אנג'לה (איורים 13 ב, ה), אנג'לה מנצחת את המירוץ לפרסם מאמר המדעי שיחולל מהפכה בדרך שדה חושב על B. תהליך

נסי מבינים שהיא צריכה להגדיל את מרווחי הביטחון העצמי שלה, שמחייבת אותה כדי להפחית אותהשגיאה סטנדרטית מדידה (SE), כלומר.,

משוואה 2 . [1]

נסי יכולים להמשיך באחת משתי גישות כדי להתאים של אנג'לה 3 × קטן SE: נסי יכולים להפחיתה השתנות אמיתית (o σ) בפקטור של 3, או להגדיל את N בפקטור של 3 2 = 9. נסי תקבל גישה לגבוהה מכשיר מדידת תפוקת מנגנון, הגדלת N על ידי 9 ×. שיפור זה מקזז 3 × יותר השתנותה תהליך, והיא מסוגלת לזהות הבדל משמעותי סטטיסטי בין התהליכים A ו- B, דוחה את השערת האפס בודאות> 95% (איור 13I). היא חזרה במירוץ לפרסום.

יעילות גבוהה יותר בתחילת המחקר להגדיל את הסיכויים של בדיקת שערות מוצלחות: התמקדות במשוואה עבור SE (משוואת 1), ניתן לראות את זהאיך להגדיל את הביצועים בסיסיים מגדיל את הסיכויים של בדיקת שערות מוצלחות. אם תהליך B האמור נבדקו במכשיר בסיסי -efficient 5% במקום 10%, שיפור היעילות המוחלט יהיה רק ​​0.5% במקום 1%. בהנחת o σ היא ללא שינוי, המספר המינימאלי של דגימות הנדרשות לדחות את עליות השערת אפס על ידי 4 ×. לפיכך, שיפור ביצועי מכשיר בסיסי יש את אותו אפקט מתמטי כהפחתת σ, כלומר., שיפור 1 ל -1 במרווחי ביטחון.

המילה אחרונה: צמצום שגיאה סטנדרטית הוא חיוני כדי למזער את הסיכון של בדיקות השערה חד משמעיות. שגיאה סטנדרטית יכולה להיות מופחתת על ידי הפחתת שונות משותפות הסיבות, באו לידי ביטוי בo σ, מה שגורם לירידה של 1 ל 1 בSE. יש שיפור ביצועי בסיס השפעה שווה ערך. אפשר גם להגדיל את המדגם בגודל n, אבל זה יהיה חלשהשפעה אה על SE בגלל השורש הריבועי (N הגדלת גם מגדיל את הסיכון של וריאציה שיטתית).

החשיבות של יישום ניסיוני סטטיסטיקה מקובלת בביולוגיה ופיסיקה (ועדות סטטיסטיקת מעמד CF ניסויי אנרגיה בכלל גבוהים). 15 כדי לשפר את איכות נתוני הדיווח בPV, מומלץ שהחוקרים לשים לב ל- 99% ממכשירים שהם לפברק, ולאמץ בדיקת השערה עם הרכבי נתונים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות לפול Ciszek וקית 'אמרי מהאנרגיה מתחדשים המעבדה הלאומית (NREL) למדידות JV מוסמכים, ריילי ברנדט (MIT) למדידות ספקטרוסקופיה Photoelectron, וג'ף קאטר (ASU) להשראה לסעיף בדיקת השערות. עבודה זו נתמכת על ידי משרד אנרגיה האמריקאי באמצעות יוזמת SunShot תחת חוזה DE-EE0005329, ועל ידי רוברט בוש LLC דרך רשת חקר האנרגיה בוש תחת מענק 02.20.MC11. V. טיינמן, ר 'Jaramillo, וק הרטמן מכירים את התמיכה של, קרן אלכסנדר פון הומבולדט, דוקטורים פרס מחקר DOE EERE, ואינטל דוקטורט מלגה, בהתאמה. שימוש שנעשה עבודה זו של המרכז למערכות ננו באוניברסיטת הרווארד אשר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע תחת הפרס 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

  1. Woodhouse, M., Goodrich, A., et al. Perspectives on the pathways for cadmium telluride photovoltaic module manufacturers to address expected increases in the price for tellurium. Solar Energy Materials and Solar Cells. 115, 199-212 (2013).
  2. Bloomberg New Energy Finance University 2013 - renewable energy, CCS, EST. , Available from: http://about.bnef.com/presentations/bnef-university-renewable-energy-ccs-est/ (2013).
  3. Ramakrishna Reddy, K. T., Koteswara Reddy, N., Miles, R. W. Photovoltaic properties of SnS based solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90 (18-19), 3041-3046 (2006).
  4. Sinsermsuksakul, P., Heo, J., Noh, W., Hock, A. S., Gordon, R. G. Atomic Layer Deposition of Tin Monosulfide Thin Films. Advanced Energy Materials. 1 (6), 1116-1125 (2011).
  5. Noguchi, H., Setiyadi, A., Tanamura, H., Nagatomo, T., Omoto, O. Characterization of vacuum-evaporated tin sulfide film for solar cell materials. Solar Energy Materials and Solar Cells. 35, 325-331 (1994).
  6. Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).
  7. Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501 (2003).
  8. Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).
  9. Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).
  10. Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496 (2014).
  11. Hejin Park, H., Heasley, R., Gordon, R. G. Atomic layer deposition of Zn(O,S) thin films with tunable electrical properties by oxygen annealing. Applied Physics Letters. 102 (13), 132110 (2013).
  12. Palmetshofer, L. Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Surface and Thin Film Analysis. , Available from: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527636921.ch11/summary 191-202 (2011).
  13. Scofield, J. H., Duda, A., Albin, D., Ballard, B. L., Predecki, P. K. Sputtered molybdenum bilayer back contact for copper indium diselenide-based polycrystalline thin-film solar cells. Thin Solid Films. 260 (1), 26-31 (1995).
  14. Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
  15. Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).

Tags

הנדסה גיליון 99 פנלי שמש דקים סרטים אידוי תרמי בתצהיר שכבה אטומי חישול פח גופרתי
מה שהופך את התאים סולריים שיא יעילות SNS על ידי אידוי תרמי ואטומית שכבת הפקדת
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Jaramillo, R., Steinmann, V., Yang,… 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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter