Waiting
Login processing...

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

Engineering

Gør Record-effektivitet SnS Solceller ved Termisk fordampning og Atomic Layer Deposition

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Tin sulfid (SNS) er kandidat absorber materiale til Jord-rigelige, ikke-giftige solceller. SnS tilbyder nem fase kontrol og hurtig vækst af kongruent termisk fordampning, og det absorberer synligt lys kraftigt. Men i lang tid rekord magt konverteringseffektivitet SnS solceller forblev under 2%. For nylig demonstrerede vi nye certificerede rekord virkningsgrad på 4,36% ved hjælp SnS deponeret af atomare lag deposition, og 3,88% ved hjælp af termisk fordampning. Her proceduren for disse rekord solceller fabrikation beskrives, og den statistiske fordeling af fremstillingsprocessen er rapporteret. Standardafvigelsen for effektivitet målt på et enkelt substrat er typisk over 0,5%. Alle trin, herunder substrat udvælgelse og rengøring, Mo sputtering for den bageste kontakt (katoden), SnS deposition, annealing, overfladepassivering, Zn (O, S) bufferlaget udvælgelse og aflejring, transparent leder (anode) aflejring, og metallisering er beskrevet. På hvert substrat vi fabrikere 11 individuelle enheder, hver med aktivt areal 0,25 cm2. Endvidere er et system til høje gennemløb målinger af strøm spænding kurver under simuleret sol lys og ekstern quantum effektivitet måling med variabel lys partiskhed beskrevet. Med dette system kan vi måle fuldstændige datasæt på alle 11 enheder i en automatiseret måde og i minimal tid. Disse resultater illustrerer værdien af ​​at studere store prøvesæt, snarere end at fokusere snævert på de ydende enheder højeste. Store datasæt hjælpe os til at skelne og afhjælpe individuelle tab mekanismer, der påvirker vores enheder.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Tynde film solceller (PV) fortsætter med at tiltrække interesse og betydelig forskningsaktivitet. Men økonomien i PV markedet flytter sig hurtigt og udvikle en kommerciel succes tyndfilm PV er blevet en mere udfordrende perspektiv. Produktion omkostningsfordele end wafer-baserede teknologier ikke længere kan tages for givet, og skal søges forbedringer i både effektivitet og omkostninger på lige fod. 1,2 I lyset af denne virkelighed, vi har valgt at udvikle SnS som en absorber materiale til tyndfilm PV. SnS har iboende praktiske fordele, der kunne resultere i lave produktionsomkostninger. Hvis der kan påvises høje virkningsgrader, kunne det blive betragtet som en drop-in erstatning for CdTe i kommercielt tyndfilm PV. Her er proceduren for nylig rapporteret rekord SnS solceller fabrikation demonstreret. Vi fokuserer på praktiske aspekter som substrat udvælgelse, depositionsbetingelserne, enhed layout, og måling protokoller.

SnS er sammensat af ikke-toksiske, Jord-rigelige og billige elementer (tin og svovl). SnS er et inaktivt og uopløseligt halvledende solid (mineral navn Herzenbergite) med en indirekte båndgab på 1,1 eV, stærkt lys absorption til fotoner med energi over 1,4 eV (α> 10 4 cm -1) og iboende p -type ledningsevne med carrier koncentration i området 15 Oktober - 17 oktober cm -3 3 -. 7 er vigtigt, SnS fordamper kongruent og er fase-stabil op til 600 ° C 8,9 Det betyder, at SnS kan afsættes ved termisk fordampning (TE) og dens høje. speed fætter, lukket rum sublimering (CSS), som er ansat i fremstillingen af ​​CdTe solceller. Det betyder også, at SnS fase kontrol er langt enklere end for de fleste tynde film PV materialer, herunder navnlig Cu (I, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) og Cu ​​2 ZnSnS 4 (CZTS). Derfor celle efficiency står som den primære barriere for kommercialisering af SnS PV, og SnS kan betragtes som en drop-in erstatning for CdTe engang høje virkningsgrader er påvist ved laboratorieskala. Men denne effektivitet barriere kan ikke overvurderes. Vi vurderer, at rekord effektivitet skal øges med en faktor fire, fra ~ 4% til ~ 15%, for at stimulere kommerciel udvikling. Udvikling SnS som drop-in erstatning for CdTe vil også kræve vækst i kvalitet SnS høje tynde film af CSS, og udvikling af en n-type partner materiale, som SnS kan dyrkes direkte.

Nedenfor beskrives de trin-for-trin procedure til fremstilling rekord SnS solceller ved hjælp af to forskellige deposition teknikker, atomic layer deposition (ALD) og TE. ALD er en langsom vækst metode, men til dato har givet den højeste effektivitet enheder. TE er hurtigere og industrielt skalerbar, men halter ALD i effektivitet. Ud over de forskellige SnS afsætningsmetoder, TEog ALD solceller afvige lidt i annealing, overfladepassivering, og metallisering trin. De anordning fabrikationstrin optælles i figur 1.

Efter at have beskrevet den procedure, der testresultater for de certificerede rekord udstyr og relaterede prøver præsenteres. The record resultater er blevet rapporteret tidligere. Her er fokus på fordelingen af ​​resultaterne for en typisk behandling løb.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Substrat Valg og Skæring

  1. Indkøb poleret Si wafers med en tyk termisk oxid. For enhederne her rapporterede, bruge 500 um tykke skiver med en 300 nm eller tykkere termisk oxid. De substrat udvælgelseskriterier diskuteres i Discussion afsnit.
  2. Spin coat den polerede side af skiven med en typisk positiv fotoresist (SPR 700 eller PMMA A. 495) og blød bage (30 sekunder ved 100 ° C).
    Bemærk: Dette er et beskyttende lag for at forhindre beskadigelse eller forurening under den efterfølgende opskæring trin.
  3. Brug en matrice saven til at skære skiven i 1 "× 1" (25,4 x 25,4 mm 2) kvadratiske substrater.

2. Substrat Rengøring

  1. Fjerne partikler og andre rester, der hidrører fra opskæring trin under anvendelse af en komprimeret nitrogen pistol, efterfulgt af et ultralydsbad i (DI) vand deioniseret i 5 minutter ved 45-60 ° C.
  2. Fjerne fotoresist lag med en ultrasonisk bath i acetone i 5 minutter ved 45-60 ° C.
  3. Rengør eksponerede substrat med 3 efterfølgende ultralyds bade, alle i 5 minutter ved 45-60 ° C: acetone, ethanol og isopropylalkohol. Afslut med at tørre med en komprimeret nitrogen pistol, mens substrater forbliver i kvarts luftfartsselskab.

3. Mo katodeforstøvning

  1. Indlæse rene Si / SiO2 substrater i et højt vakuum sputtering system. Sørg for, at underlaget pladen er uopvarmet og substrat rotation er aktiveret. For de enheder, rapporteret her, proces i et kommercielt system med skrå magnetron kanoner med 2 "mål og et indkast afstand på ca. 4".
  2. Deponere det første lag (klæbelaget) ved relativ høj baggrund tryk såsom 10 mTorr af Ar. For enhederne her rapporterede, proces med en sputtering effekt på 180 W (DC), hvilket giver en vækst på 2,6 Å / sek, og en første Mo lag, der er 360 nm tykt.
  3. Deponere den andenlag (det ledende lag) ved et relativt lavt tryk baggrund såsom 2 mTorr af Ar. Brug den samme sputtering effekt som det første lag (180 W) og deponere den samme tykkelse.
    Bemærk: Enhederne rapporteret her havde en anden Mo lag, der var 360 nm tykt, samme som det første lag.
  4. Efter Mo deposition, gemme substrater under vakuum indtil SnS deposition trin.

4. SnS Deposition

Bemærk: ALD deposition teknik er beskrevet i underafsnit 4.1, og TE deposition er beskrevet i underafsnit 4.2. ALD deposition er vist i figur 2, og TE deposition system er vist i figur 3.

  1. Depositum SnS ved ALD
    1. Før du lægger ind i reaktoren, sætte Mo substrater i en UV ozon renere for 5 min for at fjerne organiske partikler. Derefter placere substrater på substratet holderen og indsætte i deposition zone.
    2. Stabiliser ovnen temperatur ved 200 ° C, før du starter deposition.
    3. Grow SnS tynde film fra reaktionen af bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -IPR) 2) 2, her benævnt Sn (AMD) 2] og hydrogensulfid (H 2S) 4.
      1. Holde Sn (AMD) 2 precursor ved en konstant temperatur på 95 ° C. Anvende ren N2-gas til at bistå levering af Sn (AMD) 2 damp fra beholderen i ovnen til deposition zone. Under hver ALD cyklus, forsyning tre doser af Sn (AMD) 2 forløber for den samlede eksponering på 1,1 Torr sekund.
      2. Anvende en gasblanding af 4% H2S i N 2 som svovlkilden. Sørg for, at eksponering for hydrogensulfid damp er 1,5 Torr sekund per dosis. Sikre, at partialtrykket af H2S og det totale tryk af H2S i N2 er 0,76 Torr og 19 Torr hhv.
    4. Set than pumpning tid mellem Sn precursor dosis og H2S dosis at være kun 1 sek (kort sammenlignet med de fleste andre traditionelle ALD procedurer) for at fremskynde deposition.
      Bemærk: Da Sn precursor ikke fjernes fuldstændigt ved denne korte pumpetid, nogle resterende Sn precursor forbliver når H2S ankommer. Således processen kan beskrives som en pulserende CVD proces. Vækstraten for SnS film er 0,33 Å / cyklus, eller 0,04 Å / sek.
  2. Depositum SnS af TE
    1. Sikre, at processen kammer trykket er 2 x 10 -7 Torr eller lavere. Load substrater ind i kammeret gennem belastningen lås. Hold substraterne til pladen enten med et enkelt klip, eller med en brugerdefineret substratholder med passende størrelse lommer, der er skruet ned til underlagspladen.
    2. Rampe kilden og substrat varmeapparater til deres nominelle værdier. Til enheden rapporteret her substratet temperatur er 240 ° C og vækstraten er 17; / sek; at opnå denne vækstrate indstille kilden temperatur i området 550-610 ° C (de krævede kilde temperatur stiger med tiden for en enkelt belastning af kilde pulver). Målet filmtykkelse er 1.000 nm.
    3. Måle afsætningshastighed hjælp af kvartskrystal monitor (QCM) før og efter SnS film deposition ved at flytte QCM armen ind i proceskammeret. Til denne måling substratet hæves, således at QCM kan bevæges til positionen substrat vækst.
      Bemærk: deposition sats forbliver nogenlunde konstant gennem en deposition tid på 3 timer (± 0,05 Å / sek afvigelse).
    4. Efter aflejring, overføre prøverne tilbage i lasten låsen, før udluftning for luft. Hurtigt transportere prøverne gennem luften på lager enten i vakuum eller i en inaktiv atmosfære handskerum før næste procestrin.
      Bemærk: Den typiske utilsigtet luft eksponeringstid er ca 3 min. Den typiske lagringstid er mellem en dag og aweek.

5. SnS Annealing

Bemærk: Dette trin udføres lidt forskelligt for ALD og TE solceller. Proceduren for ALD solceller udglødning er beskrevet i underafsnit 5.1, og proceduren for TE solceller er beskrevet i underafsnit 5.2. Formålet med annealing diskuteres i Discussion afsnit.

  1. Anneale de ALD-vokset SnS film i H2S gas.
    Bemærk: Dette trin udføres i det samme system bruges til ALD vækst.
    1. Anvende ren H2S-gas (99,5% rent) ved en strømningshastighed på 40 sccm og tryk på 10 Torr.
    2. Varm SnS filmen til en temperatur på 400 ° C og hold i 1 time i H2S gas miljø. Sikre, at gassen strømmer gennem hele processen, herunder temperatur rampe op og ned.
  2. Anneale de TE-dyrkede SnS film i H2S gas. Udfør dette trin i en dedikeret rør ovn.
    1. Load the prøver på et rent kvarts plade og glide ind i den varme zone region af ovnen.
    2. Efter ovnen er forseglet, rense tre gange med ren N2 og tillade at pumpe ned til basen tryk.
    3. Etablere gasstrømmen ved 100 sccm på 4% H2S ved 28 Torr.
    4. Rampe temperaturen til 400 ° C i løbet af 10 minutter. Fastholdelse ved 400 ° C i 1 time, derefter lade prøverne til afkøling uden hjælp i den varme zone. Opretholde konstant H2S gas flow og tryk, indtil prøverne afkøles under 60 ° C. Fjern prøverne og enten fortsætte med det samme til det næste trin, eller placere dem i opbevaring i en inaktiv gas handskerummet.

6. SnS Surface Passivering med en Native Oxide

Bemærk: Dette trin udføres lidt forskelligt for ALD og TE solceller. I underafsnit 6.1 proceduren for ALD solceller overflade passivering er beskrevet, og proceduren for TE solceller er beskrevet i underafsnit6.2. Funktionen af ​​dette trin er yderligere omtalt i Discussion afsnit.

  1. For ALD-dyrket prøver, vokser en tyndt lag af SnO 2 ved ALD.
    Bemærk: Vi bruger en anden reaktor end ved SnS vækst.
    1. Grow SnO 2 ved omsætning af cyklisk amid med tin [(1,3-bis (1,1-dimethylethyl) -4,5-dimethyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-yliden) Sn (II)] og hydrogenperoxid (H 2 O 2). Opbevar cykliske amid tin precursor i en ovn ved 43 ° C, og H 2 O 2 i en bobler ved stuetemperatur.
    2. Oprethold substrat temperatur ved 120 ° C i deposition.
    3. Udsætte tin precursor og H 2 O 2 ved anvendelse af 0,33 og 1,5 Torr sekund pr cyklus, henholdsvis for i alt 5 cyklusser. Kontrollere, at tykkelsen af den resulterende SnO 2 er 0,6 0,7 nm som målt ved røntgen- fotoelektronspektroskopi (XPS) analyse 10.
  2. For TE-dyrkede prøver, danner en thin lag af SnO 2 ved luft eksponering.
    1. Udsætte prøver til laboratoriet omgivende luft i 24 timer. Kontrollere, at tykkelsen af den resulterende SnO 2 er ca. 0,5 nm som målt ved XPS-analyse.
      Bemærk: Den typiske RT er 24 ± 1 ° C, og den typiske luftfugtighed er 45% ± 13% (højere om sommeren); for enhederne her rapporterede, var værdierne 24,6 ˚C og <30%, hhv.

7. Aflejring af Zn (O, S) / ZnO bufferlag

Bemærk: Dette trin udføres i det samme kammer ALD, der bruges til SnS vækst ved ALD.

  1. Grow en Zn (O, S): N lag ved ALD.
    1. Oprethold substratet temperatur ved 120 ° C.
    2. Grow Zn (O, S): N fra ALD fra reaktionen af diethylzink (Zn (C2 H5) 2, DEZ), deioniseret vand (H2O), 4% H2S i N2, og ammoniak (NH 3) 11. Opbevar absorptionskolben containing DEZ ved stuetemperatur. Brug en cyklus sekvens af [DEZ-H2O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H2S] 1, og gentag denne super cyklus 12 gange. Sørg for, at eksponeringen af ​​ammoniak er 11 Torr sekund.
    3. Kontrollere, at S / Zn-forhold i den resulterende film er 0,14, som målt ved Rutherford tilbagespredning spektroskopi 12, og at tykkelsen af filmen er ca. 36 nm.
  2. Vokser en ZnO lag af ALD.
    1. Oprethold substratet temperatur ved 120 ° C.
    2. Grow ZnO med 50 ALD cyklusser af DEZ-H 2 O.
      Bemærk: Tykkelsen af ​​den resulterende ZnO film er ca. 18 nm.

8. Deponering af den ledende gennemsigtige Oxide (TCO), indiumtinoxid (ITO)

  1. Skåret ITO skygge masker fra en 0,024 "(610 um) aluminium 6061 ark ved anvendelse af en laboratorie laserskærer.
    Bemærk: Maskerne definerer 11 rektangulære enheder, der er 0,25 cm 2 istørrelse plus et større pude i et hjørne, der bruges til optiske reflektivitetsmålingerne, se figur 4.
  2. Monter enhederne og masker i en maske aligner.
    Bemærk: Dette er en aluminiumsplade med indlejrede lommer til underlaget og masker og klip til at sikre maskerne på plads.
  3. Deposit ITO ved reaktiv magnetronforstøvning.
    1. Opvarme substratet til ca. 80-90 C og aktivere substrat rotation.
    2. Anvend en 2 inch diameter ITO mål (I 2 O 3 / SnO 2 90/10 vægt-.%, 99,99% ren) ved 65 W RF sputtering magt med 40 / 0,1 sccm Ar / O 2 gasstrømmen ved 4 mTorr totalt tryk.
    3. Vokse en 240 nm tyk ITO film.
      Bemærk: Med disse parametre, vækstrater på 0,5 Å / sek og plader modstand i området fra 40 til 60 Ω / sq opnås.

9. Metallisering

  1. Cut metallisering skygge masker fra en 127 um tyk AustenITIC rustfri stålplade.
    Bemærk: Disse masker er skåret med + 10 / -5 um tolerance af en kommerciel virksomhed. Metal mønster består af 2 fingre adskilt af 1,5 mm, hver 7 mm lang, og et 1 x 1 mm2 kontakt pad, se figur 4.
  2. Monter enhederne og masker i en maske aligner, som i Trin 8.2.
  3. Depositum Ag (til TE enheder) eller Ni / Al (for ALD enheder) ved elektron-beam fordampning.
    1. Mount maske aligner på substratet plade af en elektronstråle metaller fordampning system. Pump ned til en base tryk under 1 x 10 -6 Torr.
    2. Fordampe metal med en hastighed på 2 Å / sek. Indbetal 500 nm samlede metal tykkelse.

10. Enhed Karakterisering

  1. Udfør strøm-spænding ("J - V") målinger på alle enheder i mørke og i AM1.5 simuleret sollys.
    1. Kalibrer sol simulator ved at indsamle J - V data from en kalibreret silicium solcelle og justere solenergi simulator lampe magt og højde, indtil den når den kalibrerede aktuelle værdi for AM1.5 solindstråling.
    2. Kontakt enheder i fire-wire-tilstand ved hjælp af kobber beryllium dobbelt probespidser kontakt til både top (anode, Ag eller Al) og bund (katode, Mo) lag. Kontakte det nederste lag ved at skrabe væk buffer- og SnS lag med en skalpel.
    3. Mål lyse og mørke J - V data ved hjælp af en kilde-meter ved sourcing spænding og måle strøm.
      Bemærk: Enheder måles typisk i intervallet ± 0,5 V. Enhederne er ikke reagerer på retning eller hastighed af spænding sweeps. Til rutinemæssig afprøvning et område-definerende lys blænde ikke anvendes, se Diskussion afsnittet for yderligere detaljer.
  2. Udfør ekstern kvante effektivitet (EQE) målinger på alle enheder, med variabel lys og spænding bias.
    1. Kalibrere EQE ved måling af RespoNSE af en Si kalibrering fotodiode.
      Bemærk: Softwaren sammenligner disse data til målinger udført med et NIST-backed standard for at justere lysniveauet i overensstemmelse hermed.
    2. Kontakt enhederne ved hjælp af fire-wire-metoden, som i trin 10.1.2.
    3. Måle EQE anvendelse af et kommercielt system, som belyser prøven med monokromatisk lys hakket ved 100 Hz over et bølgelængdeområde fra 270 1.100 nm og måler den resulterende strøm. Udfør denne måling i henhold til producentens standardprocedure.
    4. Gentag EQE måling med variabel spænding og hvidt lys bias. Brug en sourcemeter at forsyne forspænding, og en halogenlampe at levere lys bias. Mål enheder i både frem og bak spænding bias, og under variabel hvid lysintensitet op til ~ 1 Suns.
    5. Måle optisk reflektans (% R) af ITO øvre overflade under anvendelse af et spektrofotometer med en integrerende kugle for at omdanne ekstern til internquantum effektivitet (IQE). Udfør denne måling i henhold til producentens standardprocedure.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

I figur vises 6-8 resultat for to repræsentative "baseline" TE-dyrkede prøver som beskrevet ovenfor. Oplyst J - V data for disse to prøver er plottet i figur 6 Den første prøve ("SnS140203F") gav enheden med certificerede effektivitet 3,88%, som blev rapporteret tidligere 9 Repræsentant JV distributioner er også vist for hver prøve... For en given forspænding er disse distributioner beregnet som Ligning 1 hvor <J> er gennemsnittet af den aktuelle densitet målt for alle enheder, σ J er standardafvigelsen af disse målinger, og N er det samlede antal målinger. Med andre ord er den gennemsnitlige og standardfejlen grafisk. Denne repræsentation hjælper med at sammenligne resultaterne fra forskellige prøver, og for visuelt at vurdereeffekten af ​​ændringer i enhedens fabrikation på den resulterende enhedens ydeevne.

De J - V data tyder på, at prøverne lider af problemer med shunt modstand, der varierer mellem enheder på en prøve. Denne konklusion underbygges yderligere af figur 7 og 8. I figur 7 standard solcelleanlæg parametre er plottet - tomgangsspænding (V OC), kortslutning strømtæthed (J SC), fylde faktor (FF), og magt konvertering effektivitet -. For alle de samme enheder, der er vist i figur 6 søjlediagram repræsentation bidrager til visuelt at identificere korrelationer mellem parametre. For disse prøver den mest synlige korrelation mellem effektivitet og FF, som forventet for enheder, der lider af shunt eller serie modstand tab. For den anden indretning er der også en tydelig sammenhæng mellem effektivitet og V OC,som forventet for tab shunt modstand.

Disse korrelationer er lavet eksplicit af de multivariate plots vist i figur 8. Her er V OC, J SC, og FF plottet mod serien (R s) og shunt (R sh) modstande. R r og R sh beregnes ved lineær passer til J - V data nær 0,5 og 0 V hhv. I mange tilfælde ville det være bedre at udvinde R s og R sh som parametre i en diode model, som kan være egnet til J - V data. Men for relativt lav effektivitet solceller er der mange kilder til tab og diode modeller, der lykkes for højere enheder effektivitet er ikke pålidelige. Det foretrækkes derfor at udtrække Rs og R sh af en mere robust teknik. Selvom de resulterende værdier ikke kan være nøjagtige, det trends er stadig lærerigt og kan bruges til at styre udviklingen. Dataene i figur 8 bekræfter, at shunt modstand er en vigtig kilde til tab. Dette kan tydeligst ses i den stigende tendens i FF (R sh). Dataene viser, at på det nuværende stadium af enhedens udvikling, skal shunt modstand holdes større end ca. 200 Ω cm 2, for effektivitetsgevinster fra andre procesforbedringer at blive synlige. R s synes ikke at begrænse enhederne rapporteret her. Værdierne for R s er typisk 0,5 Ω cm 2, og kun sjældent vove over 1 Ω cm2.

Resultater for en repræsentant "baseline" ALD-grown prøve som beskrevet ovenfor, er vist i figur 9. ALD indretninger viser bedre ydeevne end TE-enheder, med den bedste enhed viser 4,6% effektivitet. Udover de forskellige SnS dyrkningsteknikker, two fabrikation procedurer adskiller sig i SNS overflade passivering ved oxidation. Derudover er de TE prøverne udsat for af luften i mellem film vækst og annealing, mens ALD prøver udglødet i kammeret vækst uden en luft pause. De ALD-dyrket prøver tilsyneladende lider mindre af shunt modstand tab end de TE-dyrkede prøver. Årsagen til denne forskel er ikke kendt. Det er muligt, at ALD-dyrket SnS film er mere kompakt, på grund af den selvbegrænsende vækst tilstand og langsom væksthastighed, end TE-dyrkede film.

De certificerede enhed test er gengivet i figur 10. 9,10 Til venstre ses den certificerede rekord enheden ved hjælp af en ALD-vokset SnS lag. Den certificerede effektivitet for denne prøve var 4,36%, og enhederne på op til 4,54% effektiv er blevet målt ved hjælp af samme fabrikation procedure. Til højre ses den certificerede rekord enheden ved hjælp af en TE-dyrket SnS lag. Den certificerede effektivitet for denne prøvevar 3,88%, og enhederne på op til 4,1% er blevet målt med samme procedure. Bemærk, at certificeret testresultatet 3,88% ligger inden for intervallet målt for den samme prøve, hvorved den gennemsnitlige ± standardafvigelse er 3,5% ± 0,4%, som vist i figur 7.

Figur 11 viser resultater, som viser stabiliteten af TE-dyrkede SnS solceller i omgivelsernes betingelser. For udvalgte prøver J - V tests blev udført før og efter opbevaring i op til elleve måneder. Prøverne blev opbevaret i luft og udsættes for omgivende lys uden indkapsling. Alle fire prøver er vist i figur 11 blev forarbejdet lidt anderledes end den fremgangsmåde som rapporteret her; dette er af historiske årsager, og der er ingen grund til at tro, at de enheder, her rapporterede ville have forskellige stabilitet egenskaber. Forskellene forarbejdning er beskrevet i figuren billedtekst, og de udgør den varierende forestillie af anordningerne. Det vigtigste punkt er, at minimal nedbrydning observeres over et år. Det er stadig uvist, hvordan SnS solceller ville overleve mere accelereret levetid test, såsom fugtig varme eller langvarig hele spektret belysning.

Figur 1
Figur 1. Device produktionsprocessen. Optælling af enheden produktionsprocessen, fra substrat skæring (# 1, nederst) til metallisering (# 9, øverst).

Figur 2
Figur 2. Atomic lag deposition (ALD) systemet overblik. (Top) ALD systemet skematisk tegning. (Bund) ALD systemet fotografi, med kritiske komponenter nummererede og mærket. Dette system kan udføre SnS deposition, SnS udglødning, og buffer lag deposition og sidder i Gordpå gruppe på Harvard University. Den består af en hot-væg deposition rør, to ovne, der anvendes til at lagre precursor, gas levere og kontrolsystem, temperatur kontrolsystem og en roterende vinge mekanisk vakuumpumpe. Substrat Indehaveren af kan lægge højst otte 1 "× 1" firkantede substrater. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. Termisk fordampning (TE) systemet overblik. Kritiske komponenter er nummereret og mærket. Dette system er dedikeret til SnS deposition og sidder i Buonassisi gruppen på MIT. Systemet består af et proceskammer og en belastning lås. Proceskammeret typisk holdes under højvakuum betingelser (1 × 10 -8 Torr) og omfatter en lukker substratscene medprøve rotation og radiative opvarmning, og en lukker effusionscellen til kilden fordampning. Kammeret har også et udtrækkeligt kvartskrystal monitor (QCM) placeret direkte under underlagspladen at måle vækst og en pyrometer til måling substrat temperatur. Kommercielt købt SnS pulver anvendes til forstadiet, med en termisk forbehandling tidligere beskrevet. 9 Substratet plade holder én stor enhed substrat (1 × 1: 2) og en mindre substrat (1 × 1/3 i 2), som er anvendes til SnS film målinger. Afstanden fra underlaget til kilden åbningen er 10 cm. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Metallisering mønster og prøve fotografi. & # 160; Tegningen til venstre viser den metallisering mønster for 0,25 cm 2 enheder. For klarhedens skyld TCO fodaftryk er skitseret på kun én enhed. Også vist er placeringen af ​​den større TCO pad, der anvendes til optiske reflektivitetsmålingerne. Fotografiet til højre viser en reel prøve med TE-dyrkede SnS. Den ridset region til venstre giver kontakt til det underliggende Mo laget til testning. Foto:. KJ Wang Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Anordning test med probe-kort. Denne top-down billede viser en prøve monteret på prøvestationen borepatron med flere enheder kontaktede samtidig med brugerdefinerede sonde kortet. Kun halvdelen af ​​prøven er synlig i dette billede.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6
Figur 6. J - V test for enheder på to forskellige "baseline" TE prøver. For tydelighedens skyld er alle 12 enheder på en given prøve plottet i samme farve (grå eller rød). Også plottet er repræsentative J - V konvolutter (gennemsnit ± standardafvigelse) for alle enheder på hver prøve, som beskrevet i teksten. Disse målinger blev udført uden et område-definerende lys blænde. Klik her for at se en større version af dette tal.

. Figur 7. Solar celle test parametre for to baseline TE prøver Testresultaterne plottet på en enkelt linje for hver enhed testet - 11 enheder hver for "SnS140203F" (øverst) og "SnS140306H" (nederst) - at gøre korrelationer mere synlige . Over hver plot forlyder det bedste, gennemsnitlige, standardafvigelse (SD) og standardafvigelse (SE) for hver distribution. Bemærk, at den bedste V oc (for eksempel) er den højeste målte V oc, ikke V oc af den mest effektive enhed. Disse målinger blev udført uden et område-definerende lys blænde. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 8
Figur 8. S riet og shunt modstand multivariate grunde til to baseline TE prøver. De anordninger, er de samme rapporteret i figurerne 6-7. Serien (R s) og shunt (R sh) modstande er beregnet som beskrevet i teksten. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 9
Figur 9. JV tests og test parametre for en baseline ALD prøve. (Top) De JV kurver viser god peak performance, men nogle enheder klart lider af lavt shunt modstand. (Nederst) Forsøgsresultaterne parametre viser en stærk sammenhæng mellem effektivitet og FF, i overensstemmelse med shunt tab modstand. Disse målinger blev udført uden et område-definerende lysåbning..jove.com / filer / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 10
Figur 10. Certificering resultater for ALD- og TE-dyrkede enheder. Certificering udføres af PV Ydelse Karakterisering Team på National Renewable Energy Laboratory, USA. (Venstre) Den ALD certificeret rekord er 4,36%, som rapporteret i Sinsermsuksakul et al. 10 (Højre) TE certificeret rekord er 3,88%, som rapporteret i Steinmann et al. 9 Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 11
Figur 11. Lang tid staheden for SnS solceller J -. V tests af prøver, som blev gentagne målinger over en periode på næsten et år, medens den opbevares i luft og udsættes for omgivende lys uden indkapsling. For hvert panel de sorte kurver viser den første måling, de røde kurver viser den endelige måling, og stiplede kurver viser. De tynde linier viser den bedste enhed for hver test, og de ​​tykke kurver er repræsentative J - V konvolutter (gennemsnit ± standardafvigelse) for alle enheder på hver prøve som beskrevet i teksten. Alle fire paneler viser TE-dyrkede prøver, der blev behandlet som beskrevet i dette manuskript undtagen følgende forskelle: (a) nr H2S annealingstrin. (B) Fortynder absorber lag, 650 nm tyk; ingen H2S annealingstrin; lufteksponering udført ved 200 ° C i 30 minutter. (C) Fortynder absorber lag, 650 nm tyk; ingen H2S annealingstrin; bufferlag wi'te højere svovlindhold og ingen nitrogen doping. (D) antirefleksionsovertræk afsat på toppen af enheden stakken. Tiden mellem målingerne var 50 uger 48 uger 48 uger og 28 uger for paneler a, b, c og d, henholdsvis. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 12
Figur 12. Visualisering af rumlig uensartethed på tværs af to baseline TE prøver. Resultaterne er de samme som rapporteret i figur 6-8. Der er 11 enheder på hver prøve, og hver enhed er farvekodet i henhold til den målte effektivitet; colormap er den samme for begge prøver. Sort-hvid skravering angiver enten, at enheden ikke blev målt, eller ingen enhed var til stede (som et hjørne af hver prøve).

Figur 13
Figur 13. Illustreret eksempel på hypotesetest i overværelse af almindelige årsag varians. Fiktive figurer Angela og Nessi særskilt at teste hypotesen om, at Process B giver højere effektivitet solceller end Process A. Angela har overlegen proces kontrol, men en lidt lavere baseline effektivitet end Nessi. (A, D, G) Ægte sandsynlighedsfordelinger for Angela og Nessi resultater. (B, E, H) Individuelle målinger. (C, F, I) Målte distributioner. Med kun 6 prøver, kan Angela afvise nulhypotesen men Nessi kan ikke. Se tekst for fuld beskrivelse. Klik her for at seen større version af figuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Substrat udvælgelse rengøring

Oxiderede Si wafers anvendes som substrater. Substraterne er den mekaniske støtte til de resulterende solceller, og deres elektriske egenskaber ikke er vigtige. Si wafers foretrækkes til glas, fordi kommercielt købt Si vafler er typisk renere end kommercielt indkøbte glas wafers, og det sparer tid i substrat rengøring. Si substrater også har højere termisk ledningsevne end glas, hvilket fører til mere jævn opvarmning under vækst og annealing. Med kommercielt indkøbte glas wafers blev det konstateret, at det var nødvendigt at rense substrater med detergent, herunder en manuel gnide med behandskede fingre efterfulgt af en varm ultralydsbad, for at fjerne alle synlige spor af forurening, og selv da substratet renlighed ikke kunne garanteres. Det blev eksperimentelt bekræftet, at valget af glas eller Si substrater har ingen indflydelse på enhedens ydeevne. Howevis, denne sammenligning blev udført med udstyr var i 2% - 3% effektiv rækkevidde, og gentagne sammenligninger vil være umagen værd, da baseline effektivitet forbedres.

Typisk 10 eller flere substrater rengøres ad gangen ved hjælp af en specialdesignet kvarts waferbæreren. Dette giver mere reproducerbare resultater end håndtering vafler individuelt med pincet.

Mo sputtering

Det blev besluttet at deponere Mo tilbage kontakt (katoden) in-house i stedet købe Mo-substrater efter skuffende resultater blev opnået med substraterne tilgængelige fra flere forskellige leverandører. Med købte substrater (spruttede Mo på glas) problemer opstod med renlighed, delaminering, eller begge dele. Mo film afsættes ved jævnstrømsmagnetronforstøvning i to lag, et til klæbning på Si / SiO2-substrat og en for høj ledningsevne, ifølge resultaterne er offentliggjort afScofield e t al. 13

Typiske Mo film er 720 nm tyk med en modstand på ca. 1 Ω / sq ark. Modstanden ark er målt på en opofrende underlaget med en fire point sonde systemet efter hver Mo vækst løb. Desuden er vedhæftningen til substratet testes under anvendelse af en skalpel. Godt klæbede film kan modstå ridser i hånden med en skalpel ved moderat tryk uden de-laminering. Dårligt klæbet film vil de-laminat med kun let tryk. Det blev observeret, at en kort substrat plasma rensetrin i forstøvningskammeret før Mo vækst er vigtig at opnå god vedhæftning. Typiske parametre for denne rengøring trin er 20 mTorr Ar, 20 W RF, og 60 sek.

SnS vækst ved termisk fordampning

SNS er fordampet fra kilden pulver ved hjælp af en kommercielt indkøbt lavtemperatur effusion celle med en pyrolytisk bornitrid smeltedigel med volumig 32 cm 3. Når kilden først anbringes det er et fint pulver og mørk grå farve. Typisk 3 4 g pulver er indlæst. Med ny kilde pulver, kilden temperaturen er cirka 540 ° C for at opretholde en vækst på 1 A / sek på et substrat opvarmet til 240 ° C. Med et stigende antal af vækst- kørsler, skal kilden temperaturen øges til opretholde en konstant vækstrate. Når den krævede kilde temperaturen når 610 ° C pulveret udveksles.

Tæt forbundet til kilden temperaturen er spørgsmålet om SnS flager. Når væksten øges til over 10 Å / sek, kan store SnS flager observeres i den voksende film. Det vides ikke, om disse stammer fra den vigtigste kilde, eller fra sekundære kilder såsom effusionscellen svøb eller kilden lukkeren.

Et bemærkelsesværdigt observation er, at når en batch af kilde pulver er opbrugt det efterlader en hvid, porøs resti bunden af ​​diglen. Røntgendiffraktion bekræfter, at dette er SnO 2. Vægten af ​​denne rest er typisk 0,01 g.

SnS vækst ved ALD

En kritisk parameter i denne proces er trykket af nitrogenbærergas der strømmer til Sn (AMD) 2 precursor. Trykket holdes nær 250 Torr, men kan variere en lille smule fra tid til anden. Eftersom volumenforholdet mellem Sn (AMD) 2 precursor bobler og N2-gas fælde er 5: 1, trykket inde i bobler er omkring 50 Torr. Hvis denne værdi bliver for stor, vil fordampningen af ​​Sn precursor betydeligt undertrykt. På den anden side, hvis trykket inde i bobler er for lille, ville der ikke være en tilstrækkelig trykfald mellem bobleflasken og reaktionsblandingen ovn (som har et damptryk på ~ 10 Torr) for at muliggøre en jævn gasstrøm. Begge disse scenarier vil føre til utilstrækkelig Sn forløber i ALD reaktion. En indikation af dette problem er, at filmtykkelsen nær udløbet af reaktionen ovnen er meget tyndere end det nær indløbet. Under hver deposition trykket inde i reaktoren overvåges for at sikre, at systemtryk sidde i det korrekte område.

At sikre en ensartet temperaturfordeling i reaktionszonen, er indløbet og udløbet af den varme væg deposition rør omviklet med opvarmning bånd. Under opvarmning bånd, er et par termoelementer indsat for at måle temperaturen. En ikke-ensartet temperaturfordeling inde i reaktionszonen vil føre til forskellige SnS film morfologier ved forskellige regioner. Ved højere aflejring temperatur, film tendens til at være mere ru og har en lysere farve. Ved lave temperaturer under 200 ° C, film har en højere refleksionsevne, som kan undersøges med det blotte øje.

SnS annealing i en H2S rørovn </ P>

Formålet med annealing trin er at optimere morfologi, krystallinitet og elektriske egenskaber af SNS film. For TE-dyrkede solceller er udglødningstrin udført i en dedikeret rørovn. Dette 2 "diameter kvarts rør ovn er i stand til at strømme blandinger af 4% H2S (balance N 2), 4% H 2 (balance N 2), ren N 2 og ren Ar. Temperaturer kontrolleres af Nichrom varmeelementer eksterne og overvåges under anvendelse af en kvarts-indkapslet termoelement placeret i den varme zone. Gas evakueres ved anvendelse af en oliepumpe fyldt med inert olie. Sæler er lavet ved hjælp H2S resistente elastomerer. Typisk basis tryk er 8 20 mTorr.

Annealing temperatur på 400 ° C er en balance mellem sekundær kornvækst og film re-fordampning. I princippet kan højere annealingtemperatur være gavnligt for enhedens ydeevne og kunne opnås uden væsentlig film tab ved hjælp af højere ovn tryk. Dette er genstand for aktive undersøgelser.

SnS overflade passivering med en indfødt oxid

Formålet med passivering trin er at reducere densiteten af elektroniske fælde stater ved junction mellem absorberen og bufferen lag, og at tjene som en diffusionsbarriere for at forhindre uønsket blanding af indholdet af de absorber og bufferlagene. 14 Det har blevet observeret, at prøver behandlet med denne oxidationstrin har højere V OC værdier end prøver behandlet uden.

På dette tidspunkt, oxidationstrinnet er ikke blevet grundigt undersøgt og er sandsynligvis ikke optimeret. Ved hjælp af X-ray fotoelektronspektroskopi resultater (ikke vist) det skønnes, at de oxid skal være mindre end 1 nm tyk til gode resultater og for at undgå aktuelle blokering.

Deposition af den gennemsigtige conducTing oxid (TCO), indiumtinoxid (ITO)

Forud for dette punkt omhu til at styre den samlede luft eksponering af prøverne på hvert trin. Men efter buffer lag deposition luft eksponering er ikke længere begrænset og prøverne opbevares og transporteres i luften.

Forud for dette tidspunkt har alle depositioner været "tæppe" film, der dækker hele substrat. Fra dette punkt på depositioner er mønstrede for at definere individuelle enheder. For både ITO og metallisering trin nedlæggelserne er defineret ved hjælp af laser-cut metal skygge masker. For ITO aflejring er det meget vigtigt, at området med den deponerede pude skarpt defineres af skyggemasken. Hvis området ikke er skarpt defineret, for eksempel på grund af bøjning af masken i masken aligner, så det aktive område af de resulterende enheder kan være betydeligt større end den nominelle størrelse på 0,25 cm2. Dette kan føre til fejlagtig over-reporting af strømtætheden.

Metallisering

Den metallisering mønster er designet til at gøre det muligt for belysningen stedet af kvantemåling effektivitet værktøj til at falde helt på ITO uden overlapning med metallet. Denne begrænsning medfører 2 fingre adskilt af 1,5 mm, hver 7 mm lang, og en 1 x 1 mm 2 kontaktø, se figur 4. Dette mønster er mindre end optimal fra en enhed ydeevne synspunkt. Et mønster optimeret til enhedens ydeevne ville bruge flere fingre med mindre afstand.

Ag er blevet anvendt til TE-dyrkede celler og Ni / Al er blevet anvendt til ALD-dyrket celler. Denne opdeling er historisk og ikke er funderet i en eksperimentel resultat. Det er muligt, at Ni / Al giver overlegen korrosionsbestandighed under lange opbevaringstid. Faktisk er det blevet observeret, at Ag-kontakter har en tendens til at korrodere under langvarig opbevaring i luft (for example, længere end et år).

Device karakterisering

Færdige enheder er karakteriseret ved brug strøm-spænding ("J - V") målinger indsamlet og ekstern kvante effektivitet (EQE) målinger indsamlet med og uden hvidt lys og spænding bias. To-date solceller er blevet målt ved at kontakte de enkelte enheder én-at-a-time, ved hjælp af sonde mikromanipulatorer i en typisk sonde station konfiguration. De sol simulator og EQE systemer var fysisk afbrudt, så prøven er nødvendig for at være re-kontaktet for hver måling. Som følge heraf ville det tage ca. 4. - 5. hr at måle J - V og EQE på alle 11 enheder.

En integreret high-throughput test station, der kombinerer J - V og EQE ved hjælp af en enkelt prøve chuck og en sondering kort, kontakter alle enheder samtidigt blev for nylig installeret på MIT, se Figure 5. er De elektriske forbindelser styret af en programmerbar multiplexer, og den motoriserede XY chuck fase er computerstyret. På denne måde, J - kan V og EQE målinger udføres sekventielt på alle 11 enheder i under 1 time.

Til rutinemæssig anordning teste et område-definerende lys blænde anvendes ikke. Den aktive enhed området kan derfor være undervurderet, hvilket resulterer i over-estimater af strømtæthed. Men en blænde bruges af certificering laboratorier, hvilket ofte resulterer i lavere effektivitet (cf Tal 7, 9 og 10). Under anvendelse af et areal-definerende lysåbning er altid ønskeligt, men til rutinemæssig afprøvning er det ofte overset på grund af praktiske problemer såsom at minimere fysisk kontakt med toppen af ​​prøven. Systematiske fejl på grund af under-estimere den aktive enhed området kan afbødes ved at anvende større enhed områder. For arbejdet er beskrevet her, er forholdsvis lille (0,25 cm 2) størrelse blev valgt som passende for tidligt teknologiudvikling (på tidligere stadier en endnu mindre enhed på 0,03 cm2 uden metallisering blev brugt). Nu, at enhederne er i området fra 4% effektiv og er repeterbare, er det værd stigende til en størrelse på 1 cm2 eller derover.

Ud over de almindelige karakteriseringsteknikker beskrevet ovenfor, på lejlighed prøver også testet ved hjælp af teknikker, herunder temperaturafhængige J - V, Suns- V OC, kapacitans-spænding profilering, og lock-in termografi. Disse teknikker bruges til at forstå og kvantificere specifikke tab mekanismer såsom grænseflade rekombination og serie modstand tab.

Betydningen af at dele enhedens fabrikation protokoller

I publikationer om uorganisk tyndfilm PV resultaterne af enhedens test er aldrig (med erfaring) ledsaget af sufficient eksperimentelle detaljer til at reproducere eksperimentet. Denne situation fører til unødvendig frustration blandt enkelte forskere, og hæmmer udviklingen af ​​hele området. Denne situation gør det også vanskeligt at sammenligne de procedurer, der er beskrevet heri til dem, der anvendes af andre forskningsgrupper. De i dette håndskrift teknikker blev udviklet ved hjælp af talrige samtaler med forskere i tyndfilm PV (hovedsagelig i USA), og en masse trial-and-error. Forfatterne håber, at dette arbejde hjælper andre undgå unødvendige frustrationer, og sætter en præcedens for detaljer rapportering af eksperimentelle metoder i tyndfilm PV.

Fremtidige anvendelser af den beskrevne protokol

Den her beskrevne protokol bruges til at etablere en "baseline" SnS solcelle. Det vigtigste element i en baseline fabrikation protokollen er gentagelighed; det absolutte effektivitet tallet er mindre vigtig. Jegn forfatternes erfaring, repeterbarhed er nøglen attribut, der vil gøre det muligt løbende forskning for at forbedre effektiviteten, såsom ved at forbedre overflade passivering eller reducere bulk-defekt tæthed. Uden en gentagelig baseline protokol er det yderst vanskeligt at bedømme virkningerne af ændringer i fabrikation protokollen. Dette er fuldt beskrevet i afsnittet nedenfor om hypotesetest.

Igangværende og fremtidige arbejde med SnS solceller vil udnytte baseline protokollen beskrevet her for at optimere de enkelte fabrikationstrin med målet om at øge enhedens effektivitet. Af særlig interesse er den H2S annealing og overfladepassivering trin, da disse direkte indvirkning defekten densitet i hovedparten af absorberen og ved p - n junction.

Data ensembler aktiverer hypotesetest

I et felt, der forguder champion effektivitet, er det fristende at løbetser ensemblet - den> 99% (ikke-mester) enheder - og de nyttige oplysninger, den giver. Dette afsnit motiverer ensemble dataanalyse, og præsenterer letkøbte metoder til at visualisere og udtrække nyttig indsigt fra ensemble data. Det forudsættes, at læseren har et praktisk kendskab til eksperimentelle statistikker (hypotese testning), og er behagelig at beregne en Gauss fordeling, standardafvigelse, standardafvigelse, og 95% konfidensintervaller for et givet datasæt.

Kort sagt, ensemble dataanalyse er studiet af variabilitet, som når reduceret, giver bedre hypotesetest. Variabilitet, i daglig tale "støj", obfuscates det "signal" under hypotese-drevet proces teknik og videnskabelig forskning. Som støj stiger, flere eksperimenter gengives overbevisende. Inkonklusive eksperimenter er spild af tid, ressourcer og optimisme. Ensemble data kan medvirke til at reducere variabilitet på to måder:

Først ensemble data viser proces uensartetheder i tid og rum. Denne type af variabilitet er systematisk (f.eks. Forårsaget af temperatur- eller strømningshastighed-gradienter inden for en given tynd-film deposition kammer), hvilket gav en klar stedligt mønster af ydeevne variation, eksemplificeret ved figur 12. Den rumlige eller tidsmæssige variation indbegrebet af "fingeraftryk" af ulovlige proces trin. In-situ metrologi og kontrolprøver kan hjælpe med at identificere og fejlfinde kilder til systematiske udsving proces.

For det andet, afslører ensemble data "held-of-the-draw" eller "common-sag" varians, dvs. statistisk variation, der påvirker alle ensemble elementer lige. Denne variabilitet er sværere at fejlfinde, fordi det er det samlede resultat af flere koblede behandlingstrin. Common-årsag varians kan bedst minimeres ved strenge proceskontrolog standardprocedurer på hvert trin - ganske vist en udfordrende proposition i en hurtigt skiftende og minimalt bemandet fagligt miljø. Ikke desto mindre følgende øvelse illustrerer, hvorfor reduktion af common-årsag varians er afgørende.

Virkningen af fælles årsager varians eksemplificeret: En venlig, fiktiv videnskabelige konkurrence mellem Dr. Omhyggelig og Dr. Messy: Angela og Nessi er forskere fra to forskellige laboratorier. De er involveret i en venlig videnskabelig konkurrence for at teste hypotesen om, at Process B genererer bedre enheder end en godt accepteret baseline Process A. Begge forskere ansætte en standard hypotese-test procedure, som forudsætter, at common-årsag varians resulterer i gaussiske effektivitet distributioner ( flere repræsentative statistiske fordeling funktioner omfatter log-normale for distributioner uden outliers, og jo mere statistisk robust log-Cauchy-Lorenzian for distributioner med stærke outliers).

Angela er kendt for sine kolleger som "Dr. Omhyggelig. «Hun bestræber sig på at reducere variation proces. Angela deler ikke hendes beakerware med andre, beskæftiger kammer pre-conditioning rutiner før tynd-film deposition, inkorporerer kontrolprøver med hvert fabrikation køre, og foretrækker IC-grade silicium substrater med termiske oxidoverflader i stedet for de mere variable overflader glas. Hun producerer baseline (Process A) enheder med en "ægte" (dvs.., Faktisk) betyde effektivitet på 10% og en sand standardafvigelse sand) på 0,5%. Enhed fabrikation og målinger er tidskrævende, og hun er kun i stand til at fremstille og måle seks enheder (n = 6) per proces.

I et andet laboratorium, Nessi er på hårdt arbejde. Til hendes kolleger er Nessi kendt som "Dr. Rodet. "Hendes fabrikation og metrologi værktøjer er placeret i en delt brug facilitet. Når det er hendes turat bruge dem, hun ikke tager de nødvendige forholdsregler for at sikre lav fælles årsager varians. Men på grund af hendes sjusk, hendes sande standardafvigelse er 1,5% absolut (3 × større end Angelas). Denne højere σ sandt afspejler mindre velkontrollerede eksperimentelle betingelser. Fordi Nessi bruger højere renhed råvare materialer, hendes baseline Process A opnår dog et sandt gennemsnit på 10,6%. Nessi fabrikerer og foranstaltninger N = 6 enheder pr processen.

Lad os antage, at Process B forbedrer "sande" enhed effektiviteten med 10% i forhold (dvs. 10% forbedres til 11%;. 10,6% forbedres til 11,7%). Både Angela og Nessi anvende den centrale grænseværdi sætning til de N = 6 enheder, de hver fabrikere, som vist i figur 13 Bemærk at de "sande" distributioner (figur 13A, D, G) er skjult for forskerne.; de kun iagttage deres eksperimentelle data (figurs 13B, E, H), og den resulterende Gauss passer, standardfejl og konfidensintervaller (figur 1C, F, I).

På den ene side, Angelas strammere proceskontrol (lavere variabilitet, mindre σ sand) giver hende mulighed for at afvise nul-hypotesen, afsluttende med> 95% tillid til, at Process B er overlegen til processen A (figur 13C). På den anden side, Nessi, der har højere σ sandt, ikke kan konkludere, at Process B er bedre end Process A (figur 13F) med N = 6. Selvom Nessi er heldig at få to enheder med effektivitetsgevinster, der er højere end nogen af Angelas (figur 13B, E), Angela vinder kapløbet om at offentliggøre videnskabelige papir, der vil revolutionere den måde hendes felt tænker Process B.

Nessi indser, at hun har brug for at øge hendes konfidensintervaller, som kræver hende til at nedbringe sinstandard målefejl (SE), dvs..,

Ligning 2 . [1]

Nessi kan forfølge en af to tilgange til at matche Angelas 3 × mindre SE: Nessi kan reducere hendes sande variation o) med en faktor på 3, eller øge N med en faktor på 3 2 = 9. Nessi får adgang til en høj- throughput device-måling apparat, øget N med 9 ×. Denne forbedring opvejer hendes 3 × større proces variabilitet, og hun er i stand til at påvise en statistisk signifikant forskel mellem processer A og B, afvise nulhypotesen med> 95% sikkerhed (figur 13i). Hun er tilbage i kapløbet om offentliggørelse.

Højere baseline effektivitetsgevinster øge odds for succes hypotesetest: Fokus på ligningen for SE (ligning 1), kan det seshvordan stigende baseline ydeevne øger odds for succes hypotesetest. Hvis ovennævnte Fremgangsmåde B blev testet på en 5% -efficient baseline enheden i stedet for 10%, ville den absolutte effektivitetsforbedring være kun 0,5% i stedet for 1%. Antages σ o er uændret, det mindste antal prøver, der kræves for at afvise nulhypotesen stiger med 4 ×. Således forbedrer baseline enhedens ydeevne har samme matematiske effekt som reducerer σ, dvs., En 1-til-1 forbedring konfidensintervaller.

Sidste ord: Reduktion standardfejl er afgørende for at minimere risikoen for inkonklusive hypotesetest. Standard error kan reduceres ved at nedsætte fælles årsager varians, åbenbart i σ o, hvilket resulterer i en 1-til-1 reduktion i SE. Forbedring baseline ydeevne har en tilsvarende virkning. Man kan også øge prøvestørrelse N, men dette vil have en svagER indvirkning på SE grund af kvadratroden (stigende N øger også risikoen for systematiske variation).

Betydningen af at anvende eksperimentelle statistikker er bredt accepteret i biologi og fysik (jf stående statistik udvalg på alle høje energi eksperimenter). 15. For at forbedre kvaliteten af data, rapportering i PV, anbefales det, at forskerne opmærksomme på 99% af enheder, de fabrikere, og vedtage hypotesetest med data ensembler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Paul Ciszek og Keith Emery fra National Renewable Energy Laboratory (NREL) for certificerede JV målinger Riley Brandt (MIT) for fotoelektronspektroskopi målinger, og Jeff Cotter (ASU) til inspiration for hypotesetest sektionen. Dette arbejde er støttet af det amerikanske Department of Energy gennem SunShot Initiativ under kontrakt DE-EE0005329 og af Robert Bosch LLC gennem Bosch Energy Research Network under tilskud 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, og K. Hartman anerkender støtten fra, Alexander von Humboldt fundament, en DOE EERE Postdoc Research Award, og Intel PhD Fellowship hhv. Dette arbejde gjort brug af Center for Nanoscale Systems ved Harvard University, som er støttet af National Science Foundation under award 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).
Gør Record-effektivitet SnS Solceller ved Termisk fordampning og Atomic Layer Deposition
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

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