Het maken van Record-efficiëntie SnS Zonnecellen door thermische verdamping en Atomic Layer Deposition
Summary
Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.
Abstract
Tin sulfide (SnS) in aanmerking absorptiemateriaal Aard–rijke, niet-toxisch zonnecellen. SnS biedt een gemakkelijke fase controle en snelle groei door congruent thermische verdamping, en het zichtbaar licht absorbeert sterk. Echter, lang de registreer vermogen omzettingsrendement van SnS zonnecellen bleef onder 2%. Onlangs toonden we nieuwe gecertificeerde staat rendementen van 4,36% met SnS afgezet door atomic layer deposition, en 3,88% met thermische verdamping. Hier de fabricageprocedure deze plaat zonnecellen wordt beschreven, en de statistische verdeling van het fabricageproces gemeld. De standaarddeviatie van efficiëntie gemeten op een enkel substraat normaal meer dan 0,5%. Alle stappen waaronder substraat selectie en schoonmaken, Mo sputteren voor het contact achter (kathode) is SNS depositie, gloeien, oppervlakte passiveren, Zn (O, S) bufferlaag selectie en depositie, transparante geleider (anode) depositie en metallisatie worden beschreven. Op elk substraat fabriceren we 11 individuele inrichtingen, elk met actieve oppervlakte 0,25 cm2. Verder is een systeem voor high throughput metingen van stroom-spanning curven onder gesimuleerd zonlicht en externe kwantumefficiëntie meting met variabele lichte voorspanning beschreven. Met dit systeem kunnen we de volledige datasets over alle 11 apparaten meten op een geautomatiseerde manier en in een mum van tijd. Deze resultaten illustreren de waarde van het bestuderen van grote sample sets, in plaats van zich ternauwernood op de best presterende apparaten. Grote datasets ons helpen om onderscheid te maken en op te lossen individuele verlies mechanismen die onze apparaten.
Introduction
Dunne film fotovoltaïsche (PV) blijven belangstelling en belangrijke onderzoeksactiviteiten te trekken. Echter, de economie van de PV-markt zich snel verschuiven en het ontwikkelen van commercieel succesvolle dunne film PV is uitgegroeid tot een meer uitdagende vooruitzicht. Productie kostenvoordelen over-wafer gebaseerde technologieën kan niet meer vanzelfsprekend, en verbeteringen in zowel de efficiency en de kosten moeten worden gezocht op gelijke voet. 1,2 In het licht van deze realiteit die we hebben gekozen om SnS ontwikkelen als een absorberend materiaal voor dunne film PV. SnS intrinsieke praktische voordelen die kunnen vertalen in lage productiekosten. Indien hoge rendementen kunnen worden aangetoond, kan worden beschouwd als een volledige vervanger is voor CdTe commerciële dunne film PV. Hier wordt de fabricageprocedure voor het recent gerapporteerde plaat SnS zonnecellen gedemonstreerd. We richten ons op praktische aspecten zoals de gekozen ondergrond, depositie voorwaarden, apparaat lay-out, en meting protocollen.
SnS is samengesteld uit niet-giftig, Aarde-overvloedig en goedkoop elementen (tin en zwavel). SnS is een inert en onoplosbaar halfgeleidende solide (minerale naam Herzenbergite) met een indirecte bandgap van 1.1 eV, sterke lichtabsorptie voor fotonen met een energie van meer dan 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), en de intrinsieke p -type geleiding concentratie carrier in het traject 15 oktober – 17 oktober cm -3 3 -. 7 Belangrijk SnS verdampt congruent en fase-stabiel tot 600 ° C 8,9 Dat betekent dat SnS kan worden afgezet door thermische verdamping (TE) en de hoge. speed neef, afgesloten ruimte sublimatie (CSS), zoals bij de bereiding van CdTe zonnecellen. Het betekent ook dat SNS fase controle is veel eenvoudiger dan voor de meeste dunne film PV-materialen, waaronder met name Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) en Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Daarom cell efficiëntie staat als de belangrijkste barrière voor de commercialisering van SnS PV, en SNS kan worden beschouwd als een drop-in vervanger voor CdTe eens hoge rendementen worden gedemonstreerd op de laboratoriumschaal. Maar dit efficiency barrière kan niet worden overschat. Wij schatten de recordrendement moet toenemen met een factor vier, van ~ 4% tot ~ 15%, om de commerciële ontwikkeling te stimuleren. Ontwikkeling SnS als drop-in vervanger voor CdTe vereist tevens groei van hoge kwaliteit SnS dunne films van CSS en het ontwikkelen van een n-type partner materiaal waarop SnS direct worden gekweekt.
Hieronder wordt beschreven de stap-voor-stap procedure voor het vervaardigen plaat SnS zonnecellen met twee verschillende depositietechnieken, atomic layer deposition (ALD) en TE. ALD is een trage groei methode, maar to-date heeft het hoogste rendement apparaten opgeleverd. TE is sneller en industrieel schaalbaar, maar blijft ALD in efficiency. Naast de verschillende SnS depositiemethoden de TEen ALD zonnecellen enigszins verschillen in de annealing, oppervlaktepassivering en metallisatie stappen. De inrichting vervaardigingsstappen zijn in figuur 1 opgesomd.
Na een beschrijving van de procedure, zijn testresultaten voor de gecertificeerde opname-apparaten en aanverwante monsters gepresenteerd. De plaat resultaten zijn eerder gerapporteerd. Hier ligt de focus op de verdeling van de resultaten voor een typische verwerking run.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gekozen ondergrond schoonmaken
Geoxideerde Si wafers worden gebruikt als substraten. De substraten zijn de mechanische ondersteuning van de resulterende zonnecellen, en de elektrische eigenschappen niet belangrijk. Si wafers hebben de voorkeur aan glas, omdat de winkel gekochte Si wafers zijn meestal schoner dan de winkel gekochte glas wafers, en dit bespaart tijd in de ondergrond reinigen. Si substraten ook hogere thermische geleidbaarheid dan glas, wat leidt tot meer gelij…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag Paul Ciszek en Keith Emery bedanken van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) voor gecertificeerde JV metingen, Riley Brandt (MIT) voor de foto-elektron spectroscopie metingen en Jeff Cotter (ASU) naar inspiratie voor het onderdeel hypothese testen. Dit werk wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie door de SunShot Initiative onder contract DE-EE0005329, en door Robert Bosch LLC door de Bosch Energy Research Network onder subsidie 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, en K. Hartman erkennen de steun van de Alexander von Humboldt Foundation, een DOE EERE Postdoctoral Research Award, en Intel PhD Fellowship, respectievelijk. Dit werk gebruik gemaakt van het Center for Nanoscale Systems aan de Harvard University, die wordt ondersteund door de National Science Foundation onder award ECS-0.335.765.
Materials
| 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 | 1300 W Xe-lamp using an AM1.5G filter |
| Spectrophotometer | Perkin Elmer | Lambda 950 UV-Vis-NIR | 150mm 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).
- Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501 (2003).
- Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).
- Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).
- Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496 (2014).
- 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).
- 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).
- Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
- Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).
