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Engineering

Faire Enregistrez-efficacité SnS cellules solaires par évaporation thermique et Atomic Layer Deposition

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Le sulfure d'étain (SnS) est un matériau absorbeur d'candidat pour des cellules solaires Terre-abondantes, non-toxiques. SnS offre un contrôle de phase facile et une croissance rapide par évaporation thermique congruent, et il absorbe fortement la lumière visible. Cependant, pendant longtemps le record de conversion de puissance efficacité des cellules solaires SnS est resté en dessous de 2%. Récemment, nous avons démontré l'efficacité de nouveaux records certifiés de 4,36% à l'aide de SnS déposés par dépôt de couches atomiques, et 3,88% en utilisant l'évaporation thermique. Voici la procédure de fabrication de ces cellules solaires records est décrite, et la distribution statistique du processus de fabrication est rapporté. L'écart-type de l'efficacité mesurée sur un seul substrat est typiquement supérieure à 0,5%. Toutes les étapes y compris la sélection et le nettoyage substrat, Mo pulvérisation cathodique pour le contact arrière (cathode), le dépôt SnS, le recuit, la passivation de surface, Zn (O, S) Sélection de la couche tampon et le dépôt, conducteur transparent (anode) dépôt, et la métallisation sont décrits. Sur chaque substrat nous fabriquons 11 appareils individuels, chacun avec zone active de 0,25 cm 2. En outre, un système pour les mesures à haut débit de courbes courant-tension sous la lumière solaire simulée, et la mesure du rendement quantique externe de partialité de lumière variable est décrite. Avec ce système, nous sommes capables de mesurer des ensembles de données complètes sur l'ensemble des 11 appareils de manière automatisée et en un temps minimal. Ces résultats illustrent la valeur d'étudier de grandes séries d'échantillons, plutôt que de se concentrer étroitement sur les appareils les plus performants. Grands ensembles de données nous aident à distinguer et à remédier à des mécanismes de perte individuelles affectant nos appareils.

Introduction

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Photovoltaïque en couches minces (PV) continuent de susciter l'intérêt et l'activité de recherche significative. Cependant, l'économie de marché de PV se déplacent rapidement et de développer un succès commercial PV en couches minces est devenu une perspective plus difficile. avantages de coût de fabrication plus de technologies à base de gaufrette ne peuvent plus être pris pour acquis, et améliorer à la fois l'efficacité et le coût doivent être recherchées sur un pied d'égalité. 1,2 À la lumière de cette réalité, nous avons choisi de développer SnS comme un matériau absorbant pour PV mince film. SnS présente des avantages pratiques intrinsèques qui pourraient se traduire par un faible coût de fabrication. Si des rendements élevés peuvent être démontrés, il pourrait être considéré comme un remplacement de drop-in pour CdTe commerciale film mince PV. Ici, le procédé de fabrication des cellules solaires fiche SnS récemment rapportés est démontrée. Nous nous concentrons sur les aspects pratiques tels que le choix du substrat, des conditions de dépôt, mise en page de l'appareil, et les protocoles de mesure.

SnS est composé d'éléments non toxiques, Terre-abondants et bon marché (étain et de soufre). SnS est un semi-conducteur solide (nom de minéral Herzenbergite) inerte et insoluble avec une bande interdite indirecte de 1,1 eV, l'absorption de la lumière forte pour les photons avec une énergie supérieure à 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), et intrinsèque conductivité p de type avec une concentration de support dans la gamme 15 octobre-17 octobre cm -3 3 - 7. Surtout, SnS évapore congruente et est en phase stable jusqu'à 600 ° C 8,9 Cela signifie que SnS peut être déposé par évaporation thermique (TE) et sa haute. cousine -speed, la sublimation de l'espace fermé (CSS), comme il est employé dans la fabrication de cellules solaires au CdTe. Cela signifie également que SnS contrôle de phase est beaucoup plus simple que la plupart des matériaux films photovoltaïques minces, y compris notamment Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) et Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Par conséquent, des cellules efficacité se présente comme le principal obstacle à la commercialisation de SnS PV, et SNS pourrait être considéré comme un remplacement de la halte-accueil pour CdTe fois des rendements élevés sont démontrés à l'échelle du laboratoire. Cependant cette barrière de l'efficacité ne peut être surestimée. Nous estimons que l'efficacité d'enregistrement doit augmenter par un facteur de quatre, à partir de ~ 4% à environ 15%, afin de stimuler le développement commercial. Le développement d'une croissance SnS que solution de remplacement pour CdTe exigera également de SnS haute qualité des films minces par CSS, et le développement d'un matériau de type n partenaire sur lequel on peut cultiver SnS directement.

Ci-dessous est décrite la procédure étape par étape pour la fabrication de disques SnS cellules solaires en utilisant deux techniques de dépôt différentes, dépôt de couches atomiques (ALD) et TE. ALD est une méthode de croissance lente, mais à ce jour a donné les dispositifs d'efficacité les plus élevés. TE est plus rapide et industriellement évolutive, mais accuse ALD dans l'efficacité. En plus des différentes méthodes de dépôt SNS, le TEet des cellules solaires ALD diffèrent légèrement dans le recuit, la passivation de surface et les étapes de métallisation. Les étapes de fabrication du dispositif sont énumérés sur la figure 1.

Après avoir décrit la procédure, les résultats des tests pour les dispositifs de disques certifiés et les échantillons connexes sont présentés. Les résultats records ont été rapportés précédemment. Ici, l'accent est sur la diffusion des résultats d'un essai typique de traitement.

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Protocol

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1. Substrat Sélection et coupe

  1. Achat poli tranches de Si avec un oxyde thermique d'épaisseur. Pour les appareils rapportés ici, utiliser 500 um d'épaisseur des plaquettes avec une nm 300 ou oxyde thermique plus épaisse. Les critères de sélection de substrat sont discutés dans la section Discussion.
  2. manteau de Spin le côté poli de la plaquette avec une résine positive typique (SPR 700 ou PMMA A. 495) et cuisson douce (30 sec à 100 ° C).
    Note: Ceci est une couche de protection pour éviter d'endommager ou de contamination lors de l'étape de coupe ultérieure.
  3. Utilisez une scie de la filière pour couper la tranche en 1 "x 1" (25,4 x 25,4 mm 2) substrats carrés.

2. Substrat nettoyage

  1. Éliminer les particules et autres résidus qui résultent de l'étape de découpage à l'aide d'un pistolet à azote comprimé, suivi par un bain à ultrasons en (DI) de l'eau désionisée pendant 5 minutes à 45 - 60 ° C.
  2. Retirer la couche de résine photosensible avec un ba ultrasonse dans de l'acétone pendant 5 min à 45 - 60 ° C.
  3. Nettoyer le substrat exposé avec 3 salles de bains ultrasonores ultérieures, tous les pendant 5 min à 45 - 60 ° C: l'acétone, l'éthanol et l'alcool isopropylique. Terminer par séchage avec un pistolet à azote comprimé, tandis que les substrats restent dans le support de quartz.

3. Mo de pulvérisation

  1. Chargez les propres Si / SiO 2 substrats dans un système de pulvérisation sous vide poussé. Assurez-vous que la plaque de substrat est chauffé et la rotation du substrat est activé. Pour les appareils présentés ici, le processus dans un système commercial avec des pistolets à magnétron inclinés avec 2 "cibles et une distance de jet d'environ 4".
  2. Déposer la première couche (la couche d'adhérence) à relativement haute pression de fond tels que 10 mTorr de Ar. Pour les appareils présentés ici, le processus avec une puissance de pulvérisation de 180 W (DC), ce qui donne un taux de 2,6 Å / sec croissance, et une première couche de Mo qui est épaisse de 360 ​​nm.
  3. Déposez la secondecouche (la couche conductrice) à une pression relativement basse de fond tels que 2 mTorr de Ar. Utilisez la même puissance de pulvérisation que la première couche (180 W) et déposer la même épaisseur.
    Remarque: Les dispositifs présentés ici avaient une seconde couche qui a été lu à 360 nm d'épaisseur, identique à la première couche.
  4. Après Mo dépôt, stocker les substrats sous vide jusqu'à ce que l'étape de dépôt SnS.

4. SnS dépôt

Remarque: La technique de dépôt ALD est décrit dans la sous-section 4.1, et le dépôt TE est décrite dans la sous-section 4.2. Le système de dépôt ALD est représenté sur la figure 2, et un système de dépôt TE est représenté sur la Figure 3.

  1. SnS de dépôt par ALD
    1. Avant de charger dans le réacteur, mis substrats Mo dans un nettoyeur d'ozone UV pendant 5 min pour éliminer les particules organiques. Ensuite, placer les substrats sur le support de substrat et l'insérer dans la zone de dépôt.
    2. Stabiliser la tempe du fourrature à 200 ° C avant de commencer dépôt.
    3. SnS croître des films minces à partir de la réaction de bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N -iPr) 2) 2, désigné ici en tant que Sn (DMLA) 2] et de l'hydrogène sulfuré (H 2 S) 4.
      1. Gardez le Sn (amd) 2 précurseur à une température constante de 95 ° C. Utilisation de N 2 gazeux pur à aider la distribution de Sn (DMLA) 2 en phase vapeur à partir du récipient dans le four à la zone de dépôt. Au cours de chaque cycle de ALD, approvisionnement trois doses de Sn (amd) 2 précurseur pour l'exposition totale de 1,1 Torr seconde.
      2. Utilisation d'un mélange gazeux de 4% de H 2 S en N 2 en tant que source de soufre. Veiller à ce que l'exposition à la vapeur de sulfure d'hydrogène est de 1,5 Torr seconde par dose. Assurez-vous que la pression partielle de H 2 S et la pression totale de l'H 2 S en N 2 sont 0,76 Torr et 19 Torr, respectivement.
    4. Set til temps de pompage entre la dose de précurseur Sn et dose H 2 S soit seulement 1 sec (courte par rapport à la plupart des autres procédures d'ALD conventionnels) afin d'accélérer le dépôt.
      Remarque: Parce que le précurseur Sn est pas complètement éliminé par ce temps de pompage à court, certains précurseur Sn résiduelle reste lorsque le H 2 S arrive. Ainsi, le processus pourrait être décrit comme un procédé CVD pulsé. Le taux d'un film SnS de croissance est de 0,33 Å / cycle, ou 0,04 Å / sec.
  2. SnS de dépôt par TE
    1. Assurez-vous que la pression de la chambre de traitement est de 2 x 10 -7 torr ou moins. substrats de charge dans la chambre à travers la serrure de charge. Tenez les substrats à la plaque soit avec un seul clip, ou avec un support de substrat personnalisé avec des poches de taille appropriée qui est vissée à la plaque de substrat.
    2. Rampe de la source et des radiateurs de substrat à leurs consignes. Pour le dispositif rapporté ici la température du substrat est de 240 ° C et le taux de croissance est une7; / sec; pour atteindre ce taux de croissance régler la température de la source dans la gamme de 550 à 610 ° C (la source requise température augmente avec le temps pour un seul chargement de poudre source). L'épaisseur de film cible est 1000 nm.
    3. Mesurer le taux de dépôt en utilisant le moniteur de cristal de quartz (QCM) avant et après le dépôt d'un film SnS en déplaçant le bras QCM dans la chambre de processus. Pour cette mesure, le substrat est augmentée de sorte que le QCM peut être déplacé dans la position de croissance du substrat.
      Note: Le taux de dépôt reste assez constant tout au long d'un temps de dépôt de 3 h (± 0,05 Å / écart de sec).
    4. Après le dépôt, transférer les échantillons de nouveau dans la serrure de la charge avant de la ventilation à l'air. Transporter rapidement les échantillons à travers l'air dans le stockage soit dans le vide ou dans une atmosphère inerte boîte à gants avant la prochaine étape de traitement.
      Remarque: Le temps d'exposition involontaire de l'air typique est d'environ 3 min. La durée de conservation typique est comprise entre un jour et aweek.

5. SnS recuit

Remarque: Cette étape est effectuée de façon légèrement différente pour les cellules solaires ALD et TE. La procédure de recuit pour les cellules solaires ALD est décrit dans la sous-section 5.1, et la procédure pour les cellules solaires TE est décrite dans la sous-section 5.2. Le but de recuit est discuté dans la section Discussion.

  1. Recuire les films SnS ALD cultivés en gaz H 2 S.
    Remarque: Cette étape est réalisée dans le même système utilisé pour la croissance des ALD.
    1. Utiliser pur H 2 S gazeux (99,5%) à un débit de 40 sccm et la pression de 10 Torr écoulement.
    2. Chauffer le film SnS à une température de 400 ° C et maintenir pendant 1 heure dans l'environnement H 2 S du gaz. Assurez-vous que le gaz circule à travers l'ensemble du processus, y compris la température montée en puissance et en bas.
  2. Recuire les films SnS TE-cultivés dans le gaz de H 2. Effectuez cette étape dans un four à tube dédié.
    1. e de chargee échantillons sur une plaque de quartz propre et glisser dans la région de la zone chaude du four.
    2. Après que le four est fermé, purge trois fois avec du N2 pur et permettre à la pompe jusqu'à la pression de base.
    3. Établir un flux de gaz à 100 sccm de 4% H 2 S à 28 Torr.
    4. Rampe de la température à 400 ° C pendant 10 min. Tenir à 400 ° C pendant 1 h, puis laisser les échantillons refroidir sans aide dans la chaude-zone. Maintenir H 2 flux de gaz de S constante et pression jusqu'à ce que les échantillons au frais en dessous de 60 ° C. Retirer les échantillons et soit procéder immédiatement à l'étape suivante, ou de les placer dans le stockage dans une boîte à gants de gaz inerte.

6. SnS passivation de surface avec un oxyde natif

Remarque: Cette étape est effectuée de façon légèrement différente pour les cellules solaires ALD et TE. Dans la sous-section 6.1 de la procédure de passivation de surface pour les cellules solaires ALD est décrite, et la procédure pour les cellules solaires TE est décrite dans la sous-section6.2. La fonction de cette étape est en outre discuté dans la section Discussion.

  1. Pour les échantillons de ALD cultivés, développer une mince couche de SnO 2 par ALD.
    Note: On utilise un réacteur différent de celui utilisé pour la croissance SnS.
    1. Cultiver SnO 2 par la réaction d'un amide cyclique de l'étain [(1,3-bis (1,1-diméthyléthyl) -4,5-diméthyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ylidène) Sn (II)] et du peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2). Stocker le précurseur d'étain amide cyclique dans une étuve à 43 ° C, et le H 2 O 2 dans un barboteur à température ambiante.
    2. Maintenir la température du substrat à 120 ° C pendant le dépôt.
    3. Exposer le précurseur de l'étain et du H 2 O 2 en utilisant 0,33 et 1,5 Torr secondes par cycle, respectivement, pour un total de 5 cycles. Vérifier que l'épaisseur de la résultante de SnO 2 est de 0,6 à 0,7 nm, tel que mesuré par spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) analyse 10.
  2. Pour les échantillons TE-cultivés, former un thin couche de SnO 2 par exposition à l'air.
    1. Exposer les échantillons au labo de l'air ambiant pendant 24 heures. Vérifier que l'épaisseur de la résultante de SnO 2 est d'environ 0,5 nm, comme mesuré par analyse XPS.
      Remarque: La RT est typique 24 ± 1 ° C, et l'humidité typique est de 45% ± 13% (supérieur à l'été); pour les appareils présentés ici, les valeurs étaient de 24,6 ° C et <30%, respectivement.

7. Le dépôt de Zn (O, S) / ZnO tampon Couche

Remarque: Cette étape est réalisée dans la même chambre ALD qui est utilisé pour la croissance SnS par ALD.

  1. Cultivez une Zn (O, S): N couche par ALD.
    1. Maintenir la température du substrat à 120 ° C.
    2. Cultiver Zn (O, S): N par ALD de la réaction de diéthylzinc (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), de l'eau désionisée (H 2 O), 4% de H 2 S en N 2, et de l'ammoniac (NH 3) 11. Stocker les Contai barboteurNing DEZ à TA. Utilisez une séquence de cycle [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, et répéter ce cycle de super 12 fois. Veiller à ce que l'exposition de l'ammoniac est 11 Torr seconde.
    3. Assurez-vous que le rapport S / Zn dans le film résultant est de 0,14, tel que mesuré par spectroscopie de rétrodiffusion Rutherford 12, et que l'épaisseur du film est d'environ 36 nm.
  2. Croître une couche de ZnO par ALD.
    1. Maintenir la température du substrat à 120 ° C.
    2. Cultivez ZnO avec 50 cycles ALD de DEZ-H 2 O.
      Note: L'épaisseur du film de ZnO résultant est d'environ 18 nm.

8. dépôt de l'oxyde conducteur transparent (TCO), Indium Tin Oxide (ITO)

  1. Couper ITO masques d'ombre d'un 0,024 "feuille (610 um) en aluminium 6061 avec un cutter laser de laboratoire.
    Remarque: Les masques définissent 11 appareils rectangulaires qui sont 0,25 cm 2de taille plus un plus grand pad dans un coin qui est utilisé pour les mesures de réflectivité optique, voir figure 4.
  2. Montez les dispositifs et les masques dans un dispositif d'alignement de masque.
    Note: Ceci est une plaque d'aluminium avec des poches imbriqués pour le substrat et des masques et des clips pour fixer les masques en place.
  3. Dépôt ITO par pulvérisation magnétron réactive.
    1. Chauffer le substrat à environ 80 - 90 ° C et à permettre la rotation du substrat.
    2. Utilisez une cible diamètre de ITO 2 pouces (In 2 O 3 / SnO 2 90/10 en poids.%, Pur à 99,99%) à 65 W de puissance RF pulvérisation avec 40 / 0,1 sccm Ar / O 2 flux de gaz à 4 mTorr pression totale.
    3. Développer un film d'ITO d'épaisseur de 240 nm.
      Remarque: Avec ces paramètres, les taux de croissance de 0,5 A / sec et de feuille résistances dans la gamme 40 - 60 Ω / sq sont atteints.

9. La métallisation

  1. Masques Cut métallisation fictifs de 127 um Austen un épaisfeuille d'acier inoxydable itic.
    Remarque: Ces masques sont coupés avec + 10 / -5 tolérance um par une société commerciale. Le motif métallique se compose de 2 doigts séparés par 1,5 mm, chaque 7 mm de long, et un plot de contact 1 x 1 mm 2, voir figure 4.
  2. Montez les dispositifs et les masques dans un dispositif d'alignement de masque, comme dans l'étape 8.2.
  3. Ag-fort (pour les appareils TE) ou Ni / Al (pour les dispositifs ALD) par évaporation par faisceau d'électrons.
    1. Montage masque d'alignement sur la plaque de substrat d'un système d'évaporation des métaux par faisceau d'électrons. Pompe jusqu'à une pression de base inférieure à 1 x 10 -6 Torr.
    2. Évaporer métal à un taux de 2 Å / sec. Dépôt de 500 épaisseur totale de métal nm.

Caractérisation 10. Device

  1. Effectuer courant-tension ("J - V") des mesures sur tous les appareils de la lumière solaire sombre et dans AM1.5 simulé.
    1. Calibrer le simulateur solaire en recueillant J - V données from une cellule solaire au silicium calibrés et en ajustant la puissance de la lampe du simulateur solaire et de la hauteur jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur du courant calibré pour AM1.5 insolation.
    2. Contactez les appareils en mode à quatre fils en utilisant béryllium de cuivre doubles pointes de sonde à contacter à la fois le haut (anode, Ag ou Al) et en bas (cathode, Mo) couches. Contactez la couche inférieure par grattant les couches tampons et SNS avec une lame de scalpel.
    3. la lumière de mesure et J sombres - les données V utilisant une source mètres par la tension de l'approvisionnement et de mesure de courant.
      Remarque: Les périphériques sont généralement mesurés dans la plage de ± 0,5 V. Les appareils ne sont pas sensibles à la direction ou le taux des balayages de tension. Pour les tests de routine une ouverture lumineuse zone définissant est pas utilisé, voir la section de discussion pour plus de détails.
  2. Effectuer rendement quantique externe (EEQ) des mesures sur tous les appareils, avec la lumière variable et tension de polarisation.
    1. Calibrer le système de EEQ en mesurant la response d'un étalonnage photodiode Si.
      Remarque: Le logiciel compare ces données à des mesures effectuées à une norme NIST soutenu pour ajuster le niveau de luminosité en conséquence.
    2. Contactez les appareils utilisant la méthode à quatre fils, comme dans l'étape 10.1.2.
    3. Mesurer EQE aide d'un système commercial qui éclaire l'échantillon avec une lumière monochromatique haché à 100 Hz sur une plage de longueur d'onde de 270 nm et 1 100 mesure le courant qui en résulte. Effectuer cette mesure conformément à la procédure d'exploitation standard du fabricant.
    4. Répéter la mesure de EEQ à tension variable et le biais de la lumière blanche. Utiliser un SourceMeter à fournir la polarisation de tension, et une lampe à halogène à fournir la polarisation de la lumière. Mesurer dispositifs à la fois avant et arrière tension de polarisation, et sous une intensité variable de la lumière blanche jusqu'à ~ 1 Suns.
    5. Mesurer réflectance optique (% R) de la surface supérieure ITO aide d'un spectrophotomètre avec une sphère d'intégration afin de convertir extérieur vers l'intérieurrendement quantique (IQE). Effectuer cette mesure conformément à la procédure d'exploitation standard du fabricant.

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Representative Results

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Dans les figures 6-8 résultats sont présentés pour deux "de base" des échantillons représentatifs TE-cultivées comme décrit ci-dessus. J Illumination - données de V pour ces deux échantillons est représentée sur la figure 6 Le premier échantillon ("SnS140203F") a donné le dispositif avec une efficacité certifiée de 3,88% qui a été précédemment rapporté 9 distributions Représentant JV sont également indiqués pour chaque échantillon... Pour une tension de polarisation donnée, ces distributions sont calculées à Equation 1<J> est la moyenne de la densité de courant mesurée pour tous les appareils, J σ est l'écart type de ces mesures, et N est le nombre total de mesures. En d'autres termes, la moyenne et l'écart type sont représentés graphiquement. Cette représentation permet de comparer les résultats des différents échantillons, et pour évaluer visuellement laimpact des changements dans la fabrication de dispositifs sur les performances du dispositif résultant.

Les J - V données suggèrent que les échantillons souffrent de problèmes de résistance de shunt qui varie entre des dispositifs sur un échantillon. Cette conclusion est renforcée par les figures 7 et 8. Dans la figure 7, les paramètres de cellules solaires standard sont tracées - la tension en circuit ouvert (V OC), court-circuit densité de courant (J SC), le facteur de remplissage (FF), et l'efficacité de conversion de puissance -. Pour tous les mêmes dispositifs représentés à la figure 6 Le la représentation graphique à barres permet d'identifier visuellement les corrélations entre paramètres. Pour ces échantillons, la corrélation la plus apparente est entre l'efficacité et la FF, comme prévu pour les périphériques qui souffrent de dérivation ou de résistance de la série des pertes. Pour le second dispositif, il est également une corrélation apparente entre l'efficacité et V OC,comme prévu pour les pertes de résistance de shunt.

Ces corrélations sont explicitées par les parcelles multivariés présentés dans la figure 8. Ici, V OC, J SC, et FF sont tracées en fonction de la série (R s) et shunt (R sh) résistances. R s et R sh sont calculées en utilisant linéaire adapte à la J - V données près de 0,5 et 0 V, respectivement. Dans de nombreux cas, il serait préférable d'extraire s et R R sh comme paramètres dans un modèle de diodes qui peuvent être aptes à la J - Données-V. Toutefois, pour les cellules solaires relativement faible d'efficacité, il existe de nombreuses sources de perte, et les modèles de diodes qui réussissent pour les dispositifs d'efficacité plus élevés ne sont pas fiables. Par conséquent, il est préférable d'extraire R s et R sh par une technique plus robuste. Bien que les valeurs résultantes peuvent ne pas être exacts, le trends sont toujours instructive et peut être utilisé pour guider le développement. Les données de la figure 8 confirment que la résistance shunt est une source majeure de perte. Cela peut être vu le plus clairement dans la tendance à la hausse dans FF (R sh). Les données montrent que, au stade actuel du développement de l'appareil, la résistance de shunt doit être maintenue supérieure à environ 200 Ω cm 2 afin de gains d'efficacité provenant d'autres améliorations de processus pour devenir apparente. R s ne semble pas limiter les appareils présentés ici. Les valeurs de R s sont généralement 0,5 Ω cm 2, et se hasardent rarement supérieures à 1 Ω cm 2.

Résultats pour un représentant «de base» de l'échantillon ALD-adulte tel que décrit ci-dessus sont présentés dans la figure 9. Les dispositifs ALD montrent de meilleures performances que les dispositifs TE, avec le meilleur dispositif montrant 4,6% d'efficacité. Outre les différentes techniques de croissance SnS, la two fabrication procédures diffèrent dans la surface SnS passivation par oxydation. En outre, les échantillons TE sont exposés à l'air de laboratoire entre la croissance du film et de recuit, tandis que les échantillons d'ALD sont recuites dans la chambre de croissance sans une rupture de l'air. Les échantillons ALD cultivés semblent moins souffrir de pertes de résistance shunt que les échantillons TE-cultivés. La raison de cette différence est pas connue. Il est possible que le SNS films ALD cultivés sont plus compacts, en raison du mode de croissance auto-limitation et le taux de croissance lente, que les films TE-cultivés.

Les tests de périphériques certifiés sont reproduits dans la figure 10. 9,10 Sur la gauche est représenté le dispositif de dossier certifié utilisant une couche SnS ALD cultivés. L'efficacité certifié pour cet échantillon était de 4,36%, et les dispositifs jusqu'à 4,54% d'efficacité a été mesurée en utilisant le même procédé de fabrication. Sur la droite est représenté le dispositif de dossier certifié utilisant une couche SnS TE-développée. L'efficacité certifié pour cet échantillonétait de 3,88%, et les périphériques jusqu'à 4,1% ont été mesurées avec la même procédure. A noter que le résultat du test certifié 3,88% est tout à fait dans la plage de mesure pour le même échantillon, pour laquelle la moyenne ± écart-type est de 3,5% ± 0,4%, comme le montre la figure 7.

La figure 11 montre des résultats qui démontrent la stabilité des cellules solaires SnS TE-cultivées dans des conditions ambiantes. Pour sélectionner les échantillons J - tests de V ont été réalisées avant et après le stockage de jusqu'à onze mois. Les échantillons ont été conservés dans l'air et exposées à la lumière ambiante sans encapsulation. Les quatre échantillons représentés sur la figure 11 ont été traitées de manière légèrement différente de la procédure rapportée ici; ceci est pour des raisons historiques, et il n'y a aucune raison de penser que les dispositifs présentés ici auraient des caractéristiques de stabilité. Les différences de traitement sont décrits dans la légende de la figure, et ils représentent la performanc variablee des dispositifs. Le point principal est que la dégradation minimale est observée sur un an. Il reste à voir comment SnS cellules solaires pourraient survivre tests de durée de vie plus accéléré, comme la chaleur humide ou un éclairage à spectre complet prolongée.

Figure 1
Figure 1. Processus de dispositif de fabrication. Enumeration du processus de fabrication de l'appareil, de la découpe de substrat (n ° 1, en ​​bas) à la métallisation (n ° 9, en haut).

Figure 2
Figure 2. atomique dépôt de couche (ALD) aperçu du système. (Top) système d'ALD dessin schématique. (Bottom) photographie du système ALD, avec des composants critiques numérotés et étiquetés. Ce système peut réaliser le dépôt SnS, SnS recuit, et le tampon dépôt de couche et se trouve dans le Gordsur le groupe à l'Université Harvard. Il se compose d'un tube de dépôt à paroi chaude, deux fours utilisés pour stocker précurseur, de gaz et délivrent système de commande, le système de commande de température et une pompe à vide mécanique à palettes. Le support de substrat peut mettre au plus huit 1 "x 1" substrats carrés. S'il vous plaît, cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. évaporation thermique (TE) aperçu du système. Composants critiques sont numérotés et étiquetés. Ce système est dédié à un dépôt SnS et se trouve dans le groupe Buonassisi au MIT. Le système se compose d'une chambre de traitement et un sas de chargement. La chambre de traitement est typiquement maintenu dans des conditions de vide poussé (1 x 10 -8 Torr) et comprend un étage de substrat à obturateur avecrotation échantillon et chauffage par rayonnement, et une cellule d'effusion de volets pour la source évaporation. La chambre comporte également un écran rétractable à cristal de quartz (QCM) situé directement au-dessous de la plaque de substrat pour mesurer le taux de croissance, et un pyromètre pour mesurer la température du substrat. SnS poudre acheté dans le commerce est utilisé pour le précurseur, avec un pré-traitement thermique décrit précédemment. La plaque 9 de substrat possède une grande substrat de dispositif (1 × 1 dans 2) et une plus petite substrat (1 × 3.1 à 2), qui est utilisé pour SnS mesures de film. La distance entre le substrat à l'orifice de la source est de 10 cm. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. motif de métallisation et la photographie de l'échantillon. & # 160; Le dessin à gauche montre le motif de métallisation pour 0,25 cm 2 appareils. Pour plus de clarté l'empreinte TCO est présenté sur un seul appareil. On montre également l'emplacement de la plus grande plot de TCO qui est utilisé pour les mesures de réflectivité optique. La photo de droite montre un échantillon réel avec SnS TE-cultivés. La région rayé à gauche permet un contact à la couche sous-jacente Mo pour les tests. Photo:. KJ Wang S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. tests de périphériques avec la carte de la sonde. Cette image de haut en bas montre un échantillon monté sur le mandrin de la station de test avec plusieurs périphériques simultanément en contact avec la carte de sonde personnalisé. Seulement la moitié de l'échantillon est visible dans cette image.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. J - tests de V pour les appareils sur deux échantillons différents «de base» TE. Pour plus de clarté, l'ensemble des 12 appareils sur un échantillon donné sont tracées dans la même couleur (gris ou rouge). Aussi tracé sont représentatifs J - enveloppes V (moyenne ± écart-type) pour tous les dispositifs sur chaque échantillon, comme décrit dans le texte. Ces mesures ont été effectuées sans une ouverture lumineuse zone définissant. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

. Figure 7. paramètres solaires de test des cellules pour deux référence échantillons TE Les résultats des tests sont tracées sur une seule ligne pour chaque dispositif testé - 11 appareils chacun pour "SnS140203F" (en haut) et "SnS140306H" (en bas) - de faire des corrélations plus apparente . Au-dessus de chaque parcelle est rapporté la meilleure moyenne, écart-type, (SD), et l'erreur standard (SE) pour chaque distribution. Notez que le meilleur oc V (par exemple) est le plus élevé mesuré V oc, oc pas le V du dispositif le plus efficace. Ces mesures ont été effectuées sans une ouverture lumineuse zone définissant. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 8
Figure 8. S eries et de résistance de shunt parcelles multivariés pour deux échantillons de référence TE. Les dispositifs représentés sont de la même rapporté dans les figures 6-7. La série (R s) et shunt (R sh) résistances sont calculées comme décrit dans le texte. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 9
Figure 9. tests de JV et paramètres d'essai pour un échantillon de référence ALD. (Haut) Les courbes JV montrent une bonne performance de pointe, mais certains périphériques souffrent clairement de la résistance de shunt faible. (En bas) Les paramètres d'essai montrent une forte corrélation entre l'efficacité et le FF, conformément aux pertes de la résistance shunt. Ces mesures ont été effectuées sans une ouverture lumineuse zone définissant..jove.com / files / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 10
Figure 10. Résultats de certification pour les appareils ALD- et TE-cultivés. Certification effectuée par l'Caractérisation Performance Team PV au National Renewable Energy Laboratory, USA. (Gauche) Le dossier certifié ALD est de 4,36%, comme indiqué dans Sinsermsuksakul et al. 10 (Droit) Le dossier certifié TE est de 3,88%, comme indiqué dans Steinmann et al. 9 S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 11
Figure 11. sta de longue datebilité de cellules solaires SnS J -. tests de V d'échantillons qui ont été mesurés à plusieurs reprises sur une période de près d'un an, tout en étant stockée dans l'air et d'être exposé à la lumière ambiante sans encapsulation. Pour chaque panneau les courbes noires montrent la mesure initiale, les courbes rouges montrent la mesure finale, et anéantis courbes montrent. Les lignes fines montrent le meilleur dispositif pour chaque test, et les courbes épaisses sont représentatifs J - enveloppes V (moyenne ± écart-type) pour tous les dispositifs sur chaque échantillon comme décrit dans le texte. Tous les quatre panneaux montrent des échantillons TE-cultivés qui ont été traitées comme décrit dans ce manuscrit, sauf pour les différences suivantes: (a) Pas de H 2 S étape de recuit. (B) Diluant couche absorbante, 650 nm d'épaisseur; aucune étape de recuit H 2 S; exposition à l'air effectué à 200 ° C pendant 30 min. (C) Diluant couche absorbante, 650 nm d'épaisseur; aucune étape de recuit H 2 S; couche tampon wrâce à teneur en soufre plus élevée et pas de dopage d'azote. Revêtement (d) de Antireflection déposée sur le dessus de la pile de l'appareil. Le temps entre les mesures était de 50 semaines, 48 semaines, 48 semaines et 28 semaines pour les panneaux a, b, c et d, respectivement. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 12
Figure 12. Visualisation de la non-uniformité spatiale dans deux échantillons de référence TE. Les résultats sont les mêmes que celles présentées dans la Figure 6-8. Il ya 11 appareils sur chaque échantillon, et chaque dispositif est un code couleur en fonction de l'efficacité mesurée; la palette de couleurs est la même pour les deux échantillons. Éclosion noir et blanc indique soit que l'appareil n'a pas été mesurée, ou aucun périphérique était présent (comme un coin de chaque échantillon).

Figure 13
Figure 13. exemple de test d'hypothèse a illustré sur la présence de la cause variance commune. Personnages fictifs Angela et Nessi testent séparément l'hypothèse que Process B donné efficacité des cellules solaires plus élevé que le procédé A. Angela a le contrôle de processus supérieur mais une efficacité de base légèrement inférieur Nessi. (A, D, G) des distributions de probabilités vrai pour les résultats Angela et Nessi'S. (B, E, H) Mesures individuelles. (C, F, I) des distributions mesurées. Avec seulement 6 échantillons, Angela peut rejeter l'hypothèse nulle, mais Nessi ne peut pas. Voir le texte pour une description complète. S'il vous plaît cliquer ici pour voirune version plus grande de la figure.

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Discussion

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Substrat sélection nettoyage

Si plaquettes oxydées sont utilisés comme substrats. Les substrats sont le support mécanique pour les cellules solaires résultantes, et leurs propriétés électriques ne sont pas importants. Des tranches de Si sont préférés au verre parce tranches de Si achetés dans le commerce sont généralement plus propres que des plaquettes de verre achetés dans le commerce, et cela fait gagner du temps dans le nettoyage de substrat. Si substrats présentent également une conductivité thermique plus élevée que le verre, ce qui conduit à un chauffage plus au cours de la croissance et de recuit. Avec des plaquettes de verre achetés dans le commerce, il a été constaté qu'il était nécessaire de nettoyer les substrats avec un détergent, y compris un massage manuel avec doigts gantés suivis par un bain à ultrasons chaud, afin d'éliminer toutes les traces visibles de contamination, et même alors, la propreté substrat ne pouvait pas être garanti. Il a été confirmé expérimentalement que le choix du verre ou des substrats de Si n'a aucun impact sur les performances du dispositif. However, cette comparaison a été effectuée avec des appareils étaient dans le 2% - 3% Gamme efficace, et les comparaisons répétées sera utile que l'efficacité de base améliore.

Typiquement 10 ou plusieurs substrats sont nettoyées à la fois en utilisant une coutume conçue support de plaque de quartz. Cela donne des résultats plus reproductibles que la manipulation des plaquettes individuellement avec des pincettes.

Mo pulvérisation

Il a été décidé de déposer le Mo contact arrière (la cathode) en interne plutôt que d'acheter des Mo-substrats recouverts d'après des résultats décevants ont été obtenus avec les substrats disponibles auprès de plusieurs fournisseurs différents. Avec substrats achetés (pulvérisé Mo sur verre) problèmes ont été rencontrés avec la propreté, la délamination, ou les deux. Le film est déposé Mo par pulvérisation magnétron à courant continu à deux couches, pour une adhérence sur le substrat de Si / SiO 2 et une conductivité élevée pour, en fonction des résultats affichés parScofield e t al. 13

Films Mo typiques sont 720 nm d'épaisseur avec une résistance d'environ 1 Ω / sq feuille. La résistance de la feuille est mesurée sur un substrat sacrificiel en utilisant un système de sonde à quatre points après chaque course de croissance Mo. En outre, l'adhérence au substrat est testée en utilisant une lame de scalpel. Films bien adhéré peuvent résister à gratter à la main avec un scalpel à la pression modérée sans de-stratification. Films mal adhéré seront dé-stratifié avec seulement une légère pression. Il a été observé qu'une étape de nettoyage substrat de plasma court dans la chambre de pulvérisation avant que la croissance Mo est important d'obtenir une bonne adhérence. Paramètres typiques pour cette étape de nettoyage est de 20 mTorr Ar, W RF 20, et 60 sec.

La croissance SnS par évaporation thermique

SnS est évaporé à partir de la poudre source à l'aide d'une cellule d'effusion à basse température acheté dans le commerce avec un creuset pyrolytique en nitrure de bore avec volumoi 32 cm 3. Lorsque la source est d'abord chargé, il est une poudre fine et de couleur gris foncé. Typiquement, est chargé 3 4 g de poudre. Avec la nouvelle poudre source, la température de la source est d'environ 540 ° C, afin de maintenir un taux de 1 Å / s de croissance sur un substrat chauffé à 240 ° C. Avec un nombre croissant de cycles de croissance, la température de la source doit être augmenté afin de maintenir un taux de croissance constant. Lorsque la température de la source requis atteint 610 ° C, la poudre est échangée.

Étroitement liée à la température de la source est la question de flocons SnS. Lorsque le taux de croissance est augmentée à plus de 10 Å / sec, SnS gros flocons peuvent être observés dans le film en croissance. On ignore si ces proviennent de la source principale, ou à partir de sources secondaires telles que l'enveloppe de cellule d'effusion ou l'obturateur source.

Une observation remarquable est que, quand un lot de poudre source est épuisée, il laisse derrière lui un blanc, un résidu poreuxau fond du creuset. Diffraction des rayons X confirme que cela est SnO 2. Le poids de ce résidu est généralement de 0,01 g.

SnS croissance par ALD

Un paramètre critique dans ce processus est la pression du gaz porteur d'azote qui circule au (DMLA) 2 Sn précurseur. La pression est maintenue près de 250 Torr, mais peut varier un peu de temps à autre. Étant donné que le rapport en volume du Sn (DMLA) précurseur 2 et N 2 barboteur piège à gaz est de 5: 1, la pression à l'intérieur du barboteur est d'environ 50 Torr. Si cette valeur est trop long, l'évaporation de précurseur Sn sera considérablement supprimée. D'autre part, si la pression à l'intérieur du barboteur est trop petit, il n'y aurait pas une chute de pression suffisante entre le barboteur et le four de réaction (qui a une pression de 10 ~ Torr) afin de permettre un écoulement de gaz lisse. Chacune de ces scénarios se traduira à inadéquat précurseur Sn dans l'ALréaction de D. Une indication de ce problème est que l'épaisseur du film à proximité de la sortie du four de réaction est beaucoup plus mince que celle à proximité de l'orifice d'entrée. Au cours de chaque dépôt, la pression à l'intérieur du réacteur est surveillée afin de veiller à ce que les pressions du système sont assis dans la plage correcte.

Pour assurer une répartition uniforme de la température à l'intérieur de la zone de réaction, l'entrée et la sortie du tube de dépôt à chaud mur sont enveloppés avec des bandes de chauffage. Sous les rubans chauffants, une paire de thermocouples sont insérés pour mesurer la température. Une distribution de température non uniforme à l'intérieur de la zone de réaction se traduira à différentes morphologies films SnS à différentes régions. A température plus élevée de dépôt, les films ont tendance à être plus rugueuse et ont une couleur plus claire. Aux basses températures inférieures à 200 ° C, les films ont une réflectivité plus élevée, comme peut être examinée à l'oeil nu.

SnS recuit dans un H 2 S four tubulaire </ P>

Le but de l'étape de recuit est d'optimiser la morphologie, la cristallinité et les propriétés électriques des films SnS. Pour les cellules cultivées TE-solaires, l'étape de recuit est effectuée dans un four tubulaire dédié. Ce 2 "de diamètre tube de quartz four est capable de mélanges de 4% de H 2 S (équilibre de N 2), 4% H 2 (équilibre N 2), N 2 pur et pur Ar coule. Les températures sont contrôlées par des éléments chauffants externes de Nichrome et surveillés à l'aide d'un thermocouple de quartz enrobé situé dans la zone chaude. Le gaz est évacué à l'aide d'une pompe à huile rempli d'huile inerte. Les joints sont fabriqués en utilisant H 2 S élastomères résistantes. Pression de base typique est 8 20 mTorr.

La température de recuit de 400 ° C est un équilibre entre la croissance des grains secondaires et le film ré-évaporation. En principe, plus la température de recuit peut être bénéfique pour les performances de l'appareil, et pourrait être atteint sans fi significativeperte de film en utilisant une pression plus élevée du four. Ceci est l'objet d'une enquête active.

SnS passivation de surface d'un oxyde natif

Le but de l'étape de passivation est de réduire la densité d'états d'interruption électroniques à la jonction entre l'absorbeur et les couches tampon, et pour servir de barrière de diffusion pour empêcher un mélange indésirable des éléments constitutifs des couches absorbantes et tampons. 14 Il a été observé que les échantillons traités avec cette étape d'oxydation ont des valeurs V OC plus élevés que les échantillons traités sans.

A ce moment, l'étape d'oxydation n'a pas été largement étudié et est probablement pas optimisée. Utilisation des résultats de spectroscopie de photoélectrons X-ray (non représentés), on estime que l'oxyde devrait être inférieure à 1 nm d'épaisseur pour une bonne performance et à éviter le blocage actuel.

Déposition de la conduc transparenteoxyde ting (TCO), l'oxyde d'indium-étain (ITO)

Avant cette soins de point étant pris pour contrôler l'exposition à l'air total des échantillons à chaque étape. Cependant, après le dépôt exposition à l'air de la couche tampon est plus limitée et les échantillons sont stockés et transportés dans l'air ambiant.

Avant ce point, toutes les dépositions ont été les films de "couverture", couvrant l'ensemble du substrat. De ce point sur les dépositions sont à motifs pour définir des dispositifs individuels. Pour les deux ITO et la métallisation étapes les dépositions sont définies en utilisant des masques d'ombre de métal découpé au laser. Pour le dépôt d'ITO, il est très important que la surface de la plaquette est déposée nettement définie par le masque perforé. Si la zone est pas nettement définie, par exemple en raison de la flexion du masque dans le dispositif d'alignement de masque, ensuite la zone active des dispositifs résultant peut être sensiblement supérieure à la taille nominale de 0,25 cm 2. Cela peut conduire à un faux sur-reporter de la densité de courant.

Métallisation

Le motif de métallisation est conçu pour permettre au point d'illumination de l'outil de mesure du rendement quantique de tomber complètement sur le ITO sans chevauchement avec le métal. Cette contrainte résultats dans 2 doigts séparés par 1,5 mm, chaque 7 mm de long, et un plot de contact 1 x 1 mm 2, voir figure 4. Ce modèle est loin d'être optimale du point de vue périphérique-performance. Un modèle optimisé pour la performance du dispositif serait utiliser plusieurs doigts avec un espacement plus petit.

Ag a été utilisé pour les cellules TE-cultivés et Ni / Al a été utilisé pour les cellules ALD cultivés. Cette division est historique et ne repose pas sur un résultat expérimental. Il est possible que Ni / Al offre une résistance supérieure à la corrosion pendant les périodes de stockage à long terme. En fait, il a été observé que les contacts Ag ont tendance à se corroder pendant un stockage prolongé dans de l'air (pour Exemple, plus d'un an).

la caractérisation de périphériques

Dispositifs finis sont caractérisés à l'aide de courant en tension («J - V») mesures collectées et rendement quantique externe (EQE) des mesures collectées avec et sans lumière blanche et polarisation de tension. Cellules solaires à jour ont été mesurés en communiquant avec des dispositifs individuels d'un à-un-temps, en utilisant micromanipulateurs de sonde dans une configuration typique de la station de la sonde. Les systèmes de simulation et EEQ solaires étaient physiquement déconnecté, si l'échantillon nécessaire pour être recontactés pour chaque mesure. En conséquence, il faudrait environ 4 - 5 h pour mesurer J - V et EEQ sur les 11 appareils.

Une station intégrée à haut débit test qui combine J - V et EEQ en utilisant un seul mandrin de l'échantillon et une carte de sondage qui est en contact tous les appareils ont été installés simultanément récemment au MIT, voir Figure 5. Les connexions électriques sont contrôlés par un multiplexeur programmable, et le stade XY de mandrin motorisé est contrôlé par ordinateur. De cette manière, J - V et EQE mesures peuvent être effectuées successivement sur ​​l'ensemble des 11 dispositifs dans moins d'une heure.

Pour dispositif des tests de routine une ouverture lumineuse zone définissant est pas utilisé. Par conséquent, la zone de dispositif actif peut être sous-estimé, résultant dans plus-estimations de la densité de courant. Cependant une ouverture est utilisé par les laboratoires de certification, ce qui entraîne souvent une efficacité moindre (cf figures 7, 9 et 10). Utilisation d'une zone sortie de lumière qui définissent est toujours souhaitable, mais pour les tests de routine, il est souvent négligé en raison de considérations pratiques telles que pour réduire au minimum le contact physique avec la partie supérieure de l'échantillon. L'erreur systématique due à la sous-estimation de la zone de dispositif actif peut être atténué par l'utilisation de plus grandes zones de dispositif. Pour le travail décrit ici, la relativement faible (0,25 cm 2) a été choisi comme la taille appropriée pour le début du développement de la technologie de l'étape (à des stades antérieurs un dispositif encore plus faible de 0,03 cm 2 sans métallisation a été utilisé). Maintenant que les dispositifs sont de l'ordre de 4% et efficacité sont reproductibles, il est utile pour augmenter une taille de 1 cm 2 ou plus.

En plus des techniques de caractérisation classiques décrits ci-dessus, sur des échantillons d'occasion sont également testés en utilisant des techniques dépendant de la température, y compris J - V, V OC Suns-, profilage capacité-tension et de verrouillage de la thermographie. Ces techniques sont utilisées pour quantifier et comprendre les mécanismes de pertes spécifiques telles que l'interface recombinaison et la perte de la résistance série.

L'importance de protocoles de fabrication de dispositifs de partage

Dans les publications sur film mince inorganique PV des résultats de tests de périphériques ne sont jamais (avec expérience), accompagné par sufficient détails expérimentaux de reproduire l'expérience. Cette situation conduit à des frustrations inutiles entre les chercheurs individuels, et entrave le progrès de l'ensemble du domaine. Cette situation rend également difficile de comparer les procédures décrites ici à ceux utilisés par d'autres groupes de recherche. Les techniques décrites dans ce manuscrit ont été élaborés avec l'aide de nombreuses conversations avec des chercheurs de PV mince film (principalement aux États-Unis), et beaucoup d'essais et d'erreurs. Les auteurs espèrent que ce travail aide les autres à éviter les frustrations inutiles, et établit un précédent pour les détails de déclaration des méthodes expérimentales en PV en couches minces.

Les applications futures du protocole décrit

Le protocole décrit ici est utilisé pour établir une cellule solaire "de base" de SnS. La caractéristique la plus importante d'un protocole de fabrication de base est la répétabilité; le numéro de l'efficacité absolue est moins important. JEn l'expérience des auteurs, la répétabilité est l'attribut clé qui permettra aux recherches en cours pour améliorer l'efficacité, tels que par l'amélioration de passivation de surface ou de réduire la densité de défauts en vrac. Sans un protocole de base reproductible, il est extrêmement difficile de juger les effets des modifications apportées au protocole de fabrication. Ceci est décrit en détail dans la section ci-dessous sur les tests d'hypothèses.

Les travaux en cours et à venir sur les cellules solaires SNS exploiter le protocole de base décrit ici pour optimiser les étapes de fabrication individuelles avec l'objectif d'accroître l'efficacité de l'appareil. D'un intérêt particulier sont le H 2 S et le recuit surface étapes de passivation, étant donné que ceux-ci un effet direct sur ​​la densité de défauts dans la masse de l'absorbeur et à le p - n jonction.

ensembles de données permettent des tests d'hypothèses

Dans un domaine qui idolâtre l'efficacité de champion, il est tentant de coursregarder l'ensemble - l'> 99% des dispositifs (non-champions) - et les informations utiles qu'il fournit. Cette section motive l'analyse de données ensemble, et présente des approches faciles pour visualiser et extraire des informations utiles à partir de données d'ensemble. Il est présupposé que le lecteur a une compréhension pratique des statistiques expérimentales (essais d'hypothèse), et est confortable calcul d'une distribution gaussienne, écart-type, erreur standard, et les intervalles de confiance à 95% pour un ensemble de données.

Autrement dit, l'analyse des données d'ensemble est l'étude de la variabilité, qui, lorsqu'il est réduit, permet de mieux les tests d'hypothèses. Variabilité, familièrement «bruit», obscurcit le «signal» au cours fondée sur une hypothèse génie des procédés et de la recherche scientifique. Comme le bruit augmente, plus d'expériences sont rendus concluants. Expériences concluantes sont une perte de temps, de ressources et d'optimisme. Ensemble de données peuvent aider à réduire la variabilité de deux façons:

Premièrement, les données d'ensemble révèlent processus non uniformité dans l'espace et le temps. Ce type de variabilité est systématique (par ex., Causée par température- ou débit-gradients dans une chambre de dépôt de couches minces donnée), ce qui donne une tendance claire à résolution spatiale de la variation de la performance, illustré par la figure 12. La variation spatiale ou temporelle incarne le "empreinte digitale" de l'étape de processus de délinquance. in-situ des échantillons de métrologie et de contrôle peuvent aider à identifier et résoudre les sources de variabilité systématique de processus.

Deuxièmement, les données d'ensemble révèlent «chance-de-la-tirage" ou "cause commune" variance, à savoir, la variabilité statistique qui affecte tous les éléments ensemble aussi. Cette variabilité est plus difficile à résoudre, car il est le résultat global des multiples étapes de traitement couplés. Cause commune variance peut mieux être minimisé par des contrôles de processus rigoureuxet les procédures d'exploitation normalisées à chaque étape - certes un défi de taille dans un environnement en mutation rapide et de l'environnement académique peu de personnel. Néanmoins, l'exercice suivant illustre pourquoi la réduction de cause commune, la variance est essentiel.

L'impact de la cause commune variance illustré: Une compétition scientifique amical, fictive entre le Dr méticuleuse et le Dr Messy: Angela et Nessi sont des chercheurs de deux laboratoires différents. Ils sont engagés dans une compétition amicale scientifiques de tester l'hypothèse que Process B génère de meilleurs dispositifs d'un processus A. base bien accepté deux chercheurs emploient une procédure tests d'hypothèses standard, qui suppose que cause commune écart résulte distributions d'efficacité gaussiennes ( plus de fonctions de distribution statistiques représentatifs comprennent log-normale pour les distributions sans valeurs aberrantes, et plus statistiquement robuste log-Cauchy-Lorenzian pour les distributions avec une forte outliers).

Angela est connu pour ses collègues comme «Dr. Méticuleux. "Elle cherche à réduire la variabilité des processus. Angela ne partage pas son beakerware avec d'autres, emploie chambre routines pré-conditionnement avant le dépôt de couches minces, incorpore des échantillons de contrôle avec chaque cycle de fabrication, et préfère des substrats de silicium IC-qualité avec des surfaces d'oxyde thermique au lieu des surfaces vitrées plus variables. Elle produit de base périphériques (Processus A) avec un "vrai" (ie., Réelle) efficacité de 10% et un écart type vrai vrai) de 0,5% signifie. la fabrication de périphériques et mesures prennent du temps, et elle est seulement en mesure de fabriquer et de mesurer six périphériques (n = 6) par processus.

Dans un autre laboratoire, Nessi est difficile au travail. Pour ses collègues, Nessi est connu comme "Dr. "Ses fabrication et de métrologie des outils désordonné. Sont situés dans un établissement à utilisation partagée. Quand il est à son tourde les utiliser, elle ne prend pas les précautions nécessaires pour assurer une faible cause commune variance. Mais à cause de sa négligence, son écart-type vrai est de 1,5% en valeur absolue (3 x supérieure à Angela). Cette σ supérieur vrai reflète les conditions expérimentales moins bien contrôlées. Toutefois, en raison Nessi utilise des matériaux de matières premières plus élevé de pureté, son processus de base A réalise un véritable moyen de 10,6%. Nessi fabrique et mesures n = 6 appareils par processus.

Supposons que B Process améliore "true" l'efficacité de l'appareil de 10% par rapport (à savoir, 10% améliore de 11%;. 10,6% à 11,7% améliore). Tant Angela et Nessi appliquent le théorème central limite aux N = 6 appareils qu'ils fabriquent chaque, comme le montre la Figure 13 Notez que les «vrais» distributions (figures 13A, D, G) sont cachés pour les chercheurs. ils ne respectent leurs données expérimentales (Figures 13B, E, H) et le gaussiennes résultant des crises, des erreurs standard et les intervalles de confiance (figures 1C, F, I).

D'une part, un resserrement du contrôle des processus d'Angela (faible variabilité, σ plus petit vrai) lui permet de rejeter l'hypothèse nulle, concluant avec> 95% de confiance que le procédé B est supérieure pour traiter un (Figure 13C). D'autre part, Nessi, qui a σ plus vrai, ne peut pas conclure que le procédé B est meilleur que le procédé A (figure 13F) avec N = 6. Même si Nessi est la chance de faire deux dispositifs avec des rendements plus élevés que n'importe quel de Angela (figures 13B, E), Angela est de gagner la course à la publication du document scientifique qui va révolutionner la façon dont son champ pense Processus B.

Nessi se rend compte qu'elle a besoin d'augmenter ses intervalles de confiance, ce qui l'oblige à réduire sonerreur de mesure standard (SE), ie.,

Equation 2 . [1]

Nessi peut poursuivre l'une des deux approches correspondent Angela 3 × petite SE: Nessi peut réduire sa vraie variabilité o) par un facteur de 3, ou augmenter N par un facteur de 3 2 = 9. Nessi accède à une haute dispositif de mesure débit appareil, augmentant de 9 × N. Cette amélioration compense ses 3 × plus grande variabilité des processus, et elle est capable de détecter une différence statistiquement significative entre les procédés A et B, en rejetant l'hypothèse nulle avec> 95% de certitude (figure 13I). Elle est de retour dans la course pour la publication.

L'efficacité de base plus élevés augmentent les chances de succès des tests d'hypothèses: Mettre l'accent sur ​​l'équation pour SE (équation 1), il peut être vucomment l'augmentation de la performance de base augmente les chances de succès des tests d'hypothèses. Si le processus susmentionné B ont été testés sur un dispositif de référence -Efficace 5% au lieu de 10%, l'amélioration de l'efficacité absolue serait que de 0,5% au lieu de 1%. En supposant σ o est inchangé, le nombre minimum d'échantillons requis pour rejeter l'hypothèse nulle augmente de 4 ×. Ainsi, l'amélioration des performances de l'appareil de base a le même effet que la réduction mathématique σ, ie., Une amélioration de 1 à 1 dans les intervalles de confiance.

Un dernier mot: Réduire erreur standard est essentielle pour minimiser le risque de tests d'hypothèses non concluants. Erreur type peut être réduite en diminuant cause commune variance, manifeste dans σ o, ce qui entraîne une réduction de 1 à 1 au SE. Amélioration de la performance de base a un effet équivalent. On peut aussi augmenter la taille de l'échantillon N, mais cela aura un faibleimpact sur ​​er SE cause de la racine carrée (augmentant N augmente également le risque de variation systématique).

L'importance de l'application des statistiques expérimentales est largement accepté dans la biologie et la physique (comités de statistiques cf permanents des expériences d'énergie du tout élevés). 15 Pour améliorer la qualité des données disponibles dans le PV, il est recommandé que les chercheurs prêter attention à la 99% des appareils qu'ils fabriquer, et d'adopter les tests d'hypothèses avec des ensembles de données.

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Disclosures

Les auteurs ont rien à révéler.

Acknowledgments

Les auteurs tiennent à remercier Paul Ciszek et Keith Emery du National Renewable Energy Laboratory (NREL) pour les mesures de JV certifiés, Riley Brandt (MIT) pour les mesures de spectroscopie de photoélectrons, et Jeff Cotter (ASU) d'inspiration pour la section de tests d'hypothèses. Ce travail est soutenu par le Département américain de l'énergie grâce à l'Initiative Sunshot sous contrat DE-EE0005329, et par Robert Bosch LLC à travers le Réseau de recherche sur l'énergie Bosch en vertu subvention 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, et K. Hartman reconnaissent le soutien de la fondation Alexander von Humboldt, une bourse de recherche postdoctorale DOE EERE, et Intel PhD Fellowship, respectivement. Cette utilisation de travail fait du Center for Nanoscale Systems à l'Université Harvard qui est soutenu par la National Science Foundation sous sentence 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

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References

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

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

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