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Engineering

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Zinnsulfid (SnS) ist ein Kandidat Absorbermaterial für die Erde-reichen, nicht-toxische Solarzellen. SnS bietet einfachen Phasenregelung und das schnelle Wachstum von kongruenten thermische Verdampfung, und es sichtbares Licht stark absorbiert. , Für eine lange Zeit den Rekord Wirkungsgrad von SnS Solarzellen blieb jedoch unter 2%. Kürzlich haben wir gezeigt, neue zertifizierte Rekordwirkungsgrade von 4,36% mit SnS durch Atomlagenabscheidung abgeschieden und unter Verwendung von 3,88% thermische Verdampfung. Hier das Herstellungsverfahren für diese Aufzeichnung Solarzellen beschrieben wird, und die statistische Verteilung des Herstellungsprozesses wird berichtet. Die Standardabweichung der Effizienz, gemessen auf einem einzigen Substrat ist typischerweise mehr als 0,5%. Alle Schritte, einschließlich Substratauswahl und Reinigung, Mo Sputtern für den hinteren Kontakt (Kathode), SnS Abscheidung Tempern Oberflächenpassivierung, Zn (O, S) Pufferschicht Auswahl und Abscheidung transparenter Leiter (Anode) Ablagerung und Metallisierung werden beschrieben. Auf jedem Substrat zu fertigen wir 11 Einzelgeräte mit jeweils aktive Fläche 0,25 cm 2. Ferner ist ein System für die Messung von Strom-Spannungs-Kurven unter simulierten Sonnenlicht und externe Quanteneffizienz Messung mit variabler Licht Bias beschrieben. Mit diesem System sind wir in der Lage, vollständige Datensätze für alle Vorrichtungen 11 auf automatisierte Weise und in kürzester Zeit zu messen. Diese Ergebnisse veranschaulichen den Wert des Studiums große Sample-Sets, anstatt sich nur knapp über die leistungsfähigsten Geräte. Große Datenmengen helfen uns, zu unterscheiden und zu beheben einzelnen Verlustmechanismen, die unsere Geräte.

Introduction

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Dünnschicht-Photovoltaik (PV) weiterhin Interesse und bedeutende Forschungsaktivitäten zu gewinnen. Jedoch die Wirtschaftlichkeit des PV-Markt sind schnell wechselnde und Entwicklung von kommerziell erfolgreichen Dünnschicht-PV hat sich zu einem anspruchsvolleren Aussichten. Herstellungskosten Vorteile gegenüber waferbasierten Technologien können nicht mehr selbstverständlich auf eine Stufe genommen werden, und Verbesserungen in Effizienz und Kosten gesucht werden muss. 1,2 Angesichts dieser Realität, die wir gewählt haben, um SnS als Absorbermaterial für die Entwicklung Dünnschicht-PV. SnS intrinsische praktische Vorteile, die in niedrigen Herstellungskosten zu übersetzen könnte. Wenn hohe Wirkungsgrade nachgewiesen werden kann, könnte es als Drop-in-Ersatz für CdTe in kommerziellen Dünnschicht-PV berücksichtigt werden. Hier wird das Fertigungsverfahren für die kürzlich berichtet Datensatz SnS Solarzellen demonstriert. Wir konzentrieren uns auf praktische Aspekte wie Substratauswahl, Abscheidungsbedingungen, Gerätelayout und Messprotokollen.

SnS ist aus nicht-toxischen, Erde reichlich vorhanden und preiswert Elemente (Zinn und Schwefel) zusammengesetzt ist. SnS ist ein inertes und unlösliche halbleitenden Festkörper (Mineralname Herzenbergite) mit einem indirekten Bandlücke von 1,1 eV, starke Lichtabsorption für Photonen mit Energien über 1,4 eV (α> 10 4 cm -1) und intrinsische p-Typ Leitfähigkeit mit Trägerkonzentration im Bereich 15. Oktober-17. Oktober cm -3. 3 - 7 ist wichtig, verdampft SnS deckungsgleich und phasenstabil bis 600 ° C 8,9 Das heißt, SnS kann durch thermisches Verdampfen (TE) und der hohen hinterlegt. -Gang Vetter, geschlossenen Raum Sublimation (CSS), wie bei der Herstellung von CdTe-Solarzellen eingesetzt wird. Es bedeutet auch, dass SnS Phasensteuerung ist viel einfacher, als für die meisten Dünnschicht-PV-Materialien, insbesondere einschließlich Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) und Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Daher Zell efzienz steht als Haupthindernis für die Vermarktung von PV SnS und SnS könnte als Drop-in-Ersatz für CdTe einmal hohe Wirkungsgrade sind im Labormaßstab gezeigt werden. Allerdings kann diese Effizienz Barriere nicht überbewertet werden. Wir schätzen, dass der Datensatz Effizienz muss um einen Faktor von vier zu erhöhen, von ~ 4% auf ~ 15%, um die wirtschaftliche Entwicklung zu stimulieren. Entwicklungs SnS als Drop-in-Ersatz für CdTe erfordert auch das Wachstum von hoher Qualität SnS dünne Filme von CSS, und die Entwicklung eines n -Typ Partner Material, auf dem SnS können direkt angebaut werden.

Im Folgenden wird für die Herstellung von SnS Rekord-Solarzellen mit zwei verschiedenen Abscheideverfahren, Atomlagenabscheidung (ALD) und TE beschrieben die Schritt-für-Schritt-Verfahren. ALD ist eine langsame Wachstumsverfahren, sondern auf dem neuesten Stand hat die höchste Effizienz Geräte ergab. TE ist schneller und industriell skalierbaren, aber hinkt ALD in Effizienz. Zusätzlich zu den verschiedenen SnS Abscheideverfahren, das TEund ALD Solarzellen unterscheiden sich geringfügig im Glühen, Oberflächenpassivierung und Metallisierungsschritte. Die Produktionsschritte sind in Abbildung 1 aufgezählt sind.

Nachdem das Verfahren beschreiben, sind die Testergebnisse für die zertifizierten Aufnahmegeräte und zugehörige Proben vorgestellt. Das Rekordergebnis wurde bereits berichtet. Hier liegt der Schwerpunkt auf die Verteilung der Ergebnisse für eine typische Verarbeitungslauf.

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Protocol

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1. Untergrundauswahl und Schneiden

  1. Kauf polierte Si-Wafer mit einer dicken thermischen Oxid. Für die hier berichtet Geräte verwenden 500 um dicken Wafern mit einem 300 nm oder dicker thermischen Oxid. Die Substratauswahlkriterien werden in der Diskussion Abschnitt erläutert.
  2. Schleuderbeschichten der polierten Seite des Wafers mit einer typischen positiven Photoresist (SPR 700 oder PMMA A. 495) und Weichbacken (30 sec bei 100 ° C).
    Anmerkung: Dies ist eine Schutzschicht, um eine Beschädigung oder Verunreinigung während der nachfolgenden Schneideschritt zu verhindern.
  3. Verwenden Sie ein Werkzeug Säge, um den Wafer in 1 "x 1" (25,4 x 25,4 mm 2) Quadratisch Substrate geschnitten.

2. Substrat Reinigung

  1. 60 ° C - Partikel und andere Rückstände, die von der Schneidschritt unter Verwendung eines Stickstoffdruckpistole führen, gefolgt von einem Ultraschallbad in deionisiertem (DI) Wasser für 5 min bei 45 zu entfernen.
  2. Entfernen Sie die Fotolackschicht mit einem Ultraschall-bath in Aceton für 5 min bei 45 - 60 ° C.
  3. Reinigen des belichteten Substrats mit 3 aufeinanderfolgenden Ultraschallbäder, für 5 min bei 45 - 60 ° C: Aceton, Ethanol und Isopropylalkohol. Finish durch Trocknen mit einem komprimierten Stickstoffpistole, während Substrate in der Quarzträger bleiben.

3. Mo Sputtering

  1. Legen Sie die sauberen Si / SiO2-Substraten in eine Hochvakuum-Zerstäubungssystem. Stellen Sie sicher, dass die Substratplatte ist unbeheizt und Substratrotation aktiviert ist. Für die hier berichtet Geräte, Verfahren in einem kommerziellen System mit gekippten Magnetron-Kanonen mit 2 "Ziele und einer Wurfweite von ca. 4".
  2. Zahlen Sie die erste Schicht (die Haftschicht) bei relativ hohen Hintergrunddruck wie 10 mTorr Ar. Für die hier berichtet Geräte, Verfahren mit einer Sputter-Leistung von 180 W (DC), die eine Wachstumsrate von 2,6 Å / s ergibt und einem ersten Mo Schicht, die 360 ​​nm dick ist.
  3. Hinterlegung der zweitenSchicht (der leitenden Schicht) bei einem relativ niedrigen Grunddruck wie 2 mTorr Ar. Verwenden Sie die gleiche Sputterleistung wie die erste Schicht (180 W) und hinterlegen die gleiche Dicke.
    Anmerkung: Die hier angegebenen Vorrichtungen hatten eine zweite Mo-Schicht, die 360 ​​nm dick ist, gleich wie die erste Schicht.
  4. Nach Mo Abscheidung, speichern die Substrate im Vakuum bis zum SnS Abscheidungsschritt.

4. SnS Deposition

Hinweis: Das ALD-Abscheidungstechnik ist in Unterabschnitt 4.1 beschrieben, und die TE-Abscheidung in Unterabschnitt 4.2 beschrieben. Das ALD-Systems ist in Figur 2 gezeigt, und TE-Abscheidungssystem ist in Abbildung 3 dargestellt.

  1. Kaution SnS von ALD
    1. Vor dem Laden in den Reaktor, legte Mo Substrate in einer UV-Ozon-Reiniger für 5 Minuten, um organische Partikel zu entfernen. Dann legen Sie die Substrate auf dem Substrathalter und setzen Sie in die Abscheidungszone.
    2. Stabilisierung der Ofen Tempetemperatur von 200 ° C vor Beginn Abscheidung.
    3. Wachsen SnS Dünnschichten aus der Reaktion von Bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -zinn (II) [Sn (MeC (N -iPr) 2) 2, die hier als Sn (amd) 2] und Wasserstoffsulfid (H 2 S) 4.
      1. Halten die Sn (amd) 2 Vorläufers bei einer konstanten Temperatur von 95 ° C. Mit reinem N 2 -Gas, um die Lieferung von Sn (AMD) 2 Dampf aus dem Behälter in den Ofen, um die Beschichtungszone zu unterstützen. Während jeder ALD-Zyklus, Versorgungs drei Dosen des Sn (AMD) 2 Vorläufer für das Gesamtengagement von 1,1 Torr Sekunde.
      2. Verwenden eine Gasmischung aus 4% H & sub2; S in N 2 als Schwefelquelle. Sicherzustellen, dass die Belastung durch die an Schwefelwasserstoffdampf 1,5 Torr Sekunde pro Dosis. Sicherzustellen, dass der Partialdruck des H 2 S und dem Gesamtdruck von H 2 S in N 2 0,76 Torr und 19 Torr auf.
    4. Set ter Pumpzeit zwischen Sn Vorläufer Dosis und H 2 S-Dosis nur 1 Sekunde, um zur Beschleunigung der Abscheidung werden (kurz im Vergleich zu den meisten anderen herkömmlichen ALD Verfahren).
      Hinweis: Da das Sn Vorläufer nicht vollständig durch diese kurze Pumpzeit entfernt wird, bleibt etwas restliches Sn Vorläufers, wenn das H 2 S eintrifft. So könnte das Verfahren als gepulster CVD-Verfahren beschrieben. Die Wachstumsrate der SnS Film beträgt 0,33 Å / Zyklus oder 0,04 Å / sek.
  2. Kaution SnS von TE
    1. Sicherstellen, dass die Prozesskammerdruck ist 2 x 10 -7 Torr oder weniger. Last Substrate in der Kammer durch die Ladeschleuse. Halten der Substrate auf die Platte entweder mit einem einzelnen Clip oder mit einem benutzerdefinierten Substrathalter mit entsprechend dimensionierten Taschen, die bis auf die Substratplatte angeschraubt ist.
    2. Rampe die Quelle und Substrat-Heizungen, ihren Sollwert. Für die Vorrichtung hier berichteten die Substrattemperatur 240 ° C und die Wachstumsrate 17; / sec; 610 ° C (die erforderlichen Quellentemperatur mit der Zeit für eine Einzellast von Quellpulver) -, diese Wachstumsrate setzen Sie die Quellentemperatur im Bereich von 550 zu erreichen. Die Zielfoliendicke beträgt 1,000 nm.
    3. Messen Abscheidungsrate unter Verwendung des Quarzkristallmonitor (QCM) vor und nach der Filmabscheidung SnS durch Bewegen des QCM Arm in die Prozesskammer. Für diese Messung wird das Substrat angehoben wird, so dass der QCM in das Substrat Wachstums Position bewegt werden.
      Hinweis: Die Abscheidungsrate bleibt während einer Ablagerungszeit von 3 h ziemlich konstant (± 0,05 Å / s Abweichung).
    4. Nach der Abscheidung, übertragen Sie die Proben wieder in die Ladesperre vor dem Entlüften in die Luft. Schnellen Transport der Proben durch die Luft in den Speicher entweder im Vakuum oder in einer inerten Atmosphäre Glovebox vor dem nächsten Verarbeitungsschritt.
      Hinweis: Die typischen unbeabsichtigte Luftbelichtungszeit beträgt ca. 3 min. Die typische Lagerzeit zwischen einem Tag und aweek.

5. SnS Glühen

Anmerkung: Dieser Schritt ist etwas anders für ALD und TE Solarzellen ausgeführt. Das Glühen Verfahren für ALD-Solarzellen wird in Unterabschnitt 5.1 beschrieben, und das Verfahren für die TE-Solarzellen wird in Unterabschnitt 5.2 beschrieben. Der Zweck Glühen in der Diskussion Abschnitt erläutert.

  1. Glühen die ALD gewachsenen SnS Filme in H 2 S-Gas.
    Anmerkung: Dieser Schritt wird in dem gleichen System für ALD Wuchs durchgeführt.
    1. Mit reinem H 2 S-Gas (99,5% rein) bei einer Flussrate von 40 sccm und einem Druck von 10 Torr.
    2. Erhitzen Sie die SnS Folie auf eine Temperatur von 400 ° C und halten Sie für 1 Stunde in der H 2 S-Gas-Umgebung. Stellen Sie sicher, dass das Gas während des gesamten Prozesses fließt, einschließlich Temperatur einfach an- und abgeschaltet.
  2. Glühen die TE-grown SnS Filme in H 2 S-Gas. Führen Sie diesen Schritt in einem eigenen Rohrofen.
    1. Last the Proben auf einem sauberen Quarzplatte und gleiten in den Heißzonenbereich des Ofens.
    2. Nachdem der Ofen verschlossen ist, zu spülen dreimal mit reinem N 2 und lassen Sie sie auf Basisdruck abzupumpen.
    3. Etablieren Gasstrom bei 100 sccm von 4% H 2 S bei 28 Torr.
    4. Rampe die Temperatur auf 400 ° C über 10 min. Halten bei 400 ° C für 1 Stunde, dann lassen Sie die Proben in der Heißzone zu kühlen ohne fremde Hilfe. Konstant zu halten H2S Gasstrom und Druck, bis Proben abkühlen unter 60 ° C. Entfernen Sie die Proben und entweder sofort gehen Sie zum nächsten Schritt, oder legen Sie sie in der Lagerung in einem inerten Gas Handschuhfach.

6. SnS Oberfläche Passivierung mit einer nativen Oxids

Anmerkung: Dieser Schritt ist etwas anders für ALD und TE Solarzellen ausgeführt. In Unterabschnitt 6.1 der Oberflächenpassivierung Verfahren für ALD-Solarzellen beschrieben wird, und das Verfahren für TE Solarzellen in Unterabschnitt beschrieben6.2. Die Funktion dieses Schrittes wird in der Diskussion Abschnitt erörtert.

  1. Für die ALD gewachsenen Proben, wachsen eine dünne Schicht aus SnO 2 von ALD.
    Hinweis: Wir verwenden einen anderen Reaktor als die für SnS Wachstum verwendet.
    1. Wachsen SnO 2 durch die Reaktion von cyclischen Amids tin [(1,3-bis (1,1-Dimethylethyl) -4,5-Dimethyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-yliden) Sn (II)] und Wasserstoffperoxid (H 2 O 2). Speichern das zyklische Amid Zinnvorläufer in einem Ofen bei 43 ° C, und das H 2 O 2 in eine Waschflasche bei Raumtemperatur.
    2. Aufrechterhaltung der Substrattemperatur bei 120 ° C für die Abscheidung.
    3. Expose der Zinnvorläufer und H 2 O 2 unter Verwendung von 0,33 und 1,5 Torr Sekunde pro Zyklus jeweils für insgesamt 5 Zyklen. Zu überprüfen, dass die Dicke des resultierenden SnO 2 0,6 0,7 nm, wie durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) -Analyse 10 gemessen.
  2. Für die TE-gewachsenen Proben, einen thin Schicht aus SnO 2 durch Luftexposition.
    1. Expose der Proben auf Laborumgebungsluft 24 h. Zu überprüfen, dass die Dicke des resultierenden SnO 2 beträgt etwa 0,5 nm, wie durch XPS-Analyse gemessen.
      Anmerkung: Die typische RT beträgt 24 ± 1 ° C, und die typische Feuchtigkeit 45% ± 13% (höher im Sommer); Für die hier berichteten Geräte waren die Werte 24,6 C <30% betragen.

7. Die Abscheidung der Zn (O, S) / ZnO Pufferschicht

Anmerkung: Dieser Schritt wird in der gleichen ALD-Kammer, die für das Wachstum von SnS ALD wird durchgeführt.

  1. Wachsen einem Zn (O, S): N-Schicht durch ALD.
    1. Aufrechterhaltung der Substrattemperatur auf 120 ° C.
    2. Wachsen Zn (O, S): N durch ALD aus der Reaktion von Diethylzink (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), entionisiertes Wasser (H 2 O), 4% H 2 S in N 2, und Ammoniak (NH 3) 11. Bewahren Sie die Waschflasche containing DEZ bei RT. Verwenden Sie eine Taktfolge von [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, und wiederholen Sie diese Superzyklus 12 mal. Damit die Exposition von Ammoniak 11 Torr Sekunde.
    3. Überprüfen, ob der S / Zn-Verhältnis in dem resultierenden Films beträgt 0,14, wie durch Rutherford-Rückstreuungsspektroskopie 12 gemessen wird, und dass die Dicke der Folie beträgt etwa 36 nm.
  2. Wachsen Sie eine ZnO-Schicht von ALD.
    1. Aufrechterhaltung der Substrattemperatur auf 120 ° C.
    2. Wachsen ZnO mit 50 ALD-Zyklen DEZ-H 2 O.
      Anmerkung: Die Dicke des resultierenden ZnO-Films beträgt ca. 18 nm.

8. Die Abscheidung der transparenten leitenden Oxide (TCO), Indiumzinnoxid (ITO)

  1. Schneiden ITO Schattenmasken aus einer 0,024 "(610 um) Alu 6061 Blatt mit einem Laborlaserschneider.
    Hinweis: Die Masken definieren, 11 rechteckige Geräte, die 0,25 cm 2 in sindGröße plus eine größere Unterlage in einer Ecke, die für optische Reflexionsmessungen verwendet wird, siehe Abbildung 4.
  2. Montieren Sie die Geräte und Masken in einem Mask Aligner.
    Hinweis: Dies ist eine Aluminiumplatte mit verschachtelten Taschen für das Substrat und Masken und Clips, die Masken zu befestigen.
  3. Ablagerung ITO durch reaktives Magnetron-Sputtern.
    1. Erhitzen Sie das Substrat auf etwa 80 bis 90 C ermöglichen Substratrotation.
    2. Verwenden einen Durchmesser von 2 inch ITO-Targets (In 2 O 3 / SnO 2 90/10 Gew.%, 99,99% ig) bei 65 W HF-Sputterleistung mit 40 / 0,1 sccm Ar / O 2 Gasstrom bei 4 mTorr Gesamtdruck.
    3. Wachsen einem 240 nm dicken ITO-Film.
      Hinweis: Mit diesen Parametern Wachstumsraten von 0,5 Å / s und Schichtwiderstände im Bereich von 40 - 60 Ω / sq erzielt werden.

9. Die Metallisierung

  1. Cut Metallisierung Schattenmasken aus einer 127 um dicken austenITIC Edelstahlblech.
    Hinweis: Diese Masken werden mit + 10 / -5 & mgr; m Toleranz von einem kommerziellen Unternehmen zu schneiden. Die Metallstruktur besteht aus 2 Fingern um 1,5 mm getrennt sind, jeweils 7 mm lang, und ein 1 x 1 mm 2 Kontaktstelle, siehe Abbildung 4.
  2. Montieren Sie die Geräte und Masken in einem Mask Aligner, wie in Schritt 8.2.
  3. Ablagerung Ag (TE-Geräten) oder Ni / Al (ALD-Geräte) durch Elektronenstrahlverdampfung.
    1. Berg Mask Aligner auf die Substratplatte eines Elektronenstrahls Metalle Verdampfungssystem. Abpumpen auf einen Basisdruck von weniger als 1 x 10 -6 Torr.
    2. Verdampfen Metall bei einer Geschwindigkeit von 2 Å / sek. Kaution 500 nm Gesamtmetalldicke.

10. Bauteilcharakterisierung

  1. Führen Strom-Spannungs ("J - V") Messungen auf allen Geräten in der Dunkelheit und in AM1.5 simuliert Sonnenlicht.
    1. Kalibrieren Sie den Sonnensimulator durch das Sammeln von J - V Daten from einem kalibrierten Silizium-Solarzelle und das Einstellen der Sonnensimulator Lampenleistung und die Höhe bis zum Erreichen des kalibrierten aktuellen Wert für AM1.5 Sonneneinstrahlung.
    2. Kontaktieren Sie die Geräte in Vierdraht-Betrieb durch Verwendung von Kupfer-Beryllium-Doppelsondenspitzen an sowohl der Oberseite (Anode, Ag oder Al) und unten (Kathode, Mo) Schichten zu kontaktieren. Kontaktieren Sie die untere Schicht durch Kratzen entfernt die Puffer und SnS Schichten mit einer Skalpellklinge.
    3. Measure hellen und dunklen J - V Daten unter Verwendung einer Quelle Meter von Sourcing-Spannung und Strommessung.
      Anmerkung: Die Geräte werden in der Regel im Bereich von ± 0,5 V. Die gemessene Vorrichtungen reagieren nicht auf die Richtung oder die Geschwindigkeit der Spannungsstreicht. Für Routinetests ein Bereich definierenden Lichtblende wird nicht verwendet, siehe Diskussion Abschnitt für weitere Details.
  2. Führen Sie externe Quanteneffizienz (EQE) Messungen auf allen Geräten, mit variabler Licht und Vorspannung.
    1. Kalibrieren Sie das EEP-System durch die Messung der response einer Si-Photodiode Kalibrierung.
      Hinweis: Die Software diese Daten, um Messungen mit einem NIST-Standard unterstützt, um die Lichtintensität entsprechend anpassen geführt vergleicht.
    2. Kontaktieren Sie die Geräte mit Hilfe der Vier-Draht-Verfahren, wie in Schritt 10.1.2.
    3. EQE messen unter Verwendung eines kommerziellen Systems, das die Probe mit monochromatischem Licht über einen Wellenlängenbereich von 270 1100 nm bei 100 Hz zerhackt beleuchtet und misst die sich ergebende Strom. Führen Sie diese Messung nach Standardarbeitsanweisung des Herstellers.
    4. Wiederholen Sie die Messung mit EQE variabler Spannung und Weißlicht-Vorspannung. Verwenden Sie einen Sourcemeter, um die Vorspannung und eine Halogenlampe, die Licht Bias-Versorgung zu liefern. Messen Sie Geräte in Vorwärts- und Rückwärts Vorspannung und unter variablen weißen Lichtintensität bis zu ~ 1 Sonnen.
    5. Die optische Reflexionsgrad (% R) der ITO-Oberfläche mit einem Spektralphotometer mit integrierender Kugel, um zu konvertieren extern nach internQuanteneffizienz (IQE). Führen Sie diese Messung nach Standardarbeitsanweisung des Herstellers.

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Representative Results

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In den Figuren 6-8 Ergebnisse sind für zwei repräsentative "Baseline" TE-grown Proben, wie oben beschrieben gezeigt. Beleuchtet J - V für diese beiden Proben ist in 6 aufgetragen Die erste Probe ("SnS140203F") ergab das Gerät mit zertifizierten Wirkungsgrad von 3,88%, die zuvor berichtet wurden 9 Repräsentative JV Verteilungen sind für jede Probe gezeigt... Für eine gegebene Vorspannung werden diese Verteilungen berechnet Gleichung 1 wobei <J> den Mittelwert der Stromdichte für alle Geräte gemessen σ J ist die Standardabweichung dieser Messungen, und N die Gesamtzahl der Messungen. Mit anderen Worten sind der Mittelwert und der Standardfehler graphisch dargestellt. Diese Darstellung hilft bei Vergleich der Ergebnisse aus verschiedenen Proben und zur visuellen Beurteilung derAuswirkungen von Änderungen der Bauelementherstellung auf die resultierende Leistung der Vorrichtung.

Die J - V Daten legen nahe, daß die Proben leiden an Problemen mit Shunt-Widerstand, der zwischen den Geräten auf eine Probe variiert. Dieser Schluß wird weiter durch die Figuren 7 und 8 verstärkt. In 7 ist die Standard-Solarzellenparameter werden aufgezeichnet - Leerlaufspannung (V OC), Kurzschlussstromdichte (J SC), Füllfaktor (FF) und Leistungsumwandlungseffizienz. - Für alle in 6 gezeigten gleichen Geräte Die Balkendiagrammdarstellung hilft, visuell zu identifizieren Korrelationen zwischen Parametern. Für diese Proben die scheinbare Korrelation zwischen Effizienz und der FF, wie für Geräte, die vom Shunt oder Serienwiderstand Verluste erleiden erwartet. Für das zweite Gerät gibt es auch eine eindeutige Korrelation zwischen Effizienz und V OC,wie für Shunt-Widerstand Verluste erwartet.

Diese Korrelationen sind ausdrücklicher durch die in 8 gezeigte multivariate Stücke vorgenommen. Dabei werden V OC, J SC und FF gegen die Reihe (R s) und Shunt (R SH) Widerstände aufgetragen. R s und R sh verwenden lineare berechnete passt auf die J - V Daten in der Nähe von 0,5 und 0 V sind. In vielen Fällen wäre es besser, R s und R sh als Parameter in einem Modell, das die Diode mit dem J-fit extrahieren - Vdata. Doch für relativ niedrigen Wirkungsgrad Solarzellen gibt es viele Quellen von Verlust, und die Diode Modelle, die für eine höhere Effizienz Geräte erfolgreich sind nicht zuverlässig. Daher ist es bevorzugt, R s und R sh durch eine robuste Technik zu extrahieren. Obwohl die resultierenden Werte möglicherweise nicht mehr genau, die trends noch instruktiv und kann verwendet werden, um die Entwicklung zu führen. Die Daten in Abbildung 8 Bestätigen Sie, dass Widerstand Shunt ist eine wichtige Quelle von Verlust. Dies zeigt sich am deutlichsten in der steigenden Trend in FF (R sh) gesehen werden. Die Daten zeigen, dass in der gegenwärtigen Phase der Geräteentwicklung, der Nebenschlußwiderstand muss größer für Effizienzgewinne aus anderen Prozessverbesserungen beibehalten werden, als etwa 200 Ω cm 2, um offensichtlich zu werden. R s wird nicht auf die hier berichtet Geräte beschränken. Die Werte für R s sind typischerweise 0,5 Ω cm 2 und nur selten mehr als 1 Ω wagen cm2.

Ergebnisse für einen Vertreter "Baseline" ALD-grown Probe wie oben beschrieben, sind in 9 gezeigt. Die ALD-Geräte zeigen eine bessere Leistung als die TE-Geräte, mit dem besten Gerät zeigt 4,6% Effizienz. Neben den verschiedenen SnS Wachstumstechniken, die two Herstellungsverfahren unterscheiden sich in der SnS Oberflächenpassivierung durch Oxidation. Darüber hinaus werden die Proben an das Labor TE Luft zwischen das Filmwachstum und Glühen ausgesetzt wird, während die ALD Proben werden in der Wachstumskammer getempert ohne Luftpause. Die ALD gewachsenen Proben scheinen leiden weniger unter Nebenwiderstand Verluste als die TE-grown Proben. Der Grund für diesen Unterschied ist nicht bekannt. Es ist möglich, dass die ALD von SnS Filme sind kompakter, aufgrund der selbstbeschränkenden Wachstumsmodus und langsame Wachstumsrate, als die TE gewachsenen Filme.

Die zertifizierten Gerätetests sind in Abbildung 10 wiedergegeben. 9,10 Auf der linken Seite wird die zertifizierten Aufnahmegerät unter Verwendung eines ALD gewachsenen SnS Schicht gezeigt. Die zertifizierte Effizienz für diese Probe war 4,36%, und Geräte bis zu 4,54% effizienter gemessen worden mit dem gleichen Herstellungsverfahren. Auf der rechten Seite wird die zertifizierten Aufnahmegerät mit einem TE-grown SnS Schicht gezeigt. Die zertifizierte Effizienz für diese Probewar 3,88%, und die Geräte bis zu 4,1% wurden mit dem gleichen Verfahren gemessen. Man beachte, daß die 3,88% zertifiziert Prüfergebnis gut innerhalb der für die gleiche Probe, für welche der Mittelwert ± Standardabweichung von 3,5% ± 0,4%, wie in 7 gezeigt gemessen Bereichs.

Abbildung 11 zeigt die Ergebnisse, die die Stabilität des TE-grown SnS Solarzellen in Umgebungsbedingungen. Für ausgewählte Proben J - V-Tests wurden vor und nach der Lagerung für bis zu 11 Monate durchgeführt. Die Proben wurden an der Luft gelagert und auf Umgebungslicht ohne Einkapselung belichtet. Alle vier in 11 gezeigten Proben wurden etwas anders verarbeitet als das Verfahren hier berichteten; dies ist aus historischen Gründen, und es gibt keinen Grund zu glauben, dass die hier berichtet Geräte würden verschiedene Stabilitätseigenschaften haben. Die Verarbeitungsunterschiede sind in der Figur Beschriftung für das Variieren performanc beschrieben, und sie berücksichtigene der Geräte. Der wichtigste Punkt ist, dass minimale Verschlechterung wird über ein Jahr beobachtet. Es bleibt abzuwarten, wie SnS Solarzellen würden mehr beschleunigte Lebensdauertests, wie beispielsweise feuchte Hitze oder längeren Vollspektrum-Beleuchtung zu überleben.

Abbildung 1
Abbildung 1: Geräte-Herstellungsprozess. Enumeration des Herstellungsprozesses Gerät, von dem Substrat Schneid (# 1, unten) zur Metallisierung (# 9, oben).

Figur 2
Abbildung 2. Atomlagenabscheidung (ALD) Systemübersicht. (Top) ALD-System schematische Zeichnung. (Seitenende) ALD-System Foto mit kritischen Komponenten nummeriert und beschriftet. Dieses System kann SnS Abscheidung, SnS Glühen durchzuführen, und Pufferschichtabscheidung und sitzt im Gordauf Gruppe an der Harvard University. Es besteht aus einem Heißwandabscheidungsrohr, zwei Öfen verwendet, um Vorläufer speichern, liefern Gas und Steuersystem, Temperatursteuersystem und einem mechanischen Drehschiebervakuumpumpe. Der Substrathalter kann setzen höchstens acht 1 "x 1" quadratische Substrate. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. thermisches Verdampfen (TE) Systemübersicht. Kritische Komponenten sind nummeriert und beschriftet. Dieses System ist gewidmet SnS Abscheidung und sitzt in der Buonassisi Gruppe am MIT. Das System besteht aus einer Prozesskammer und eine Ladeschleuse. Die Prozesskammer ist in der Regel im Hochvakuum (1 × 10 -8 Torr) gehalten und umfasst einen shutSubstratStufe mitProbenrotation und Strahlungsheizung und shuttered Effusionszelle für Quelle Verdunstung. Die Kammer hat auch einen einziehbaren Quarzkristall-Monitor (QCM) unmittelbar unterhalb der Substratplatte angeordnet ist, um Wachstum zu messen, und ein Pyrometer zur Substrattemperatur zu messen. Kommerziell erworben SnS Pulver wird für den Vorläufer verwendet wird, mit einer zuvor beschriebenen thermischen Vorbehandlung. 9: Die Substratplatte besitzt eine große Vorrichtungssubstrat (1 × 1 in 2) und einem kleineren Substrat (1 × 1/3 in 2), ist, für SnS Film Messungen verwendet. Die Entfernung von dem Substrat zu der Quelle Öffnung ist 10 cm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 4
Abbildung 4. Metallisierungsmuster und Beispielfoto. & # 160; Die Zeichnung links zeigt die Metallisierungsmuster für 0,25 cm 2 Geräte. Zur Klarheit der TCO-Bilanz auf nur eine Vorrichtung skizziert. Ebenfalls dargestellt ist die Lage der größeren TCO Pad, für optische Messungen des Reflexionsvermögens verwendet wird. Das Foto rechts zeigt eine echte Probe mit TE-grown SnS. Die zerkratzt, auf der linken Seite bietet Kontakt zu dem zugrunde liegenden Mo-Schicht für die Prüfung. Foto:. KJ Wang Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 5
Abbildung 5. Gerätetests mit Testkarte. Dieser Top-down-Bild zeigt eine Probe auf dem Teststation Futter mit mehreren Geräten gleichzeitig mit dem benutzerdefinierten Sondenkarte in Kontakt montiert. Nur die Hälfte der Probe in diesem Bild sichtbar.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 6
Abbildung 6. J - V-Tests für Geräte auf zwei verschiedenen "Baseline" TE Proben. Zur Verdeutlichung sind alle 12 Geräte an einem gegebenen Probe in der gleichen Farbe (grau oder rot) aufgetragen. Ebenfalls aufgetragen sind repräsentativ J - V Umschläge (Mittelwert ± Standardfehler) für alle Geräte auf jeder Probe, wie im Text beschrieben. Diese Messungen wurden ohne einen Bereich definierende Lichtöffnung durchgeführt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

. Je 11 Geräten zur "SnS140203F" (oben) und "SnS140306H" (unten) - - Abbildung 7. Solarzellen Prüfparameter für zwei Grundlinie TE Proben Die Testergebnisse werden in einer einzigen Zeile für jedes Gerät geprüft aufgetragen, um Zusammenhänge deutlicher . Über jedem Grundstück wird berichtet, das beste, Mittelwert, Standardabweichung (SD) und Standardfehler (SE) für jede Verteilung. Man beachte, dass der beste V oc (zum Beispiel) ist der höchste gemessene V oc, nicht die V oc der effizientesten Gerät. Diese Messungen wurden ohne einen Bereich definierende Lichtöffnung durchgeführt werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

8
Abbildung 8. S eries und Shunt-Widerstand multivariate Grundstücke für zwei Grundlinie TE Proben. Die dargestellten Geräte sind gleich in Zahlen 6-7 berichtet. Die Reihe (R s) und Shunt (R sh) Widerstände werden berechnet, wie im Text beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

9
Abbildung 9. JV Tests und Testparameter für einen Ausgangswert ALD Probe. (Top) Die JV Kurven zeigen gute Spitzenleistung, aber einige Geräte leiden deutlich von niedrigen Shunt-Widerstand. (Seitenende) Die Testparameter zeigen eine starke Korrelation zwischen Effizienz und der FF, im Einklang mit Shunt-Widerstand Verluste. Diese Messungen wurden ohne einen Bereich definierende Lichtöffnung durchgeführt..jove.com / files / ftp_upload / 52.705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

10
Abbildung 10. Certification Ergebnisse für ALD- und TE-grown-Geräte. Certification von der PV-Leistung Charakterisierung Team des National Renewable Energy Laboratory, USA durchgeführt. (Links) Die ALD zertifiziert Datensatz ist 4,36%, wie in Sinsermsuksakul et al. 10 (rechts) Die TE zertifiziert Datensatz ist 3,88%, wie in der Steinmann et al. 9 Klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

11
Abbildung 11. Langzeit stakeit SnS Solarzellen J -. V Tests von Proben, die wiederholt über einen Zeitraum von fast einem Jahr gemessen wurden, während sie in der Luft gelagert ist und mit Umgebungslicht ohne Einkapselung belichtet. Für jede Platte die schwarzen Kurven zeigen die Anfangsmessung, die roten Kurven zeigen die Nachmessung und gestrichelten Kurven zeigen. Die dünnen Linien zeigen das beste Gerät für jeden Test, und die dicken Kurven sind repräsentativ J - V Umschläge (Durchschnitt ± Standardabweichung) für alle Geräte an jeder Probe, wie im Text beschrieben. Alle vier Felder zeigen TE gewachsenen Proben, wie in diesem Manuskript außer den folgenden Unterschieden verarbeitet wurden: (a) Kein H 2 S Glühschritt. (B) Thinner Absorberschicht, 650 nm dick; kein H 2 S Glühschritt; Lufteinwirkung bei 200 ° C für 30 min durchgeführt. (C) Thinner Absorberschicht, 650 nm dick; kein H 2 S Glühschritt; Pufferschicht with höheren Schwefelgehalt und keine Stickstoffdotierung. (D) Entspiegelung auf der Oberseite des Gerätestapel abgelegt. Die Zeit zwischen den Messungen betrug 50 Wochen 48 Wochen 48 Wochen und 28 Wochen für die Platten a, b, c und d sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

12
Figur 12 Bildliche Darstellung der räumlichen Ungleichmßigkeit über zwei Basis TE Proben. Die Ergebnisse sind die gleichen wie in Abbildung 6-8 angegeben. Es gibt 11 Geräte an jeder Probe, und jede Vorrichtung ist die Farbe entsprechend dem gemessenen Wirkungsgrad codiert; die Farbtabelle die gleiche ist für beide Proben. Schwarz-Weiß-Schraffur bedeutet entweder, daß das Gerät nicht gemessen wurde, oder kein Gerät vorhanden ist (als eine Ecke jeder Probe).

13
Abbildung 13 gezeigten Beispiel der Hypothesentests in Gegenwart von gemeinsamen Sache Varianz. Fiktiver Charakter Angela und Nessi separat testen die Hypothese, dass Verfahren B ergeben eine höhere Effizienz von Solarzellen als Prozess A. Angela hat überlegene Prozesskontrolle, sondern einen etwas niedrigeren Wirkungsgrad als Ausgangswert Nessi. (A, D, G) Wahre Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Angela und Nessi die Ergebnisse. (B, E, H) Einzelmessungen. (C, F, I) gemessen Verteilungen. Mit nur 6 Proben kann Angela die Nullhypothese verwerfen aber Nessi nicht. Siehe Text für volle Beschreibung. Bitte klicken Sie hier, um zu seheneine größere Version der Figur.

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Discussion

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Substratreinigungs Auswahl

Oxidierte Si-Wafer als Substrate verwendet werden. Die Substrate der mechanische Träger für die resultierenden Solarzellen und ihrer elektrischen Eigenschaften sind nicht wichtig. Si-Wafer werden auf Glas bevorzugt, da im Handel erworben Si-Wafern sind in der Regel sauberer als im Handel erworben Glaswafer und das spart Zeit bei der Substratreinigung. Si-Substrate haben auch eine höhere thermische Leitfähigkeit als Glas, das zu einer gleichmäßigeren Erwärmung während Wachstum und Tempern führt. Mit im Handel erworben Glaswafer wurde gefunden, dass es notwendig war, um die Substrate mit Reinigungsmittel, einschließlich einer manuellen Unebenheit mit behandschuhten Fingern gefolgt von einem warmen Ultraschallbad zu reinigen, um alle sichtbaren Spuren von Verunreinigungen zu entfernen, und auch dann nicht konnte Substrat Sauberkeit gewährleistet werden. Es wurde experimentell bestätigt, daß die Auswahl aus Glas oder Si-Substrate hat keine Auswirkungen auf die Leistung der Vorrichtung. However wurde dieser Vergleich durchgeführt mit Geräte waren in der 2% - 3% effizienter Bereich und wiederholte Vergleiche lohnen, wie der Bezugseffizienz verbessert.

In der Regel 10 oder mehr Substrate werden in einer Zeit mit einer benutzerdefinierten konzipiert Quarzwaferträger gereinigt. Dies ergibt mehr reproduzierbare Ergebnisse als Handhabung von Wafern einzeln mit einer Pinzette.

Mo-Sputtern

Es wurde beschlossen, als Kauf Mo-beschichtete Substrate eher Hinterlegung der Mo Rückkontakt (die Kathode) im eigenen Haus nach enttäuschenden Ergebnisse wurden mit den zur Verfügung von mehreren verschiedenen Anbietern Substraten erhalten. Mit gekauften Substrate (zerstäubt Mo auf Glas) Probleme wurden mit Sauberkeit, Delamination oder beides begegnet. Die Mo-Schicht wird durch DC-Magnetron-Sputtern in zwei Schichten, eine für die Haftung an der Si / SiO 2 -Substrat und einem für hohe Leitfähigkeit aufgebracht, entsprechend der Ergebnisse herausgegebenScofield e t al. 13

Typische Mo Filme 720 nm dick mit einem Flächenwiderstand von etwa 1 Ω / sq. Der Flächenwiderstand wird auf einem Opfersubstrat unter Verwendung eines Vierpunkt-Sondensystem nach jedem Mo Wachstumslauf gemessen. Darüber hinaus wird die Haftung auf dem Substrat unter Verwendung einer Skalpellklinge getestet. Gut haftende Filme zu widerstehen Kratzer von Hand mit einem Skalpell zu moderaten Druck ohne de-Laminieren. Schlecht eingehalten Filme de-Laminat mit nur leichtem Druck. Es wurde beobachtet, daß eine kurze Substrat Plasmareinigungsschritt in der Sputterkammer vor Mo Wachstum ist wichtig, eine gute Haftung zu erzielen. Typische Parameter für diesen Reinigungsschritt sind 20 mTorr Ar, 20 W HF und 60 Sek.

SnS Wachstum durch thermische Verdampfung

SnS aus Ausgangspulver mit einem handels gekauft niedriger Temperatur Effusionszelle mit pyrolytischem Bornitrid-Tiegel mit volu verdampftme 32 cm 3. Wenn die Quelle zum ersten Mal geladen wird, ist es ein feines Pulver und dunkelgraue Farbe. Typischerweise 3 4 g Pulver geladen wird. Mit neuen Vorratspulver ist die Quellentemperatur etwa 540 ° C, um eine Wachstumsrate von 1 Å / s auf ein Substrat auf 240 ° C erwärmt zu halten. Mit einer zunehmenden Anzahl von Wachstums verläuft, muß die Quellentemperatur erhöht, um eine konstante Wachstumsrate aufrechtzuerhalten. Wenn die erforderliche Quellentemperatur 610 ° C erreicht, wird das Pulver ausgetauscht.

Eng verbunden mit der Quellentemperatur verbunden ist die Frage der SnS Flocken. Wenn die Wachstumsrate auf mehr als 10 Å / s erhöht wird, kann große SnS Flocken in dem wachsenden Film zu beobachten. Es ist nicht bekannt, ob diese aus der Hauptquelle oder aus Sekundärquellen, wie beispielsweise der Effusionszelle Ummantelung oder der Quellenverschluß.

Eine bemerkenswerte Beobachtung ist, dass, wenn eine Partie von Ausgangspulver erschöpft ist es hinter einem weißen, porösen Rückstände hinterlässtam Boden des Tiegels. Röntgenbeugung bestätigt, dass dies SnO 2. Das Gewicht dieses Rückstandes ist in der Regel 0,01 g.

SnS Wachstum von ALD

Ein kritischer Parameter in diesem Vorgang ist der Druck des Stickstoffträgergases, die dem Sn (amd) 2 Vorläufers fließt. Der Druck wird in der Nähe von 250 Torr gehalten wird, sondern kann ein wenig von Zeit zu Zeit variieren. Da das Volumenverhältnis des Sn (amd) 2 Vorläufer Gasspüler und N 2 Gasfalle 5: 1 ist, ist der Druck in dem Blasen etwa 50 Torr. Wenn dieser Wert zu groß wird, wird die Verdampfung von Sn Vorstufe erheblich unterdrückt werden. Andererseits, wenn der Druck innerhalb der Waschflasche zu klein ist, würde es nicht eine ausreichende Druckabfall zwischen dem Gasspüler und der Reaktionsofen auf eine glatte Gasstrom zu ermöglichen (die einen Druck von ~ 10 Torr aufweist) sein. Eines dieser Szenarien unzureichender Sn Vorläufer in der AL führenD Reaktion. Ein Hinweis auf dieses Problem ist, dass die Filmdicke in der Nähe des Auslasses des Reaktionsofens ist wesentlich dünner als die in der Nähe der Einlass. Während jeder der Abscheidung wird der Druck innerhalb des Reaktors überwacht wird, um sicherzustellen, dass die Systemdruck im richtigen Bereich zu sitzen.

Um eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Reaktionszone zu gewährleisten, sind der Einlaß und Auslaß des Heißwand-Niederschlagsrohres mit Heizbändern umwickelt. Unter den Heizleitungen sind ein Paar von Thermoelementen eingeschoben, um die Temperatur zu messen. Eine nicht-gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb der Reaktionszone wird auf verschiedene SnS Filmmorphologien bei verschiedenen Bereichen führen. Bei höheren Abscheidungstemperatur, neigen Folien rauer sein und haben eine hellere Farbe. Bei niedrigen Temperaturen unter 200 ° C, haben eine Schicht eine höhere Reflektivität als mit dem Auge überprüft werden.

SnS Glühen in einer H 2 S-Rohrofen </ P>

Der Zweck der Glühschritt die Morphologie, Kristallinität und elektrischen Eigenschaften der SnS Filme optimieren. Für die TE-grown Solarzellen wird der Wärmebehandlungsschritt in einem speziellen Röhrenofen durchgeführt. Diese Quarzrohrofen 2 "Durchmesser ist in der Lage fließende Mischungen aus 4% H 2 S (Rest N 2), 4% H 2 (Rest N 2), reines N 2 und reinem Ar. Temperaturen werden durch externe Nichrome Heizelemente gesteuert und unter Verwendung eines Quarz ummantelten Thermoelement in der heißen Zone überwacht. Gas wird unter Verwendung einer Ölpumpe mit inerten Öl gefüllt evakuiert. Dichtungen werden unter Verwendung von H 2 S-beständigen Elastomeren. Typische Basisdruck beträgt 8 20 mTorr.

Die Glühtemperatur von 400 ° C ein Gleichgewicht zwischen der Sekundärkornwachstum und Filmwiederverdampfung. Im Prinzip könnten höhere Glühtemperatur vorteilhaft für die Leistung der Vorrichtung und könnte ohne signifikante fi erreicht werdenlm Verlust durch höhere Ofendruck. Dies ist der Gegenstand von aktiven Untersuchung.

SnS Oberflächenpassivierung mit einer nativen Oxids

Der Zweck der Passivierung Schritt ist, die Dichte der elektronischen Trapzustände am Verbindungspunkt zwischen dem Absorber und der Pufferschichten zu reduzieren und um als Diffusionsbarriere zu dienen, unerwünschte Vermischung der Bestandteile des Absorbers und Pufferschichten zu verhindern. 14. Es hat wurde beobachtet, dass Proben mit diesem Oxidationsschritt verarbeitet haben höhere VOC-Werte als Proben wird nicht.

Zu diesem Zeitpunkt wird der Oxidationsschritt wurde nicht ausführlich untersucht und wird wahrscheinlich nicht optimiert. Verwendung von Röntgenphotoelektronenspektroskopie Ergebnisse (nicht gezeigt) wird geschätzt, dass das Oxid sollte weniger als 1 nm dick für gute Leistung und Stromsperr vermeiden.

Abscheidung der transparenten CondUCting Oxid (TCO), Indiumzinnoxid (ITO)

Vor dieser Stelle darauf geachtet wird, die Gesamtluft Exposition der Proben bei jedem Schritt steuern. Nachdem jedoch der Pufferschichtabscheidung Lufteinwirkung nicht mehr begrenzt, und die Proben werden gespeichert und in der Luft transportiert werden.

Vor diesem Zeitpunkt sind alle Abscheidungen wurde "blanket" Filme, die das gesamte Substrat. Von diesem Punkt an Abscheidungen strukturiert, um einzelne Vorrichtungen zu definieren. Sowohl für die ITO und Metallisierungsschritte die Ablagerungen werden mit lasergeschnittenen Metallschattenmasken definiert. Für die ITO Abscheidung ist es sehr wichtig, dass die Fläche des abgelagerten Pad scharf von der Lochmaske definiert ist. Wenn der Bereich nicht scharf definiert sind, zum Beispiel aufgrund von Durchbiegen der Maske in dem Maskenausrichter, dann ist die aktive Fläche der resultierenden Vorrichtungen wesentlich größer als die Nenngröße von 0,25 cm 2 betragen. Dies kann zu fehlerhaften Über Repo führenrting der Stromdichte.

Metallisierung

Das Metallisierungsmuster soll die Beleuchtungsfleck der Quanteneffizienz Messwerkzeug zu ermöglichen, vollständig auf der ITO ohne Überlappung mit dem Metall fallen. Diese Einschränkung ergibt 2 Fingern getrennt von 1,5 mm, die jeweils 7 mm lang, und eine 1 x 1 mm 2 Kontaktstelle, siehe Abbildung 4. Dieses Muster nicht optimal von einem Gerät-Performance-Gesichtspunkten ist. Ein Muster für die Geräteleistung optimiert würde mehrere Finger mit kleineren Abstand zu verwenden.

Ag hat für TE-gewachsenen Zellen verwendet und Ni / Al für ALD-gewachsenen Zellen verwendet. Diese Einteilung ist historisch und wird nicht in einem experimentellen Ergebnis geerdet. Es ist möglich, daß Ni / Al überlegene Korrosionsbeständigkeit bei längeren Lagerzeiten. In der Tat wurde beobachtet, dass Ag Kontakte haben eine Tendenz, bei längerer Lagerung an der Luft korrodiert (zum example, länger als ein Jahr).

Bauteilcharakterisierung

("- V J") Messungen gesammelt und externe Quanteneffizienz (EQE) Messungen mit und ohne weißes Licht und Vorspannung gesammelt Fertige Geräte werden mit Strom-Spannung aus. To-date-Solarzellen haben, indem Sie einzelne Geräte ein-at-a-time, mit Sondenmikromanipulatoren in einer typischen Sonde Stationskonfiguration gemessen. Sonnensimulator und EQE Systeme physisch getrennt, so dass für jede Messung die Probe benötigt, um wieder in Kontakt gebracht werden. 5 Stunden zu messen J - - auf alle 11 Geräte V und EQE Dadurch wäre es etwa 4 zu nehmen.

Eine integrierte Hochdurchsatz-Teststation, die J verbindet - V und EQE mit einem einzigen Testträgerplatte und einem Mess-Platte, die Kontakte alle Geräte gleichzeitig wurde vor kurzem am MIT installiert, siehe Bildure 5. Die elektrischen Anschlüsse werden durch einen programmierbaren Multiplexer gesteuert wird und der motorisierten XY Einspannbühne ist computergesteuert. Auf diese Weise, J - V und EQE Messungen können nacheinander auf alle 11 Geräte in weniger als 1 h durchgeführt werden.

Für Routinegerät testet eine Fläche definierenden Lichtblende wird nicht verwendet. Deshalb ist die aktive Bauelementfläche möglicherweise unterschätzt werden, was zu überschätzt der Stromdichte. Doch eine Öffnung wird durch die Zertifizierung Labors, was häufig zu niedrigeren Wirkungsgraden (siehe Figuren 7, 9 und 10). Verwendung eines flächendefinierenden Lichtöffnung ist immer wünschenswert, aber für Routinetests wird es häufig aufgrund von praktischen Problemen wie den physikalischen Kontakt mit der Oberseite der Probe zu minimieren, vernachlässigt. Systematische Fehler aufgrund unterschätzen den aktiven Gerätebereich kann durch den Einsatz größerer Bauteilbereichen gemildert werden. Für die hier beschriebene Arbeit, die eher klein (0,25 cm 2) wurde als Größe für die Bühnentechnik Entwicklung frühzeitig geeignete gewählt (in früheren Stadien eine noch kleinere Geräte von 0,03 cm 2 ohne Metallisierung verwendet wurde). Nun, da die Vorrichtungen in dem Bereich von 4% effizient und reproduzierbar sind, ist es wert Erhöhung zu einer Größe von 1 cm 2 oder mehr.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen, gelegentlich Proben Standardcharakterisierungstechniken werden auch getestet, unter Verwendung von Techniken, einschließlich temperaturabhängigen J - V, Suns- V OC, Kapazitäts-Spannungs-Profiling und Lock-In-Thermographie. Diese Techniken werden verwendet, um zu verstehen und zu quantifizieren spezifische Verlustmechanismen wie Grenzflächenrekombination und Serienwiderstandsverluste.

Die Bedeutung des Teilens Bauelementherstellung Protokolle

In Veröffentlichungen zu anorganischen Dünnschicht-PV die Ergebnisse der Gerätetests sind nie (mit Erfahrung) von s begleitetufficient experimentelle Details, um das Experiment zu reproduzieren. Diese Situation führt zu unnötigen Frust bei einzelnen Forschern, und behindert den Fortschritt des gesamten Feldes. Diese Situation macht es auch schwierig, die hierin die von anderen Forschergruppen beschriebenen Verfahren zu vergleichen. Die in dieser Handschrift beschriebenen Techniken wurden mit Hilfe von zahlreichen Gesprächen mit Forschern in Dünnschicht-PV (vor allem in den USA) entwickelt, und eine Menge von Versuch und Irrtum. Die Autoren hoffen, dass diese Arbeit hilft anderen unnötige Frustrationen und einen Präzedenzfall für weitere Einzelheiten berichten experimenteller Methoden in Dünnschicht-PV-Sets.

Zukünftige Anwendungen der beschriebenen Protokoll

Das hierin beschriebene Protokoll wird verwendet, um ein "Basis" SnS Solarzelle herzustellen. Die wichtigste Eigenschaft eines Baseline-Herstellungsprotokoll ist Wiederholbarkeit; die absolute Effizienz Zahl ist weniger wichtig. ICHn Erfahrung der Autoren, ist die Wiederholbarkeit der Schlüssel-Attribut, das laufende Forschung ermöglichen, die Effizienz zu verbessern, beispielsweise durch die Verbesserung der Oberflächenpassivierung oder Verringerung Großdefektdichte wird. Ohne eine wiederholbare Basisprotokoll es extrem schwierig ist, die Auswirkungen von Änderungen in der Herstellungsprotokoll zu beurteilen. Diese ist voll im folgenden Abschnitt auf Hypothesentests beschrieben.

Aktuelle und zukünftige Arbeiten an SnS Solarzellen wird die Baseline-Protokoll nutzen, hier beschrieben, um die einzelnen Herstellungsschritte mit dem Ziel der Erhöhung der Effizienz der Geräte zu optimieren. Von besonderem Interesse sind die H 2 S Glühen und die Oberflächenpassivierschritte, da diese direkt in der Masse des Absorbers und an der p Auswirkungen auf die Defektdichte - n-Übergang.

Daten Ensembles ermöglichen Hypothesentests

In einem Bereich, der Champion Effizienz vergöttert, ist es verlockend, übersehen das Ensemble - die> 99% (nicht-Champion) Geräte - und die praktischen Informationen der ERGO. Dieser Abschnitt motiviert Ensemble Datenanalyse und stellt einfache Ansätze zur Visualisierung und Extraktion nützliche Erkenntnisse aus ensemble Daten. Es wird vorausgesetzt, dass der Leser über ein funktionierendes Verständnis der Versuchsstatistik (Hypothesentests) und ist bequem Berechnung einer Gauß-Verteilung, Standardabweichung, Standardfehler und 95% Konfidenzintervall für einen bestimmten Datensatz.

Einfach ausgedrückt, ist Ensemble Datenanalyse die Untersuchung der Variabilität, die bei reduzierten, ermöglicht eine bessere Hypothesentests. Variabilität, umgangssprachlich "Lärm", verschleiert die während hypothesengeleitet Verfahrenstechnik und der wissenschaftlichen Forschung "Signal". Als Rauschen zunimmt, werden weitere Versuche gemacht ergebnislos. Schlüssig Experimente sind eine Verschwendung von Zeit, Ressourcen und Optimismus. Ensemble Daten können helfen, die Variabilität zu reduzieren auf zwei Arten:

Zuerst Ensemble Daten zeigen Prozessungleichförmigkeiten in Raum und Zeit. Diese Art der Variabilität ist systematisch (z. B. durch Temperatur- oder Strömungsrate-Gradienten innerhalb eines bestimmten Dünnschichtabscheidungskammer verursacht wird), wobei eine klare räumlich aufgelöstes Muster von Leistungsschwankungen, die von Figur 12 veranschaulicht. Der räumliche oder zeitliche Variation verkörpert den "Fingerabdruck" des betreffenden Prozessschritt. In-situ kann Messtechnik und Kontrollproben zu identifizieren und zu beheben Quellen der systematischen Prozessvariabilität.

Zweitens Ensemble Daten zeigen, "Glück-of-the-draw" oder "gemeinsamer Ursache" Varianz, also statistischen Variabilität, die alle Elemente Ensemble gleichermaßen betrifft. Diese Variabilität ist schwieriger zu behandeln, weil es das Gesamtergebnis von mehreren gekoppelten Verarbeitungsschritte. Gemeinsamer Ursache Varianz kann am besten durch strenge Prozesskontrollen minimiert werdenund Standardarbeitsanweisungen bei jedem Schritt - zugegebenermaßen eine herausfordernde Aussage in einer sich schnell verändernden und minimal besetzt akademischen Umfeld. Dennoch ist die folgende Übung zeigt, warum die Verringerung gemeinsamer Ursache Varianz ist unerlässlich.

Die Auswirkungen gemeinsamer Ursache Varianz Beispiel: Ein freundliches, fiktive wissenschaftlichen Wettbewerb zwischen Dr. Sorgfältige und Dr. Messy: Angela und Nessi sind Forscher aus zwei verschiedenen Laboratorien. Sie werden in einem freundlichen wissenschaftlichen Wettbewerb stehen, um die Hypothese, dass die Verfahren B erzeugt bessere Geräte als eine allgemein anerkannte Grundlinie Prozess A. Beide Forscher verwenden eine Standard-Hypothese-Testverfahren, die davon ausgeht, dass gemeinsamer Ursache Varianz ergibt Gaussian Effizienzverteilungen (testen repräsentativer statistischer Verteilungsfunktionen umfassen log-normal für Ausschüttungen ohne Ausreißer, und je mehr statistisch robust log-Cauchy-Lorenz-Ausschüttungen mit starken outliers).

Angela ist mit ihren Kollegen als "Dr. Sorgfältige. "Sie ist bestrebt, Prozessvariabilität reduzieren. Angela nicht ihr beakerware mit anderen zu teilen, beschäftigt Kammer Vorkonditionierung Routinen vor Dünnschichtabscheidung, umfasst Kontrollproben bei jedem Herstellungslauf und zieht IC-grade Silizium-Substraten mit thermischem Oxid Flächen anstatt der variable Glasflächen. Sie produziert Basislinie (Verfahren A) Geräte mit "true" (dh., Ist) bedeuten Effizienz von 10% und eine wahre Standardabweichung true) von 0,5%. Bauelementherstellung und Messungen sind zeitaufwendig, und sie ist nur in der Lage herzustellen und zu messen sechs Geräte (N = 6) pro Prozess.

In einem anderen Labor ist Nessi hart an der Arbeit. Um ihre Kollegen, ist Nessi als "Dr. Messy. "Ihre Fertigung und Messanlagen werden in einem gemeinsam genutzten Anlage entfernt. Wenn sie an der Reihe ist,, sie zu benutzen, sie die notwendigen Vorkehrungen nicht berücksichtigt werden, um niedrige gemeinsamer Ursache Varianz zu gewährleisten. Aber wegen ihrer Nachlässigkeit, ist ihre wahre Standardabweichung von 1,5% absolute (3 x größer als Angelas). Diese höhere σ wahr spiegelt weniger gut kontrollierten experimentellen Bedingungen. , Denn Nessi verwendet höherer Reinheit Ausgangsmaterialien, ihre Grundlinie Prozess A erzielt jedoch eine wahre Mittelwert von 10,6%. Nessi fertigt und Maßnahmen N = 6 Geräte pro Prozess.

Nehmen wir an, Verfahren B verbessert "true" Geräteeffizienz um 10% relativ (dh verbessert die 10% bis 11%;. 10,6% verbessert sich auf 11,7%). Sowohl Angela und Nessi gelten die zentralen Grenzwertsatz an die N = 6 Geräte, die sie jeweils zu fertigen, wie in Abbildung 13 dargestellt Beachten Sie, dass die "wahre" Distributionen (13A, D, G) mit den Forschern verborgen. sie ihre experimentellen Daten nur zu beobachten (Abbildungs 13B, E, H) und der resultierende Gaussian passt, Standardfehler und Konfidenzintervall (1C, F, I).

Auf der einen Seite ermöglicht Angelas strengere Prozesskontrolle (niedrigere Variabilität kleiner σ true) ihr die Nullhypothese zurückweisen, den Abschluss mit> 95%, dass Verfahren B ist besser als Verfahren A (Abbildung 13C). Auf der anderen Seite, Nessi, der höher σ wahr ist, kann nicht feststellen, dass Verfahren B ist besser als Verfahren A (13F) mit N = 6. Auch wenn Nessi hat das Glück, zwei Geräte mit Wirkungsgraden, die höher als alle Angelas sind zu machen (13B, E), Angela ist das Rennen zu gewinnen, um die wissenschaftliche Arbeit, die die Art und Weise ihr Gebiet denkt Prozess B. revolutionieren veröffentlichen

Nessi erkennt, dass sie braucht, um ihre Vertrauensbereiche zu erhöhen, was ihr benötigt, um sie zu reduzierenStandardmessfehler (SE), dh.,

Gleichung 2 . [1]

Nessi können verfolgen einen von zwei Ansätzen zu entsprechen Angelas 3 x kleiner SE: Nessi können reduzieren ihre wahre Variabilität o) um einen Faktor von 3, oder erhöhen N um den Faktor 3 2 = 9. Nessi erhält Zugang zu einem Hoch Durchgerätemessvorrichtung, die Erhöhung um 9 × N. Diese Verbesserung gleicht ihr 3 x höhere Prozessvariabilität, und sie in der Lage, einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen den Verfahren A und B zu erkennen, die Zurückweisung der Null-Hypothese mit> 95% Sicherheit (Abbildung 13I) ist. Sie ist wieder im Rennen für die Veröffentlichung.

Höhere Wirkungsgrade Baseline zu erhöhen die Chancen auf erfolgreiche Hypothesentests: Die Konzentration auf die Gleichung für die SE (Gleichung 1), ist zu sehen,wie Erhöhung der Baseline-Performance erhöht die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Hypothesentests. Wenn das oben erwähnte Verfahren B wurden auf einem 5% Effizienz Basiseinrichtung anstelle von 10% geprüft, würde die absolute Effizienzverbesserung nur 0,5% anstelle von 1% liegen. Vorausgesetzt σ o unverändert ist, die minimale Anzahl von Proben erforderlich, um die Null-Hypothese um 4 × abzulehnen. Somit verbessert Basisgeräteleistung die gleiche mathematische Wirkung als Reduktions σ, dh., Eine 1-zu-1-Verbesserung Konfidenzintervalle.

Schlusswort: Reduzierung Standardfehler ist wichtig, um das Risiko von ergebnislosen Hypothesentests zu minimieren. Standardfehler kann durch eine Verringerung der Common-Cause-Varianz, manifest in σ o, die in einer 1-zu-1-Reduzierung SE führt zu reduzieren. Die Verbesserung der Baseline-Performance hat die gleiche Wirkung. Man kann auch zu erhöhen Probengröße N, aber dies wird ein schwaches habener Auswirkungen auf die SE wegen der Quadratwurzel (niedrigsten N erhöht auch das Risiko von systematischen Variation).

Die Bedeutung der Anwendung Versuchsstatistik ist weit verbreitet in Biologie und Physik (vgl stehenden Statistiken Komitees aller Hochenergie-Experimente) akzeptiert. 15 Um die Qualität der Daten, die Berichterstattung in PV zu verbessern, ist es empfehlenswert, dass die Forscher ihr Augenmerk auf die 99% der Geräte, die sie herzustellen, und zu verabschieden Hypothesentests mit Daten Ensembles.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Die Autoren bedanken sich bei Paul Ciszek und Keith Emery für zertifizierte JV Messungen danken vom National Renewable Energy Laboratory (NREL), Brandt Riley (MIT) für die Photoelektronenspektroskopie-Messungen und Jeff Cotter (ASU) für die Inspiration für das Testen von Hypothesen Abschnitt. Diese Arbeit wird durch das US-Energieministerium durch die SunShot Initiative unter Vertrag DE-EE0005329, und der Robert Bosch LLC durch die Bosch Energy Research Netzwerk unter Gewährung 02.20.MC11 unterstützt. V. Steinmann, R. Jaramillo und K. Hartman erkennen die Unterstützung, die Alexander von Humboldt-Stiftung, ein DOE EERE Postdoctoral Research Award und Intel PhD Fellowship sind. Diese Arbeit nutzten das Center for Nanoscale Systems an der Harvard University, die von der National Science Foundation unter award ECS-0335765 unterstützt wird.

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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Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und 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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