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Engineering

Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e Atomic Layer Deposition

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Tin solfuro (SNS) è un materiale assorbente candidato per la Terra-abbondanti celle solari non tossici,. SnS offre un controllo di fase semplice e rapida crescita da congruenti evaporazione termica, ed assorbe la luce visibile fortemente. Tuttavia, per lungo tempo l'efficienza di conversione di potenza record di celle solari SnS rimasto inferiore al 2%. Recentemente abbiamo dimostrato nuovi livelli di efficienza record di certificati di 4,36% con SnS depositati da deposizione di strati atomici, e 3,88% con evaporazione termica. Qui il procedimento di fabbricazione per queste celle solari registrazione è descritto, e la distribuzione statistica del processo di fabbricazione viene segnalato. La deviazione standard di efficienza misurata su un unico substrato è tipicamente superiore a 0,5%. Tutte le fasi tra cui la selezione del substrato e la pulizia, Mo sputtering per il contatto posteriore (catodo), SnS deposizione, ricottura, passivazione della superficie, Zn (O, S) Selezione strato intermedio e la deposizione, conduttore trasparente (anodo) di deposizione, e metallizzazione sono descritti. Su ogni substrato fabbrichiamo 11 dispositivi individuali, ciascuno con area attiva 0,25 centimetri 2. Inoltre, un sistema per la misurazione di throughput elevato di curve corrente-tensione sotto la luce solare simulata, e la misurazione efficienza quantica esterna con polarizzazione variabile della luce viene descritta. Con questo sistema siamo in grado di misurare insiemi di dati completi su tutti i dispositivi 11 in modo automatico e in tempo minimo. Questi risultati illustrano il valore dello studio di grandi serie di campioni, piuttosto che concentrarsi strettamente sui più alti dispositivi performanti. Grandi insiemi di dati ci aiutano a distinguere e risolvere i singoli meccanismi di perdita che interessano i nostri dispositivi.

Introduction

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Il fotovoltaico a film sottile (PV) continuano ad attrarre l'interesse e notevole attività di ricerca. Tuttavia, l'economia del mercato fotovoltaico si stanno spostando rapidamente e in via di sviluppo di successo commerciale fotovoltaico a film sottile è diventata una prospettiva più impegnativo. Vantaggi di costo di produzione rispetto alle tecnologie basate su wafer non possono più essere dato per scontato, e vanno ricercate miglioramenti in efficienza e costi su un piano di parità. 1,2 Alla luce di questa realtà abbiamo scelto di sviluppare SnS come materiale assorbente per fotovoltaico a film sottile. SnS ha vantaggi pratici intrinseci che potrebbero tradursi in basso costo di produzione. Se elevati rendimenti possono essere dimostrati, potrebbe essere considerato come una sostituzione drop-in per CdTe in commerciale fotovoltaico a film sottile. Qui, la procedura di fabbricazione per la cronaca SnS celle solari recentemente segnalati è dimostrata. Ci concentriamo sugli aspetti pratici quali la scelta del substrato, condizioni di deposizione, il layout del dispositivo, e protocolli di misura.

SnS è composto da elementi non tossici, Terra abbondanti e poco costoso (stagno e zolfo). SNS è un semiconduttore solido (nome minerale Herzenbergite) inerte ed insolubile con un bandgap indiretta di 1,1 eV, forte assorbimento della luce per fotoni con energia sopra 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), e intrinseco conducibilità p tipo di concentrazione dei portatori nell'intervallo 15 ottobre-17 ottobre cm 3 3 -. 7 Importante, SnS evapora congruente ed è fase stabile fino a 600 ° C 8,9 Ciò significa che SnS può essere depositato per evaporazione termica (TE) e la sua alta. cugino -speed, sublimazione spazio chiuso (CSS), come impiegato nella fabbricazione di celle solari CdTe. Significa anche che il controllo di fase SnS è molto più semplice rispetto alla maggior parte dei materiali fotovoltaici a film sottile, che prevedono in particolare Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) e Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Pertanto, ef cellularecienza si pone come il maggiore ostacolo alla commercializzazione di SnS PV, e SnS potrebbe essere considerato un rimpiazzo per CdTe una volta elevati rendimenti sono dimostrate alla scala di laboratorio. Tuttavia questa barriera efficienza non può essere sopravvalutata. Si stima che l'efficienza record deve aumentare di un fattore di quattro, dal ~ 4% al ~ 15%, al fine di stimolare lo sviluppo commerciale. Sviluppare SnS come crescita richiederà anche rimpiazzo per CdTe di SnS alta qualità film sottili da CSS, e lo sviluppo di un materiale socio n tipo su cui SnS possono essere coltivate direttamente.

Di seguito viene descritta la procedura passo-passo per la realizzazione di celle solari SnS registrare utilizzando due diverse tecniche di deposizione, deposizione di strati atomici (ALD) e TE. ALD è un metodo di crescita lenta ma aggiornata ha prodotto i più alti dispositivi di efficienza. TE è più veloce e scalabile industrialmente, ma ritardi ALD in efficienza. Oltre ai diversi metodi di deposizione SnS, il TEe celle solari ALD divergenti nella ricottura, passivazione della superficie, e passi di metallizzazione. Le fasi di fabbricazione del dispositivo sono elencate in Figura 1.

Dopo aver descritto la procedura, i risultati dei test per i dispositivi di registrazione certificati e campioni correlati sono presentati. I risultati record sono stati segnalati in precedenza. Qui l'attenzione è rivolta alla diffusione dei risultati di una tipica corsa di elaborazione.

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Protocol

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1. Supporto di selezione e taglio

  1. Acquisto lucido wafer silicio con un ossido termico spessore. Per i dispositivi qui riportati, utilizzare 500 micron di spessore con un wafer nm 300 o ossido termico spessore. I criteri di selezione del substrato sono discussi nella sezione di discussione.
  2. Spin rivestire il lato lucido di wafer con una tipica photoresist positivo (SPR 700 o PMMA A. 495) e cuocere morbido (30 sec a 100 ° C).
    Nota: Questo è uno strato protettivo per impedire danni o contaminazione durante la successiva fase di taglio.
  3. Utilizzare una sega per tagliare il dado fetta in 1 "× 1" (25,4 x 25,4 millimetri 2) substrati quadrati.

2. Substrato di pulizia

  1. Rimuovere particolato e altri residui che derivano dalla fase di taglio utilizzando una pistola azoto compresso, seguito da un bagno ad ultrasuoni in (DI) acqua deionizzata per 5 min a 45 - 60 ° C.
  2. Rimuovere lo strato di resina fotosensibile con un ba ultrasuonith in acetone per 5 minuti a 45 - 60 ° C.
  3. Pulire il substrato esposto con 3 successive bagni ad ultrasuoni, il tutto per 5 min a 45 - 60 ° C: acetone, etanolo, e alcol isopropilico. Terminare asciugatura con una pistola azoto compresso, mentre i substrati rimangono nel supporto di quarzo.

3. Mo Sputtering

  1. Caricare i puliti Si / SiO 2 substrati in un sistema di sputtering alto vuoto. Assicurarsi che la piastra di supporto è riscaldata e la rotazione del substrato è abilitato. Per i dispositivi qui riportati, processo in un sistema commerciale con le pistole magnetron inclinati con 2 "obiettivi e una distanza di proiezione di circa 4".
  2. Depositare il primo strato (lo strato di adesione) a pressione relativamente alta di fondo come 10 mTorr di Ar. Per i dispositivi qui riportati, processo con una potenza di 180 W sputtering (DC), che dà un tasso di crescita del 2,6 Å / sec, e un primo strato di Mo che è a 360 nm di spessore.
  3. Depositare il secondostrato (strato conduttore) ad una pressione relativamente bassa di fondo come 2 mTorr di Ar. Utilizzare la stessa potenza sputtering del primo strato (180 W) e depositare lo stesso spessore.
    Nota: I dispositivi qui riportati hanno avuto un secondo strato di Mo che era 360 nm di spessore, uguale al primo strato.
  4. Dopo la deposizione Mo, memorizzare i substrati sotto vuoto fino alla fase di deposizione SnS.

4. SnS Deposizione

Nota: La tecnica di deposizione ALD è descritta al comma 4.1, e la deposizione TE è descritta nella sottosezione 4.2. Il sistema ALD deposizione è mostrato nella Figura 2, e il sistema di deposizione TE è mostrato in figura 3.

  1. Deposito SnS di ALD
    1. Prima di caricare nel reattore, mettere substrati Mo in un pulitore di ozono UV per 5 minuti per rimuovere le particelle organiche. Poi posizionare i substrati sulla porta substrato e inserire nella zona di deposizione.
    2. Stabilizzare la tempe fornotura a 200 ° C prima di iniziare la deposizione.
    3. Grow SnS film sottili dalla reazione di bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N -DPI) 2) 2, qui definito Sn (AMD) 2] e solfuro di idrogeno (H 2 S) 4.
      1. Mantenere la Sn (AMD) 2 precursore ad una temperatura costante di 95 ° C. Utilizzare puro N 2 gas per aiutare la consegna di Sn (AMD) 2 vapore dal contenitore nel forno per la zona di deposizione. Durante ogni ciclo ALD, fornitura di tre dosi di Sn (AMD) 2 precursore per l'esposizione totale di 1.1 Torr secondo.
      2. Utilizzare una miscela gassosa di 4% H 2 S in N 2 come fonte di zolfo. Assicurarsi che l'esposizione al vapore di idrogeno solforato è di 1,5 Torr secondo per dose. Assicurarsi che la pressione parziale di H 2 S e la pressione totale di H 2 S in N 2 sono 0,76 Torr e 19 Torr, rispettivamente.
    4. Set tha tempo di pompaggio tra dose precursore Sn e H 2 S dosaggio sia solo 1 sec (breve rispetto alla maggior parte delle procedure convenzionali ALD) al fine di accelerare la deposizione.
      Nota: Poiché il precursore Sn non viene completamente rimosso da questo tempo di pompaggio breve, qualche precursore residuo Sn rimane quando l'H 2 S arriva. Così il processo potrebbe essere descritto come un processo CVD pulsata. Il tasso di crescita di film di SNS è 0,33 Å / ciclo, o 0,04 Å / sec.
  2. Deposito SnS di TE
    1. Assicurarsi che la pressione della camera di processo è di 2 x 10 -7 Torr o inferiore. Substrati di carico nella camera attraverso la serratura carico. Tenere i substrati alla piastra con un singolo clip, o con un supporto substrato personalizzato con tasche opportunamente dimensionati che è avvitata alla piastra substrato.
    2. Rampa la fonte e riscaldatori substrato ai loro valori di riferimento. Per il dispositivo qui riportato la temperatura del substrato è di 240 ° C e la velocità di crescita è 17; / sec; per ottenere questo tasso di crescita impostare la temperatura della sorgente nel range 550-610 ° C (le richieste fonte temperatura aumenta con il tempo per un solo carico di polvere di origine). Lo spessore del film di destinazione è di 1.000 nm.
    3. Misurare velocità di deposizione utilizzando il monitor a cristalli di quarzo (QCM) prima e dopo la deposizione di film SnS muovendo il braccio QCM nella camera di processo. Per questa misurazione il substrato viene sollevato in modo che la QCM può essere spostato nella posizione di crescita substrato.
      Nota: il tasso di deposizione rimane abbastanza costante per tutto un tempo di deposizione di 3 ore (± 0,05 Å / sec deviazione).
    4. Dopo la deposizione, trasferire i campioni indietro nella serratura carico prima sfiato all'aria. Trasportare rapidamente i campioni attraverso l'aria in deposito sia sotto vuoto o in atmosfera inerte portaoggetti prima della successiva fase di lavorazione.
      Nota: Il tempo di esposizione all'aria tipico involontaria è di circa 3 minuti. Il tempo di conservazione tipico è tra un giorno e aweek.

5. SnS ricottura

Nota: Questa operazione viene eseguita in modo leggermente diverso per le celle solari ALD e TE. La procedura di ricottura per celle solari ALD è descritto al comma 5.1, e la procedura per le celle solari TE è descritta nella sottosezione 5.2. Lo scopo di ricottura è discusso nella sezione di discussione.

  1. Ricottura i ALD coltivati ​​SnS film in H 2 S gas.
    Nota: Questo passo viene eseguito nello stesso sistema utilizzato per la crescita ALD.
    1. Utilizzare puro H 2 S gas (99,5% puro) ad una portata di 40 sccm e pressione di 10 Torr.
    2. Riscaldare il film SnS ad una temperatura di 400 ° C e mantenere per 1 ora in ambiente H 2 S gas. Assicurarsi che il gas sta fluendo in tutto il processo, tra cui la temperatura rampa su e giù.
  2. Ricottura film SnS TE-coltivate in gas H 2 S. Eseguire questo passaggio in un forno tubolare dedicato.
    1. Carica the campioni su una piastra di quarzo pulito e scorrevole nella regione hot-zone del forno.
    2. Dopo il forno viene sigillato, spurgare tre volte con puro N 2 e consentire a pompare fino a pressione di base.
    3. Stabilire flusso di gas a 100 sccm del 4% H 2 S a 28 Torr.
    4. Rampa la temperatura a 400 ° C in 10 min. Tenere a 400 ° C per 1 ora, quindi consentire ai campioni di raffreddare senza assistenza nella vasca zona. Mantenere costante H 2 flusso e la pressione del gas S fino a quando i campioni raffreddare sotto i 60 ° C. Rimuovere i campioni e sia procedere immediatamente alla fase successiva, o metterli in deposito in un vano portaoggetti gas inerte.

6. SnS passivazione della superficie con un ossido nativo

Nota: Questa operazione viene eseguita in modo leggermente diverso per le celle solari ALD e TE. Nell'Africa sub-paragrafo 6.1 la procedura passivazione della superficie per le celle solari ALD è descritto, e la procedura per le celle solari TE è descritta nella sottosezione6.2. La funzione di questa fase è ulteriormente discusso nella sezione di discussione.

  1. Per i campioni ALD coltivate, crescere un sottile strato di SnO 2 da ALD.
    Nota: Usiamo un reattore diverso da quello utilizzato per la crescita SnS.
    1. Grow SnO 2 dalla reazione di ammide ciclica di stagno [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ilidene) Sn (II)] e perossido di idrogeno (H 2 O 2). Conservare il ciclico precursore ammide stagno in stufa a 43 ° C, e l'H 2 O 2 in un gorgogliatore a RT.
    2. Mantenere la temperatura del substrato a 120 ° C per la deposizione.
    3. Esporre il precursore stagno e H 2 O 2 utilizzando 0,33 e 1,5 Torr secondo per ciclo, rispettivamente, per un totale di 5 cicli. Verificare che lo spessore del risultante SnO 2 è di 0,6 0,7 nm, come misurato mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) analisi 10.
  2. Per i campioni TE-coltivate, formare un thin strato di SnO 2 di esposizione all'aria.
    1. Esporre i campioni di aria ambiente di laboratorio per 24 ore. Verificare che lo spessore del risultante SnO 2 è di circa 0,5 nm, come misurato mediante analisi XPS.
      Nota: Il tipico RT è di 24 ± 1 ° C, e l'umidità tipica è del 45% ± 13% (più alta in estate); per i dispositivi riportati qui, i valori erano 24,6 ° C e <30%, rispettivamente.

7. Deposizione della Zn (O, S) / strato ZnO Buffer

Nota: Questa operazione viene eseguita nella stessa camera ALD che viene utilizzata per la crescita SnS da ALD.

  1. Crescere un Zn (O, S): N strato ALD.
    1. Mantenere la temperatura del substrato a 120 ° C.
    2. Grow Zn (O, S): N dalla ALD dalla reazione di dietilzinco (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), acqua deionizzata (H 2 O), 4% H 2 S in N 2, e l'ammoniaca (NH 3) 11. Conservare le contai gorgogliatorening DEZ a temperatura ambiente. Usare una sequenza del ciclo di [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, e ripetere questo ciclo eccellente 12 volte. Assicurarsi che l'esposizione di ammoniaca è di 11 Torr secondo.
    3. Verificare che il rapporto S / Zn nel film risultante è 0,14, misurata mediante spettroscopia Rutherford backscattering 12, e che lo spessore della pellicola è di circa 36 nm.
  2. Crescere uno strato ZnO da ALD.
    1. Mantenere la temperatura del substrato a 120 ° C.
    2. Crescere ZnO con 50 cicli di ALD DEZ-H 2 O.
      Nota: Lo spessore del film di ZnO risultante è di circa 18 nm.

8. Deposizione della ossido conduttore trasparente (TCO), Indium Tin Oxide (ITO)

  1. Tagliare ITO ombra maschere da un 0.024 "(610 micron) 6061 fogli con un taglio laser di laboratorio.
    Nota: Le maschere definiscono 11 dispositivi rettangolari che sono 0,25 centimetri 2size e un pad più grande in un angolo che viene utilizzato per le misure di riflettività ottica, vedi figura 4.
  2. Montare i dispositivi e le maschere in un assetto maschera.
    Nota: Si tratta di una piastra di alluminio con tasche nidificati per il substrato e maschere e clip per fissare le maschere a posto.
  3. Deposito ITO da reattiva magnetron sputtering.
    1. Riscaldare il substrato di circa 80-90 ° C e abilitare la rotazione del substrato.
    2. Utilizzare un bersaglio del diametro ITO 2 pollici (In 2 O 3 / SnO 2 90/10 in peso.%, 99,99% puro) a 65 W di potenza RF sputtering con Ar / O flusso 2 gas 40 / 0,1 SCCM a 4 mTorr pressione totale.
    3. Crescere un film ITO spessa 240 nm.
      Nota: Con questi parametri, i tassi di crescita di 0,5 A / sec e foglio resistenze nel range 40 - 60 Ω / mq si ottengono.

9. Metallizzazione

  1. Maschere Cut metallizzazione ombra di un 127 micron di spessore austenlamiera di acciaio inox ITIC.
    Nota: Queste maschere vengono tagliati con + 10 / -5 tolleranza micron da una società commerciale. Il modello di metallo composta da 2 dita separate da 1,5 millimetri, ogni lungo 7 mm e un contatto pad 1 x 1 mm 2, vedere Figura 4.
  2. Montare i dispositivi e le maschere in un assetto maschera, come nel passo 8.2.
  3. Deposito Ag (per dispositivi TE) o Ni / Al (per dispositivi ALD) per evaporazione a fascio elettronico.
    1. Mount maschera allineatore sulla piastra substrato di un sistema di metalli di evaporazione a fascio di elettroni. Pompare fino ad una pressione di base al di sotto di 1 x 10 -6 Torr.
    2. Far evaporare metallo ad una velocità di 2 Å / sec. Deposita 500 spessore del metallo totale nm.

Caratterizzazione 10. Dispositivo

  1. Eseguire corrente-tensione ("J - V") misurazioni su tutti i dispositivi alla luce solare buio e in AM1.5 simulato.
    1. Calibrare il simulatore solare attraverso la raccolta di J - dati V from una cella solare di silicio calibrata e regolando la potenza della lampada simulatore solare ed altezza fino a raggiungere il valore corrente tarati per AM1.5 insolazione.
    2. Contattare i dispositivi in ​​modalità a quattro fili utilizzando berillio rame doppie punte delle sonde di contattare sia l'alto (anodo, Ag o Al) e inferiore (catodo, Mo) strati. Contatta lo strato inferiore graffiando via gli strati di buffer e SnS con una lama di bisturi.
    3. Luce Misurare e J scuri - dati V utilizzando una sorgente di metri da una tensione di sourcing e la corrente di misura.
      Nota: I dispositivi sono normalmente misurati all'interno dell'intervallo ± 0,5 V. I dispositivi non sono sensibili alla direzione o la velocità delle scansioni di tensione. Per i test di routine un'apertura area light-definizione non viene utilizzato, vedere la sezione di discussione per ulteriori dettagli.
  2. Eseguire efficienza quantica esterna (EQE) misure su tutti i dispositivi, con la luce variabile e tensione di polarizzazione.
    1. Calibrare il sistema EQE misurando la respoNSE un fotodiodo calibrazione Si.
      Nota: Il software confronta questi dati alle misurazioni effettuate con uno standard NIST garantiti per regolare il livello di luce di conseguenza.
    2. Contattare i dispositivi che utilizzano il metodo a quattro fili, come al punto 10.1.2.
    3. Misurare EQE utilizzando un sistema commerciale che illumina il campione con luce monocromatica tritato a 100 Hz in un intervallo di lunghezza d'onda di 270 nm e 1100 misura la corrente risultante. Eseguire questa misurazione secondo procedura operativa standard del produttore.
    4. Ripetere la misura EQE con tensione variabile e la polarizzazione della luce bianca. Utilizzare un SourceMeter per fornire la tensione di polarizzazione, e una lampada alogena per fornire la polarizzazione della luce. Misurare i dispositivi sia in avanti che in retromarcia tensione di polarizzazione, e sotto la variabile intensità della luce bianca fino a ~ 1 Suns.
    5. Misurare riflettanza ottica (% R) della superficie superiore ITO utilizzando uno spettrofotometro con una sfera di integrazione per convertire dall'esterno all'internoefficienza quantica (IQE). Eseguire questa misurazione secondo procedura operativa standard del produttore.

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Representative Results

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Nelle figure 6-8 risultati sono illustrati due rappresentativi "base" campioni TE-coltivate come descritto sopra. Illuminato J - dati V per questi due campioni è tracciata in figura 6 Il primo campione ("SnS140203F"), ha prodotto il dispositivo con efficienza certificata del 3,88% che è stato segnalato in precedenza 9 distribuzioni Rappresentante JV sono indicate anche per ogni campione... Per una data tensione di polarizzazione, queste distribuzioni vengono calcolati come Equazione 1 dove <J> è la media della densità di corrente misurata per tutti i dispositivi, σ J è la deviazione standard di queste misurazioni, e N è il numero totale di misurazioni. In altre parole, la media e l'errore standard sono rappresentate graficamente. Questa rappresentazione aiuta con confrontando i risultati di diversi campioni, e per valutare visivamente ilimpatto delle variazioni di fabbricazione del dispositivo sulle prestazioni del dispositivo risultante.

I J - V dati suggeriscono che i campioni soffrono di problemi di resistenza shunt che varia tra dispositivi su un campione. Questa conclusione è ulteriormente rafforzata da figure 7 e 8. In figura 7 i parametri di cella solare standard sono tracciate - tensione a circuito aperto (V OC), densità di corrente di corto circuito (J SC), fattore (FF), e l'efficienza di conversione di potenza riempimento -. Per tutti gli stessi dispositivi illustrati nella figura 6 Il rappresentazione grafico a barre consente di identificare visivamente le correlazioni tra parametri. Per questi campioni la correlazione più evidente è tra efficacia e FF, come previsto per i dispositivi che soffrono di shunt o resistenza serie perdite. Per il secondo dispositivo vi è anche una correlazione apparente tra efficienza e V OC,come previsto per le perdite di resistenza shunt.

Tali correlazioni sono esplicitati dalle trame multivariati mostrati nella Figura 8. Qui, V OC, J SC, e FF sono tracciati rispetto serie (R s) e shunt (R sh) resistenze. R s e R sh sono calcolati utilizzando lineare Misure ai J - V dati vicino 0,5 e 0 V, rispettivamente. In molti casi sarebbe preferibile estrarre R s e R sh come parametri in un modello di diodo che può essere adattata al J - V di dati. Tuttavia, per le celle solari relativamente bassa efficienza ci sono molte fonti di perdita, e modelli diodi che hanno successo per i dispositivi di efficienza più elevati non sono affidabili. Pertanto è preferibile estrarre R s e R sh mediante una tecnica più robusta. Anche se i valori risultanti possono non essere precisi, il trends sono ancora istruttivo e può essere usato per guidare lo sviluppo. I dati in figura 8 confermano che Resistenza di shunt è una delle principali fonti di perdita. Questo può essere visto più chiaramente nella tendenza all'aumento in FF (R sh). I dati mostrano che, allo stato attuale dello sviluppo del dispositivo, la resistenza shunt deve essere mantenuta superiore a circa 200 Ω cm 2 al fine di migliorare l'efficienza di altri miglioramenti di processo a diventare evidente. R s non sembra limitare i dispositivi qui riportati. I valori per R s sono tipicamente 0,5 Ω cm 2, e solo raramente avventurano sopra 1 Ω cm 2.

Risultati per un rappresentante "baseline" campione ALD-grown come descritto sopra sono mostrati in figura 9. I dispositivi di ALD mostrano prestazioni migliori rispetto ai dispositivi TE, con il dispositivo migliore che mostra l'efficienza del 4,6%. Inoltre le diverse tecniche di crescita SnS, il two fabbricazione procedure differiscono nella superficie SnS passivazione mediante ossidazione. Inoltre, i campioni TE sono esposte all'aria laboratorio tra crescita del film e ricottura, mentre i campioni ALD vengono ricotti nella camera di crescita senza un salto in aria. I campioni ALD-grown sembrano soffrire di meno da perdite di resistenza shunt rispetto ai campioni TE-coltivati. La ragione di questa differenza non è noto. È possibile che i film SnS ALD coltivate sono più compatti, a causa della modalità di crescita autolimitante e tasso di crescita lenta, rispetto ai film TE-coltivate.

I test di periferica certificati sono riprodotte in Figura 10. 9,10 A sinistra è mostrato il dispositivo di registrazione certificato utilizzando un SnS strato ALD adulto. L'efficienza certificata per questo esempio era 4,36%, e dispositivi fino a 4,54% efficiente è stato misurato usando la stessa procedura di fabbricazione. Sulla destra è indicato il dispositivo di registrazione certificato utilizzando uno strato SnS TE adulto. L'efficienza certificata per questo esempioera 3,88%, e dispositivi fino a 4,1% sono stati misurati con la stessa procedura. Si noti che il risultato del test certificata 3,88% è ben all'interno della gamma misurato per lo stesso campione, per cui la deviazione media ± standard è 3,5% ± 0,4%, come mostrato nella Figura 7.

Figura 11 mostra i risultati che dimostrano la stabilità del SnS TE-coltivate celle solari in condizioni ambientali. Per selezionare i campioni J - Prove di V sono stati eseguiti prima e dopo la memorizzazione fino a undici mesi. I campioni sono stati conservati in aria ed esposti alla luce ambiente e senza incapsulamento. Tutti e quattro i campioni illustrati nella Figura 11 sono stati trattati in modo leggermente diverso rispetto alla procedura riportato qui; questo è per ragioni storiche, e non c'è motivo di pensare che i dispositivi qui riportati dovrebbero avere differenti caratteristiche di stabilità. Le differenze di elaborazione sono illustrate nella figura voce, e rappresentano la variazione performance dei dispositivi. Il punto principale è che la degradazione minima si osserva in un anno. Resta da vedere come SnS celle solari sopravvivrebbero test vita più accelerato, come il calore umido o prolungata illuminazione spettro completo.

Figura 1
Figura 1. Dispositivo processo di fabbricazione. Enumerazione del processo di fabbricazione del dispositivo, dal taglio substrato (# 1, in basso) per metallizzazione (# 9, sopra).

Figura 2
Figura 2. Atomic strato di deposizione (ALD) panoramica del sistema. (Top) sistema ALD disegno schematico. (In basso) fotografia sistema ALD, con componenti critici numerati ed etichettati. Questo sistema può eseguire SnS deposizione, SnS ricottura, e tampone strato di deposizione e siede nel Gordil gruppo presso la Harvard University. È costituito da un tubo di deposizione a caldo a parete, due forni utilizzati per memorizzare precursore, gas trasportano e di controllo, il sistema di controllo della temperatura e una pompa da vuoto meccanica rotativa. Il titolare substrato può mettere al massimo otto 1 "× 1" substrati quadrati. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. evaporazione termica (TE) panoramica del sistema. I componenti critici sono numerati ed etichettati. Questo sistema è dedicato a SnS deposizione e si trova nel gruppo Buonassisi al MIT. Il sistema è costituito da una camera di processo e un blocco di carico. La camera di processo è tipicamente mantenuta sotto vuoto elevato (1 × 10 -8 Torr) e comprende una fase substrato persiane conla rotazione del campione e riscaldamento radiativo, e una cella di effusione le imposte per la sorgente di evaporazione. La camera ha anche un retrattile monitor a cristalli di quarzo (QCM) che si trova direttamente sotto la piastra di supporto per misurare il tasso di crescita, e un pirometro per misurare la temperatura del substrato. Polvere SnS acquistabile viene utilizzato per il precursore, con un pre-trattamento termico descritto in precedenza. 9 La piastra substrato contiene un substrato dispositivo di grandi dimensioni (1 × 1 a 2) ed una piccola substrato (1 × 1/3 in 2), che è usato per le misure di film SnS. La distanza dal substrato per l'orifizio sorgente è di 10 cm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. modello metallizzazione e la fotografia del campione. & # 160; Il disegno a sinistra mostra il modello di metallizzazione per 0,25 centimetri 2 dispositivi. Per chiarezza l'impronta TCO è delineato in un solo dispositivo. Viene anche mostrato il percorso del grande pad TCO che viene utilizzato per le misure di riflettività ottica. La foto a destra mostra un campione reale con SnS TE-coltivati. La regione graffiato a sinistra fornisce contatto del sottostante strato di Mo per il test. Fotografia:. KJ Wang Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 5
Figura 5. test del dispositivo con la scheda sonda. Questa immagine dall'alto mostra un campione montato sul mandrino stazione di test con più dispositivi contattati simultaneamente con la scheda sonda personalizzata. Solo la metà del campione è visibile in questa immagine.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
Figura 6. J - test V per dispositivi su due diversi "di base" campioni TE. Per chiarezza, tutti i 12 dispositivi su un dato campione vengono tracciate nello stesso colore (grigio o rosso). Inoltre tracciati sono rappresentativi J - buste V (media ± errore standard) per tutti i dispositivi su ciascun campione, come descritto nel testo. Queste misurazioni sono state effettuate senza un'apertura area light-definizione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

. Figura 7. parametri di prova delle cellule solari per due di base campioni TE I risultati dei test vengono tracciati su una sola riga per ogni dispositivo testato - 11 dispositivi ciascuno per "SnS140203F" (in alto) e "SnS140306H" (in basso) - per fare correlazioni più evidenti . Sopra ogni trama è riportato il migliore, media, la deviazione standard (SD), e l'errore standard (SE) per ogni distribuzione. Si noti che il miglior oc V (per esempio) è il più alto oc V misurata, non oc V del dispositivo più efficiente. Queste misurazioni sono state effettuate senza un'apertura area light-definizione. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 8
Figura 8. S erie e resistenza shunt trame multivariati per due di base campioni TE. I dispositivi sono rappresentati stesso riportato nelle figure 6-7. La serie (R s) e shunt (R sh) resistenze sono calcolati come descritto nel testo. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 9
Figura 9. test JV e dei parametri di prova per una linea di base del campione ALD. (Top) Le curve JV mostrano buone prestazioni di picco, ma alcuni dispositivi soffrono chiaramente dalla bassa resistenza shunt. (In basso) i parametri del test mostrano una forte correlazione tra l'efficienza e la FF, in linea con le perdite di resistenza shunt. Queste misurazioni sono state effettuate senza un'apertura area light-definizione..jove.com / files / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 10
Figura 10. Risultati di certificazione per dispositivi ALD- e TE-coltivate. Certificazione effettuata dal team Caratterizzazione delle prestazioni PV presso il National Renewable Energy Laboratory, Stati Uniti d'America. (A sinistra) Il record certificato ALD è 4,36%, come riportato nel Sinsermsuksakul et al., 10 (destra) Il record certificato TE è 3,88%, come riportato nel Steinmann et al. 9 Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 11
Figura 11. Da lungo tempo stabilità di celle solari SnS J -. test V di campioni che sono stati ripetutamente misurati in un periodo di circa un anno, pur essendo memorizzata in aria e di essere esposti alla luce ambiente e senza incapsulamento. Per ogni pannello le curve nere mostrano la misurazione iniziale, le curve rosse mostrano la misura finale, e tratteggiate mostrano curve. Le linee sottili mostrano il miglior dispositivo per ciascun test, e le curve sono spesse J rappresentativi - buste V (media ± errore standard) per tutti i dispositivi di ciascun campione come descritto nel testo. Tutti e quattro i pannelli mostrano campioni TE coltivate che sono state elaborate, come descritto in questo manoscritto, tranne per le seguenti differenze: (a) n H 2 step S ricottura. (B) più sottile strato assorbente, 650 nm di spessore; no H 2 S ricottura passo; esposizione all'aria eseguita a 200 ° C per 30 min. (C) più sottile strato assorbente, 650 nm di spessore; no H 2 S ricottura passo; tampone strato wesimo contenuto di zolfo superiore e senza doping azoto. Rivestimento (d) antiriflesso depositato sopra pila dispositivo. Il tempo tra le misure è stata di 50 settimane, 48 settimane, 48 settimane e 28 settimane per i pannelli a, b, c, d, rispettivamente. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 12
Figura 12. Visualizzazione di disuniformità spaziale tra due campioni TE basali. I risultati sono gli stessi come riportato nella Figura 6-8. Ci sono 11 dispositivi su ogni campione, e ogni dispositivo è colore codificato secondo l'efficienza misurata; la mappa colori è la stessa per entrambi i campioni. Tratteggio in bianco e nero indica o che il dispositivo non è stato misurato, o nessun dispositivo era presente (come un angolo di ogni campione).

Figura 13
Figura 13. Illustrato esempio di verifica di ipotesi in presenza di cause di varianza comune. Personaggi immaginari Angela e Nessi stanno testando separatamente l'ipotesi che Process B cedere le celle solari più alta efficienza di processo A. Angela ha il controllo di processo superiore, ma un rendimento leggermente inferiore rispetto al basale Nessi. (A, D, G) distribuzioni di probabilità vero per i risultati Angela e Nessi di. (B, E, H) misurazioni individuali. (C, F, I) distribuzioni misurate. Con solo 6 campioni, Angela può rifiutare l'ipotesi nulla, ma non ci riesce Nessi. Vedere il testo per la descrizione completa. Clicca qui per vedereuna versione più grande della figura.

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Discussion

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Substrato pulizia selezione

Wafer di Si ossidati sono utilizzati come substrati. I substrati sono il supporto meccanico per le celle solari risultanti, e le loro proprietà elettriche non sono importanti. Wafer di Si sono preferiti al vetro perché wafer di silicio commercialmente acquistati sono in genere più pulito di wafer di vetro commerciali acquistati, e questo consente di risparmiare tempo nella pulizia del substrato. Si substrati devono anche alta conducibilità termica del vetro, che porta a più uniforme il riscaldamento durante la crescita e ricottura. Con i wafer di vetro in commercio acquistati è stato constatato che era necessario pulire i substrati con detersivo, tra un massaggio manuale con le dita guantate seguito da un bagno ad ultrasuoni caldo, al fine di eliminare tutte le tracce visibili di contaminazione, e anche allora la pulizia del substrato non poteva essere garantita. È stato confermato sperimentalmente che la scelta di vetro o substrati di Si non ha alcun impatto sulle prestazioni del dispositivo. Carner, il confronto è stato effettuato con dispositivi erano in 2% - gamma efficiente 3%, e comparazioni ripetute sarà utile come efficienza basale migliora.

In genere 10 o più supporti vengono puliti alla volta, utilizzando un vettore di quarzo wafer progettato su misura. Questo produce risultati più riproducibili di movimentazione wafer individualmente con le pinzette.

Mo sputtering

Si è deciso di depositare il Mo posteriore di contatto (il catodo) in-house piuttosto che di acquisto Mo rivestite substrati dopo i risultati deludenti sono stati ottenuti con i substrati disponibili da diversi fornitori. Con substrati acquistati (atomizzate Mo su vetro) si sono incontrati problemi con la pulizia, delaminazione o entrambi. Il film Mo viene depositato per DC magnetron sputtering in due strati, uno per l'adesione al substrato di Si / SiO 2 ed uno per alta conducibilità, secondo i risultati pubblicati daScofield e t al. 13

Le pellicole Mo sono 720 nm di spessore con una resistenza dello strato di circa 1 Ω / sq. La resistenza dello strato viene misurata su un substrato sacrificale con un sistema di sonde a quattro punti dopo ogni corsa crescita Mo. Inoltre, l'adesione al substrato è verificata usando una lama di bisturi. Film ben aderito in grado di sopportare graffi a mano con un bisturi a pressione moderata senza de-laminazione. Film Scarsamente aderito saranno de-laminato con solo una leggera pressione. È stato osservato che un breve substrato plasma fase di pulizia della camera di polverizzazione prima della crescita Mo è importante ottenere una buona adesione. I parametri tipici di questa fase di pulizia sono 20 mTorr Ar, 20 W RF, e 60 sec.

Crescita SnS per evaporazione termica

SNS è evaporato da polvere sorgente utilizzando una cella di effusione a bassa temperatura acquistabile con un pirolitico crogiolo nitruro di boro con volume 32 centimetri 3. Quando la sorgente viene caricato si tratta di una polvere fine e di colore grigio scuro. Tipicamente viene caricato 3 4 g di polvere. Con nuova polvere sorgente, la temperatura della sorgente è di circa 540 ° C al fine di mantenere un tasso di crescita di 1 Å / sec su un substrato riscaldato a 240 ° C. Con un numero crescente di piste di crescita, la temperatura della sorgente deve essere aumentata per mantenere un tasso di crescita costante. Quando la temperatura della sorgente desiderata raggiunge i 610 ° C la polvere viene scambiato.

Strettamente collegato alla temperatura della sorgente è la questione di fiocchi SnS. Quando il tasso di crescita è aumentato di oltre il 10 Å / sec, grossi fiocchi SnS si possono osservare nel film in crescita. Non è noto se questi provengono dalla fonte principale, oppure da fonti secondarie, come il sudario cella di effusione o l'otturatore fonte.

Uno sviluppo significativo è che quando un lotto di polvere sorgente è esaurito lascia dietro un bianco, residuo porosonella parte inferiore del crogiolo. Diffrazione di raggi X conferma che questo è SnO 2. Il peso di questo residuo è tipicamente 0,01 g.

Crescita SnS da ALD

Un parametro critico in questo processo è la pressione del gas vettore azoto che fluisce verso l'Sn (AMD) 2 precursore. La pressione viene mantenuta vicino 250 Torr, ma può variare un po 'di volta in volta. Dato che il rapporto in volume del Sn (AMD) 2 precursore gorgogliatore e N 2 trappola gas è 5: 1, la pressione all'interno del gorgogliatore è di circa 50 Torr. Se questo valore diventa troppo grande, l'evaporazione di Sn precursore sarà notevolmente soppressa. D'altra parte, se la pressione all'interno del gorgogliatore è troppo piccolo, non ci sarebbero una caduta di pressione sufficiente tra il gorgogliatore e forno di reazione (che ha una pressione di ~ 10 Torr) per consentire un flusso di gas uniforme. Uno di questi scenari risulterà insufficiente precursore Sn nella LRReazione D. Un'indicazione di questo problema è che lo spessore del film in prossimità dell'uscita del forno di reazione è molto più sottile di quello vicino all'ingresso. Durante ogni deposizione, la pressione all'interno del reattore è controllato per assicurarsi che le pressioni del sistema siedono nell'intervallo corretto.

Per garantire una distribuzione uniforme della temperatura all'interno della zona di reazione, l'ingresso e l'uscita del tubo di deposizione a caldo a parete sono avvolti con nastri di riscaldamento. Sotto i nastri di riscaldamento, una coppia di termocoppie sono inseriti per misurare la temperatura. Una distribuzione non uniforme della temperatura all'interno della zona di reazione si tradurrà in differenti morfologie cinematografiche SnS a differenti regioni. Alla temperatura di deposizione superiore, film tendono ad essere più ruvida e hanno un colore più chiaro. Alle basse temperature inferiori a 200 ° C, film hanno una riflettività, come può essere esaminato ad occhio.

SnS ricottura in un forno tubolare H 2 S </ P>

Lo scopo della fase di ricottura è quello di ottimizzare la morfologia, cristallinità, e proprietà elettriche dei film SnS. Per le celle solari TE-coltivate, la fase di ricottura è effettuato in un forno tubolare dedicato. Questo forno tubo di quarzo 2 "di diametro è in grado di fluire miscele di 4% di H 2 S (stato N 2), 4% di H 2 (saldo N 2), puro N 2 e puro Ar. Le temperature sono controllati da elementi riscaldanti nicromo esterni e controllati mediante una termocoppia quarzo racchiuso situato nella zona calda. Gas viene evacuato mediante una pompa dell'olio riempito con olio inerte. Sigilli sono realizzati con H 2 S elastomeri resistenti. Pressione di base tipica è 8 20 mTorr.

La temperatura di ricottura di 400 ° C è un equilibrio tra la crescita del grano secondaria e pellicole ri-evaporazione. In linea di massima, temperatura di ricottura più alta potrebbe essere di beneficio per le prestazioni del dispositivo, e potrebbe essere raggiunto senza significativo fiperdita lm usando una maggiore pressione del forno. Questo è l'oggetto di indagine attiva.

SnS passivazione della superficie con un ossido nativo

Lo scopo della fase di passivazione è quello di ridurre la densità di stati trappola elettronici allo svincolo tra l'assorbitore e gli strati tampone, e per servire come barriera di diffusione per prevenire la miscelazione indesiderata degli elementi costitutivi degli strati assorbenti e tampone. 14 Ha stato osservato che i campioni trattati con questa fase di ossidazione hanno valori V oC superiore a campioni elaborati senza.

In questo momento, la fase di ossidazione non è stato ampiamente studiato e probabilmente non è ottimizzato. Utilizzando raggi X risultati spettroscopia fotoelettronica (non mostrate) si stima che l'ossido deve avere uno spessore inferiore a 1 nm per la buona prestazione e per evitare il blocco attuale.

Deposizione della conduttore di trasparenteossido ting (TCO), l'ossido di indio e stagno (ITO)

Prima di questo punto è preso cura di controllare l'esposizione totale all'aria dei campioni ad ogni passo. Tuttavia, dopo l'esposizione all'aria di deposizione strato tampone non è più limitato ed i campioni vengono stoccati e trasportati in aria ambiente.

Prima di questo punto, tutte le deposizioni sono stati film "coperta", che copre l'intero substrato. Da questo punto in poi le deposizioni sono modellate per definire singoli dispositivi. Sia per la ITO e metallizzazione passi le deposizioni vengono definite utilizzando maschere ombra metallo tagliato al laser. Per la deposizione di ITO è molto importante che la zona del pad depositato è nettamente definita dalla maschera ombra. Se l'area non è nettamente definita, per esempio a causa di flessione della maschera nella maschera allineatore, allora l'area attiva dei dispositivi risultanti può essere significativamente più grande della dimensione nominale di 0,25 cm 2. Questo può portare a errate over-reporting della densità di corrente.

Metallizzazione

Il modello di metallizzazione è progettato per consentire il punto di illuminazione dello strumento di misurazione efficienza quantica cadere completamente sul ITO senza sovrapporsi con il metallo. Questo vincolo si traduce in 2 dita separate da 1,5 millimetri, lungo ogni 7 mm e un contatto pad 1 x 1 mm 2, vedi figura 4. Questo modello non è ottimale dal punto di vista dispositivo prestazioni. Un modello ottimizzato per le prestazioni del dispositivo potrebbe usare più dita con i più piccoli spazi.

Ag è stato usato per le celle TE-coltivate e Ni / Al è stato usato per le celle ALD coltivati. Questa divisione è storica e non si fonda su un risultato sperimentale. E 'possibile che Ni / Al fornisce una superiore resistenza alla corrosione durante lunghi tempi di conservazione. In realtà, è stato osservato che i contatti Ag hanno la tendenza a corrodere durante lo stoccaggio prolungato in aria (per example, più di un anno).

Caratterizzazione Dispositivo

Dispositivi finiti vengono caratterizzate con corrente-tensione ("J - V") misure raccolte ed efficienza quantica esterna (EQE) misure raccolte con e senza luce bianca e tensione di polarizzazione. Celle solari To-Date sono stati misurati contattando singoli dispositivi one-at-a-tempo, con micromanipolatori sonda in una tipica configurazione di stazione della sonda. Il simulatore e EQE solari sistemi erano fisicamente scollegato, in modo che il campione necessario per essere ri-contattati per ogni misurazione. Di conseguenza, ci vorrebbero circa 4-5 ore per misurare J - V e EQE su tutti i 11 dispositivi.

Una stazione di prova di alto-rendimento integrato che combina J - V e EQE utilizzando un unico mandrino campione e una scheda di sondaggio che i contatti di tutti i dispositivi contemporaneamente è stato recentemente installato presso il MIT, vedi figure 5. Le connessioni elettriche sono controllate da un multiplexer programmabile, e lo stadio XY mandrino motorizzato è controllata dal computer. In questo modo, J - V e misurazioni EQE possono essere eseguite sequenzialmente su tutti i dispositivi 11 in meno di 1 ora.

Per il dispositivo di routine test un'apertura area light-definizione non viene utilizzato. Pertanto l'area dispositivo attivo può essere sotto-stimato, con conseguente sovrastima della densità di corrente. Tuttavia un'apertura è utilizzato da laboratori di certificazione, spesso con conseguente minore efficienza (figure CF 7, 9 e 10). Utilizzando un'apertura area light-definizione è sempre desiderabile, ma per i test di routine è spesso trascurata a causa di problemi pratici come per minimizzare il contatto fisico con la parte superiore del campione. Errore sistematico dovuto alla sottovalutazione della zona dispositivo attivo può essere ridotto utilizzando le aree dei dispositivi più grandi. Per il lavoro qui descritto, piuttosto piccola (0,25 centimetri 2) formato è stato scelto come appropriato per lo sviluppo della prima tecnologia di fase (in fasi precedenti di un dispositivo ancora più piccolo di 0,03 cm 2 senza metallizzazione è stato utilizzato). Ora che i dispositivi sono nella gamma di 4% efficiente e sono ripetibili, è opportuno aumentare a una dimensione di 1 cm 2 o più.

Oltre alle tecniche di caratterizzazione tipo precedentemente descritti, su campioni occasione sono testati anche con tecniche incluse dipendente dalla temperatura J - V, Suns- V OC, capacità-tensione profilatura, e lock-in termografia. Vengono utilizzate queste tecniche per capire e quantificare specifici meccanismi di perdita, come interfaccia la ricombinazione e la perdita di resistenza serie.

Il significato dei protocolli di fabbricazione del dispositivo di condivisione

Nelle pubblicazioni su inorganico fotovoltaico a film sottile i risultati dei test dei dispositivi non sono mai (con esperienza), accompagnata da sufficient dettagli sperimentali per riprodurre l'esperimento. Questa situazione comporta inutili frustrazioni tra i singoli ricercatori, e ostacola il progresso di tutto il campo. Questa situazione rende anche difficile confrontare le procedure descritte nel presente documento a quelli utilizzati da altri gruppi di ricerca. Le tecniche descritte in questo manoscritto sono stati sviluppati con l'ausilio di numerose conversazioni con i ricercatori in PV a film sottile (soprattutto negli Stati Uniti), e un sacco di tentativi ed errori. Gli autori sperano che questo lavoro aiuta gli altri a evitare frustrazioni inutili, e stabilisce un precedente per i dettagli di segnalazione dei metodi sperimentali nel fotovoltaico a film sottile.

Le future applicazioni del protocollo descritto

Il protocollo qui descritto viene utilizzato per stabilire una "linea di base" SNS cella solare. La caratteristica più importante di un protocollo di fabbricazione di base è ripetibilità; il numero assoluta efficienza è meno importante. IOn esperienza degli autori, la ripetibilità è l'attributo chiave che permetterà la ricerca in corso per migliorare l'efficienza, ad esempio migliorando la passivazione della superficie o la riduzione di massa densità dei difetti. Senza un protocollo basale ripetibile è estremamente difficile valutare gli effetti delle modifiche al protocollo di fabbricazione. Questo è ampiamente descritta nella sezione seguente sulla verifica delle ipotesi.

I lavori in corso e futuri sulle celle solari SNS sfruttare il protocollo di base qui descritto per ottimizzare le singole fasi di fabbricazione, con l'obiettivo di aumentare l'efficienza del dispositivo. Di particolare interesse sono gli H 2 S ricottura e la superficie fasi di passivazione, dal momento che questi impatto diretto la densità di difetti nel bulk dell'assorbitore e al p - n giunzione.

Ensemble di dati consentono la verifica di ipotesi

In un campo che idolatra efficienza campione, si è tentati di sopraguardare l'ensemble - il> 99% dei dispositivi (non campione) - e le informazioni utili che fornisce. Questa sezione motiva l'analisi dei dati insieme, e presenta approcci facili per la visualizzazione e l'estrazione di indicazioni utili a partire dai dati di ensemble. Si presupponeva che il lettore abbia una chiara visione delle statistiche sperimentali (test ipotesi), ed è comodo calcolare una distribuzione gaussiana, deviazione standard, errore standard, e gli intervalli di confidenza al 95% per un dato insieme di dati.

In poche parole, l'analisi dei dati di ensemble è lo studio della variabilità, che se ridotta, permette una migliore verifica di ipotesi. Variabilità, colloquialmente "rumore", offusca il "segnale" durante ingegneria di processo ipotesi-driven e la ricerca scientifica. Con l'aumento del rumore, più esperimenti sono resi inconcludenti. Esperimenti inconcludenti sono uno spreco di tempo, risorse, e l'ottimismo. Dati Ensemble può contribuire a ridurre la variabilità in due modi:

In primo luogo, i dati d'insieme rivelano processo disuniformità nello spazio e nel tempo. Questo tipo di variabilità è sistematica (ad es., Causati da a temperatura o portata gradienti all'interno di un determinato film sottile camera di deposizione), ottenendo un chiaro modello risolta spazialmente di variazione delle prestazioni, esemplificato dalla figura 12. La variazione spaziale o temporale incarna la "impronta digitale" del passo processo incriminato. In-situ campioni metrologia e di controllo possono aiutare a identificare e risolvere fonti di variabilità sistematica processo.

In secondo luogo, i dati rivelano Ensemble "fortuna-of-the-draw" o "comune-causa" varianza, cioè la variabilità statistica che interessa tutti gli elementi di ensemble ugualmente. Questa variabilità è più difficile da risolvere, perché è il risultato aggregato di molteplici fasi di lavorazione accoppiate. Common cause varianza può essere meglio minimizzato rigorosi controlli di processoe procedure operative standard ad ogni passo - certamente una proposta stimolante in una rapida evoluzione e ambiente accademico minimamente personale. Tuttavia, l'esercizio seguente illustra perché riducendo comune le cause varianza è essenziale.

L'impatto di comune causa varianza esemplificato: Un amichevole, immaginario competizione scientifica tra il Dr. meticolosa e il dottor Messy: Angela e Nessi sono ricercatori di due laboratori diversi. Sono impegnati in una amichevole competizione scientifica per verificare l'ipotesi che Process B genera dispositivi meglio di un processo di base A. ben accettato Entrambi i ricercatori utilizzano una procedura di verifica delle ipotesi standard, che presuppone che le cause comuni di varianza si traduce in efficienza distribuzioni gaussiana ( più funzioni di rappresentanza distribuzione statistiche includono log-normale per le distribuzioni senza valori anomali, e più statisticamente robusto log-Cauchy-Lorenzian per le distribuzioni con forte outliers).

Angela è noto per i suoi colleghi come "Dr. Meticolosa. "Lei si sforza di ridurre la variabilità del processo. Angela non condivide il suo beakerware con gli altri, impiega da camera di precondizionamento routine prima del film sottile di deposizione, incorpora campioni di controllo con ogni corsa di fabbricazione, e preferisce substrati di silicio IC-grade con superfici di ossidi termici invece delle superfici in vetro più variabili. Produce basali dispositivi (Process A) con un "vero" (cioè., Reale) l'efficienza del 10% e una vera deviazione standard vero) dello 0,5% medio. Fabbricazione dei dispositivi e le misure sono in termini di tempo, e lei è solo in grado di realizzare e misurare sei dispositivi (n = 6) per ogni processo.

In un altro laboratorio, Nessi è al lavoro. Per i suoi colleghi, Nessi è noto come "Dr. "I suoi fabbricazione e metrologia strumenti disordinato. Si trovano in una struttura di uso comune. Quando è il suo turnoper usarli, lei non prende le precauzioni necessarie per assicurare una bassa comuni cause varianza. Ma a causa della sua sciatteria, la sua vera deviazione standard è di 1,5% assoluto (3 × maggiore di Angela). Questo σ superiore vero riflette condizioni sperimentali meno controllati. Tuttavia, poiché Nessi utilizza materiali materie prime di maggiore purezza, il suo processo di base A raggiunge una vera media del 10,6%. Nessi costruisce e misure N = 6 dispositivi per processo.

Supponiamo che Process B migliora "vero" efficienza dispositivo del 10% relativa (vale a dire, il 10% migliora al 11%;. 10,6% migliora a 11,7%). Sia Angela e Nessi applicare il teorema del limite centrale per le N = 6 dispositivi che ogni fabbricano, come mostrato in Figura 13 Si noti che i "veri" distribuzioni (Figure 13A, D, G) sono nascosti i ricercatori.; osservano soltanto i loro dati sperimentali (Figuras 13B, E, H) e la Gaussiana risultante si adatta, errori standard e intervalli di confidenza (figure 1C, F, I).

Da un lato, un maggiore controllo di processo di Angela (minore variabilità, σ più piccolo vero) le permette di rifiutare l'ipotesi nulla, concludendo con fiducia> del 95% che del processo B è superiore a processo A (Figura 13C). D'altra parte, Nessi, che ha una maggiore σ vero, non si può concludere che Process B è meglio di Processo A (Figura 13F) con N = 6. Anche se Nessi ha la fortuna di fare due dispositivi con efficienze che sono più alti di qualsiasi Angela (Figure 13B, E), Angela sta vincendo la corsa di pubblicare il documento scientifico che rivoluzionerà il modo in cui il suo campo pensa Process B.

Nessi si rende conto che ha bisogno di aumentare le sue intervalli di confidenza, che la impone di ridurre il suoerrore di misura standard (SE), vale a dire.,

Equazione 2 . [1]

Nessi può perseguire uno dei due approcci per la partita di Angela 3 × minore SE: Nessi può ridurre il suo vero variabilità o) di un fattore di 3, o aumentare N di un fattore 3 2 = 9. Nessi ottiene l'accesso a un alto dispositivo di misura il throughput apparato, aumentando N da 9 ×. Tale miglioramento compensa la 3 × maggiore variabilità di processo, ed è in grado di rilevare una differenza statisticamente significativa tra i processi A e B, rifiutando l'ipotesi nulla con> 95% di certezza (Figura 13I). Lei è tornato in corsa per la pubblicazione.

Elevate efficienze di base aumentano le probabilità di verifica delle ipotesi di successo: Concentrandosi sulla equazione per SE (equazione 1), si può vederecome aumentare le prestazioni di base aumenta le probabilità di verifica delle ipotesi di successo. Se il suddetto processo B sono stati testati su un dispositivo Efficiente basale 5% invece del 10%, il miglioramento dell'efficienza assoluta sarebbe solo 0,5% anziché 1%. Supponendo σ o è invariato, il numero minimo di campioni necessari per respingere le ipotesi nulle aumenta da 4 ×. Così, migliorando le prestazioni del dispositivo di base ha lo stesso effetto matematico riduzione σ, cioè., Un miglioramento 1-a-1 in intervalli di confidenza.

Ultima parola: Ridurre errore standard è essenziale per ridurre al minimo il rischio di test di ipotesi inconcludenti. Errore standard può essere ridotta diminuendo comune causa varianza, manifesta o σ, che si traduce in una riduzione di 1-a-1 in SE. Migliorare le prestazioni di base ha un effetto equivalente. Si può anche aumentare le dimensioni del campione N, ma questo avrà un deboleer impatto sulla SE causa della radice quadrata (crescente N aumenta anche il rischio di variazione sistematica).

L'importanza di applicare statistiche sperimentale è ampiamente accettato in biologia e fisica (comitati statistiche cf permanenti esperimenti affatto di alta energia). 15 Al fine di migliorare la qualità dei dati di reporting nel fotovoltaico, si raccomanda che i ricercatori prestare attenzione al 99% dei dispositivi che fabbricare, e adottare la verifica di ipotesi con ensemble di dati.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori desiderano ringraziare Paul Ciszek e Keith Emery dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) per misure JV certificati, Riley Brandt (MIT) per photoelectron misure di spettroscopia, e Jeff Cotter (ASU) per l'ispirazione per la sezione verifica di ipotesi. Questo lavoro è supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso l'iniziativa SunShot sotto contratto DE-EE0005329, e da Robert Bosch LLC attraverso la Bosch Energy Research Network sotto concessione 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, e K. Hartman riconoscono il sostegno, la fondazione Alexander von Humboldt, una DOE EERE Postdoctoral Research Award, e Intel PhD Fellowship, rispettivamente. Questo uso lavoro fatto del Center for Nanoscale Sistemi dell'Università di Harvard, che è sostenuto dalla National Science Foundation sotto award ECS-0.335.765.

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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Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e 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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