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Engineering

熱蒸着および原子層堆積法によって記録し、効率のSnS太陽電池を作ります

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

錫スルフィド(SNS)は、地球の豊富な、非毒性の太陽電池の候補吸収材料です。 SNSが合同熱蒸着によって容易位相制御と急速な成長を提供し、それが強く、可視光を吸収します。しかし、長時間のSnS太陽電池の記録パワー変換効率は2%未満のままでした。最近では、熱蒸着を用いた原子層堆積によって堆積のSnS、および3.88パーセントを使用して4.36パーセントの新しい認定記録効率を実証しました。ここでは、これらのレコードの太陽電池の製造手順を説明すると、製造プロセスの統計的分布が報告されています。単一の基板上で測定効率の標準偏差は、典型的には0.5%以上です。基質の選択および洗浄を含むすべてのステップは、Moが記載されているリアコンタクト(カソード)のSNS堆積、アニーリング、表面パッシベーションはZn(O、S)バッファ層の選択および堆積、透明導電体(陽極)の堆積、及び金属スパッタリング。各基板上に、我々は、アクティブ領域とそれぞれ0.25センチメートル2 11個々のデバイスを、製造します。また、模擬太陽光の下での電流 - 電圧曲線の高スループット測定、及び可変軽バイアスと外部量子効率測定のためのシステムが記載されています。このシステムでは、我々は、自動化された方法で、最小限の時間ですべての11のデバイスの完全なデータセットを測定することができます。これらの結果は、大規模なサンプルセットを勉強ではなく、最高のパフォーマンスデバイスに狭くフォーカスの値を示しています。大規模なデータセットは、私たちは私たちの機器に影響を与える個々の損失機構を区別し、改善するのに役立ちます。

Introduction

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薄膜太陽光発電(PV)は、関心と重要な研究活動を魅了し続けます。しかし、太陽光発電市場の経済は急速にシフトし、商業的に成功した薄膜PVを開発しているが、より困難な見通しとなっています。当然のウエハベースの技術を介して製造コストの優位性はもはや行われないことができ、効率化とコストの両方の改善が対等な立場で求められている必要があります。1,2このような現実を踏まえて、我々はのための吸収材料としてのSnSを開発することを選択しました薄膜PV。 SNSが低い製造コストにつながる可能性が本質的な実用上の利点があります。高い効率を示すことができる場合は、商用薄膜PVでのCdTeのドロップイン代替品として考えられます。ここでは、最近報告されたSnS記録太陽電池の製造手順が示されています。我々は、このような基板の選択、堆積条件、デバイスレイアウト、及び測定プロトコルなどの実用的な側面に焦点を当てます。

SNは、非毒性地球豊富で安価な要素(錫と硫黄)で構成されています。 SNSは1.1 eVでの間接的なバンドギャップを有する不活性、不溶性の半導体固体(鉱物名Herzenbergite)で、1.4 eVの上記のエネルギーを有する光子のための強力な光吸収(α> 10 4 cm -1で)、およびキャリア濃度の内因性のp型の導電性範囲の10月15日から10月17日まで cm -33 -重要な7は 、SNSが合同蒸発し600℃までの相安定である8,9これは、たSnSは熱蒸発(TE)と高いによって堆積することができることを意味します。のCdTe太陽電池の製造に使用されているよう-speedいとこ、密閉空間昇華(CSS)。またのSNS位相制御は、特にたCu(In、Gaの)(S、SE)2(CIGS)及びCu 2 ZnSnS 4(CZTS)を含む、ほとんどの薄膜PV材料よりもはるかに単純であることを意味します。したがって、細胞EFFICIENCYはPVのSnSの商業化への一次障壁として立って、やSNSを一旦高い効率を実験室規模で実証されたCdTeのドロップイン置換と考えることができます。しかし、この効率の障壁は誇張することはできません。我々は、記録効率が商業開発を刺激するために、〜4%〜15%から、4倍に増加しなければならないと推定しています。ドロップインのCdTeの代替としてSNを開発することは、高品質のSNの成長CSSによる薄膜、およびSNSは直接成長させることができるその上のn型の相手材料の開発が必要になります。

以下は、2つの異なる堆積技術、原子層堆積(ALD)とTEを使用して、レコードのSnS太陽電池を製造するための段階的な手順について説明します。 ALDは、低成長法であるだけに、最新の高効率のデバイスをもたらしました。 TEは、より速く、工業的にスケーラブルであるが、効率がALDに遅れます。別のSNS堆積方法に加えて、TEとALD太陽電池は、アニール、表面パッシベーション、および金属化ステップで若干異なります。デバイスの製造工程を図1に列挙されています。

手順を説明した後、認定記録装置および関連するサンプルについての試験結果を示します。記録結果は、以前に報告されています。ここでの焦点は、典型的な処理の実行の結果の分布にあります。

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Protocol

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1。基板の選択および切断

  1. 購入厚い熱酸化物とSiウエハを研磨します。ここで報告されたデバイスについては、300 nm以下厚い熱酸化物で厚さ500μmのウェーハを使用しています。基板の選択基準は、ディスカッションのセクションで説明されています。
  2. 代表的なポジ型フォトレジスト(SPR 700またはPMMA A. 495)およびソフトベーク(100℃で30秒)をスピンコートウェーハの研磨面を。
    注:これは、その後の切断工程時に損傷や汚染を防止するための保護層です。
  3. 1 "×1"(25.4 X 25.4ミリメートル2)の正方形基板にウエハーを切断するために、ダイソーを使用してください。

2.基板洗浄

  1. 60°C - 45で5分​​間、脱イオン(DI)水中で超音波浴に続く圧縮窒素銃を使用して切断工程から生じる微粒子および他の残留物を除去。
  2. 超音波BAにフォトレジスト層を除去60℃ - 45で5分​​間アセトン中番目。
  3. アセトン、エタノール、イソプロピルアルコール:60°C - 3以降の超音波風呂、45で5分​​間すべてと露出された基板をきれいにしてください。基板は石英キャリアに残っている間、圧縮窒素銃で乾燥させることによって終了します。

3. Moのスパッタリング

  1. 高真空スパッタ装置に清浄なSi /のSiO 2基板をロードします。基板プレートが非加熱であり、基板の回転が有効になっていることを確認してください。ここで報告されたデバイスの場合、2「ターゲットと約4の投写距離」と傾斜マグネトロン銃を持った商用システムでの処理。
  2. 比較的高いバックグラウンド圧力のArのような10ミリトールで第1の層(接着層)を堆積させます。ここで報告されたデバイスについては、2.6オングストローム/秒の成長率、および360nmの厚さである第一のMo層を与える180 W(DC)のスパッタパワーを持つプロセス。
  3. 第二の入金比較的低いバックグラウンド圧力のArのような2ミリトールで層(導電層)。第一層(180 W)と同じスパッタパワーを使用し、同じ厚さで堆積させます。
    注:ここで報告デバイスは、第一層と同じ、厚い360 nmであった第二のMo層を有していました。
  4. Moの堆積の後、のSNS成膜工程まで真空下で基板を格納します。

4.のSNS堆積

注:ALD堆積技術は、サブセクション4.1に記載されており、TE堆積は、サブセクション4.2に記載されています。 ALD堆積システムを図2に示し、TE堆積システムは、 図3に示されています。

  1. ALDによる預金のSnS
    1. 反応器内にロードする前に、有機粒子を除去するために、5分間UVオゾンクリーナーでのMo基板を置きます。その後、基板ホルダーに基板を配置し、堆積ゾーンに挿入。
    2. 炉テンペを安定させます堆積を開始する前に、200℃でrature。
    3. のSnSにビス(N、N '-diisopropylacetamidinato) -錫(II)の反応から薄膜を成長[錫(MEC(N -iPr)2)2、Snの(AMD)としてここで呼ばれる2]、硫化水素(H 2 S)、4。
      1. 95℃の一定温度でのSn(AMD)2前駆体を保管してください。堆積ゾーンにオーブンで容器からのSn(AMD)2蒸気の供給を支援するために、純粋なN 2ガ ​​スを使用してください。各ALDサイクルの間に、Snを供給3回投与(AMD)1.1トル秒の合計露光用2前駆体。
      2. 硫黄源としてN 2中4%のH 2 Sの混合ガスを使用してください。硫化水素蒸気への曝露は、用量あたり1.5トル秒であることを確認してください。 H 2 Sの分圧とN 2中のH 2 Sの全圧は、それぞれ、0.76トルと19トルであることを確認します。
    4. 集合T彼は、Snの前駆体量と堆積速度を上げるためにわずか1秒(ほとんどの他の従来のALD手法に比べて短く)なるようにH 2 S量との間の時間をポンピング。
      注:Snの前駆体は完全にこの短い励起時間によって除去されないため、H 2 Sが到着したときに、いくらかの残留錫前駆体が残っています。したがって、プロセスは、パルスCVDプロセスとして記述することができました。のSNS膜の成長速度は0.33Å/サイクル、または0.04オングストローム/秒です。
  2. TEによる預金のSnS
    1. プロセスチャンバ圧力は2×10 -7 Torr以下であることを確認してください。ロードロックを介してチャンバ内に基板をロードします。単一のクリップで、または基板プレートにネジ止めされている適切なサイズのポケットを持つカスタム基板ホルダーのいずれかでプレートに基板を保持します。
    2. その設定値にソースと基板ヒータをランプアップします。装置は、基板温度が240°Cであり、ここで報告され、成長率が1の場合7; /秒; 610°C(源粉末の単一のロード時間と必要なソース温度が上昇) - 領域550のソース温度を設定し、この成長率を達成します。目標膜厚は1000nmです。
    3. プロセスチャンバ内にQCMアームを移動させることによってのSNS成膜前後の水晶モニタ(QCM)を使用して堆積速度を測定します。 QCMは、基板成長位置に移動させることができるように、この測定のために基板を上昇させます。
      注:堆積速度は(0.05Å/秒の偏差±)3時間の堆積時間にわたってかなり一定のままです。
    4. 堆積後、空気に通気する前に戻ってロードロックにサンプルを転送します。すぐに真空中または次の処理ステップの前に、不活性雰囲気グローブボックスのいずれかで貯蔵中に空気を介してサンプルを輸送します。
      注:典型的な意図しない空気曝露時間は約3分です。典型的な保存時間は一日とAWとの間にありますEEK。

5.のSNSアニーリング

注:このステップは、ALDおよびTE太陽電池に少し異なる方法で実行されています。 ALD太陽電池のアニーリング手順は、サブセクション5.1に記載されており、TE太陽電池のための手順は、サブセクション5.2に記載されています。アニーリングの目的は、ディスカッションのセクションで説明します。

  1. H 2 Sガス中のALD成長のSNSフィルムをアニール。
    注:このステップは、ALDの成長のために使用したのと同じ方式で行われます。
    1. 10トールの40 SCCMと圧力の流量で純粋なH 2 Sガス(純度99.5%)を使用します。
    2. 400°Cの温度までのSNSフィルムを加熱し、H 2 Sガス環境中で1時間保持します。ガスが上下に傾斜温度など、プロセス全体を通して流れていることを確認してください。
  2. H 2 Sガス中のTE-成長のSNSフィルムをアニール。専用のチューブ炉で、この手順を実行します。
    1. ロード番目炉のホットゾーン領域にきれいな水晶板とスライド上に電子サンプル。
    2. 炉を密封した後、純粋なN 2で3回パージし、ベース圧力までポンプダウンすることを可能にします。
    3. 28トールで4%のH 2 Sの100 SCCMでガスの流れを確立します。
    4. 10分かけて400℃まで温度をランプアップします。サンプルは、ホットゾーンで補助なし冷却することができ、その後、1時間400℃で保持します。サンプルは60℃以下に冷却されるまで一定のH 2 Sガスの流量と圧力を維持します。サンプルを削除して、いずれかの次のステップに進んですぐ、または不活性ガスグローブボックス内のストレージに入れます。

ネイティブ酸化物と6のSNS表面パッシベーション

注:このステップは、ALDおよびTE太陽電池に少し異なる方法で実行されています。サブセクション6.1でALD太陽電池用表面保護手順が記述され、TE太陽電池のための手順は、サブセクションに記載されています6.2。このステップの機能は、さらなる議論のセクションで説明します。

  1. ALD-成長したサンプルについては、ALDでのSnO 2の薄層を成長させます。
    注:私たちはのSNSの成長のために使用されるものとは異なる反応装置を使用しています。
    1. スズの環状アミドとの反応によりたSnO 2を成長[(1,3-ビス(1,1-ジメチルエチル)-4,5-ジメチル- (4R、5R)-1,3,2-diazastannolidin -2-イリデン)錫(II)]と、過酸化水素(H 2 O 2)。 43℃のオーブン内で環状アミドスズ前駆体を保管し、そしてRTでバブラー中のH 2 O 2。
    2. 堆積のための120℃の基板温度を維持します。
    3. 5サイクルの合計のために、それぞれ0.33およびサイクル当たり1.5トル秒を使用して、スズ前駆体とH 2 O 2を公開します。 X線光電子分光法(XPS)分析10によって測定されるように、得られたSnO 2の厚さは、0.6〜0.7 nmであることを確認してください。
  2. TE-成長したサンプルの場合は、THIを形成大気暴露によるSnO 2をN層。
    1. 24時間実験室周囲の空気にサンプルを公開します。 XPS分析によって測定されるように、得られたSnO 2の厚さは、約0.5 nmであることを確認してください。
      注意:一般的なRTが24±1℃であり、典型的な湿度は45%±13%(夏に高い)です。ここで報告されたデバイスのために、値はそれぞれ24.6 Cおよび<30%でした。

のZn(O、S)/ ZnOのバッファ層7を堆積

注:このステップでは、ALDによるのSNS成長のために使用されるのと同じALDチャンバ内で行われます。

  1. ALDによるN層:亜鉛(O、S)を成長させます。
    1. 120℃の基板温度を維持します。
    2. 成長のZn(O、S):ジエチル亜鉛の反応亜鉛(Zn(C 2 H 5)2、DEZ)、脱イオン水(H 2 O)、S 2 N 2中4%H、およびアンモニアからALDによるN(NH 3)11。バブラcontaiを保存RTで寧DEZ。のサイクルシーケンスを使用して、[DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1、このスーパーサイクルを12回繰り返します。アンモニアの露出が11トル秒であることを確認してください。
    3. ラザフォード後方散乱分光法12によって測定されるように得られたフィルム中のS / Znの比は、0.14であることを確認し、フィルムの厚さは約36 nmであること。
  2. ALDによりZnO層を成長させます。
    1. 120℃の基板温度を維持します。
    2. DEZ-H 2 Oの50 ALDサイクルでのZnOを成長させます
      注:得られたZnO膜の厚さは約18 nmです。

透明導電酸化物(TCO)、インジウムスズ酸化物(ITO)の8堆積

  1. 実験用レーザーカッターを使用して、0.024 "(610μm)のアルミニウム6061シートからITOのシャドウマスクをカットします。
    注:マスクは0.25 cm 2である11長方形のデバイスを定義しますサイズと光反射率測定のために使用される一つの角が大きいパッドは、 図4を参照してください。
  2. マスクアライナ内のデバイスとマスクをマウントします。
    注:これは、所定の位置にマスクを確保するために、ネストされた基板用ポケットやマスクやクリップでアルミ板です。
  3. 反応性マグネトロンスパッタリングによりデポジットITO。
    1. 約80に基板を加熱 - 90℃と基板回転を可能にします。
    2. 4ミリトールの全圧のAr / O 2ガス流量SCCM 40 / 0.1と65 W、RFスパッタ電力で直径2インチのITOターゲット(2 O 3 / SnO 2の 90/10重量で。%、純度99.99%)を使用します。
    3. 240 nmのITO膜を成長させます。
      注:これらのパラメータを使用すると、範囲の0.5オングストローム/秒、シート抵抗の成長率は40から60Ω/□が達成されます。

9.メタライゼーション

  1. 127ミクロンの厚さのオースティンからのメタライゼーションシャドウマスクをカットITICステンレス鋼板。
    注:これらのマスクは、営利企業による+ 10 / -5μmの公差で切断されています。金属パターンは、1.5ミリメートルで区切られた2本の指、長い各7ミリメートルであり、x 1 mm 2のコンタクトパッドで構成され、 図4を参照してください。
  2. ステップ8.2のように、マスクアライナ内のデバイスとマスクをマウントします。
  3. (TEデバイスの場合)デポジットのAgまたはNi / Alの(ALDデバイスの場合)、電子ビーム蒸着により。
    1. 電子ビーム金属蒸着装置の基板プレート上にマウントマスクアライナ。 1×10 -6トール未満のベース圧力にポンプダウン。
    2. 2オングストローム/秒の速度で金属を蒸発させます。 500 nmの全金属の厚さを堆積。

10.デバイスの特性評価

  1. 太陽の光をシミュレートし、暗所でとAM1.5内のすべてのデバイスの測定-電流-電圧(「V J」)を実行します。
    1. Jを収集することによってソーラーシミュレータを校正- Vデータ FR較正されたシリコン太陽電池OMとAM1.5の日射のために較正された電流値に達するまで、ソーラシミュレータのランプ電力と高さを調整します。
    2. トップ(アノード、AgやAl)で、ボトム(カソードはMo)層の両方に接触するベリリウム銅ダブルプローブ·チップを使用して、4線式モードでデバイスにお問い合わせください。メスの刃でバッファやSNS層を離れてスクラッチすることにより底層にお問い合わせください。
    3. メジャー明暗J - Vデータソーシング電圧によってソースメータを使用し、電流を測定します。
      注:デバイスは、典型的には0.5±範囲内で測定されたV.デバイスは、電圧スイープの方向や速度に応答しません。通常の試験のための領域を規定する光開口部が使用されていません、詳細については、議論のセクションを参照してください。
  2. 可変光と電圧バイアスで、すべてのデバイス上の外部量子効率(EQE)の測定を行います。
    1. RESPOを測定することにより、EQEシステムのキャリブレーションSiの較正フォトダイオードのNSE。
      注意:ソフトウェアは、それに応じて光レベルを調整するために、NIST担保規格に行われた測定に、このデータを比較します。
    2. ステップ10.1.2のように、4線式の方法を使用してデバイスにお問い合わせください。
    3. 270 1100ナノメートルの波長範囲にわたって100Hzでチョップ単色光を試料に照射し、結果として生じる電流を測定する商業的システムを使用して、EQEを測定します。メーカーの標準的な操作手順に従って、この測定を行います。
    4. 可変電圧と白色光バイアスをEQE測定を繰り返します。光バイアスを供給するために電圧バイアスを供給するためのソースメータ、およびハロゲンランプを使用してください。前方の両方でデバイスを測定し、電圧バイアスを逆転し、〜1太陽までの可変白色光強度の下で。
    5. 内部に外部変換するために積分球を分光光度計を使用してITOの上部表面の光反射率(%のR)を測定量子効率(IQE)。メーカーの標準的な操作手順に従って、この測定を行います。

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Representative Results

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上述したようににおいて6-8の結果は2つの代表的な「ベースライン」TE-成長したサンプルについて示されています。イルミネーションJ -これらの二つのサンプルに対するVデータ図6にプロットされた第1のサンプル(「SnS140203F」)は、以前に報告された3.88パーセントの認定された効率を有するデバイスをもたらした9代表JV分布は、各試料について示されています。。。所定のバイアス電圧は、これらの分布は次のように計算され式(1)ここで、<J>は 、すべてのデバイスのために測定した電流密度の平均値である、σJは、これらの測定値の標準偏差であり、Nは測定値の合計数です。つまり、平均値と標準誤差は、グラフィックで表現されます。この表現は、異なるサンプルからの結果を比較すると、視覚的に評価することができます結果として得られるデバイス性能のデバイス製造における変更の影響。

J - Vデータは、サンプルは、サンプル上のデバイスとの間で変化するシャント抵抗との問題を抱えていることを示唆しています。この結論はさらに、 図7及び図8により補強されています。 図7では、標準的な太陽電池パラメータがプロットされている-開回路電圧(V OC)、短絡電流密度(J SC)、曲線因子(FF)、および電力変換効率- 図6に示された全て同じデバイス用ザ。バーグラフ表現は、視覚的にパラメータ間の相関を識別するのに役立ちます。これらのサンプルについてはほとんど明らかな相関は、シャントまたは直列抵抗損失に苦しむデバイスに対して予想されるように、効率性とFFの間にあります。第二のデバイスのための効率とV OCとの間に明らかな相関関係もあり、シャント抵抗損失のために予想されるように。

これらの相関は、図8に示した多変量プロットすることにより明示的に行われている。ここで、V OC を、Jの SC、及びFFシリーズ(R )およびシャント(R sh )抵抗値に対してプロットされている。R s ​​およびR SH 線形を用いて計算されますそれぞれ、0.5および0 V付近でVデータ - Jにフィットします。 Vデータ -多くの場合、Jに適合することができるダイオードモデルのパラメータとしてR sおよびR sh 抽出した方が良いでしょう。しかし、比較的低効率太陽電池のためにそこに損失の多くの源であり、高効率機器のための成功のダイオードモデルは信頼できません。したがって、より強固な技術によりR sおよびRの SHを抽出することが好ましいです。結果の値が正確ではないかもしれないが、TRENDSは依然として有益であり、開発を導くために使用することができます。シャント抵抗図8確認のデータが損失の主な原因です。これは、FF(R sh )で上昇傾向に最も明瞭に見ることができます。データは、デバイス開発の現段階では、シャント抵抗は、他のプロセス改善の効率向上が明らかになるようにするために約200Ωcmの2よりも大きく維持されなければならない、ということを示している。R s ​​はここで報告されるデバイスを制限しないように表示されます。 R s 値は、典型的には0.5Ωcmの2であり、まれにしか1Ωcmの2の上方ベンチャーありません。

一つの代表「ベースライン」は、上述のようにALD成長のサンプルについての結果を図9に示されている。ALD装置は4.6%の効率を示す最適なデバイスで、TEデバイスよりも優れた性能を示します。別のSNS成長法、Tほか製作手順は酸化によってのSNS表面パッシベーションが異なるWO。 ALDサンプルが空気を破ることなく成長チャンバ内でアニールしながら加えて、TEサンプルは、膜成長およびアニーリングの間に、実験室の空気にさらされています。 ALD-成長したサンプルは、TE-成長したサンプルよりもシャント抵抗損失が少ないという特徴を有しているように見えます。この違いの理由は知られていません。これは、ALD成長のSNSフィルム起因自己制限的成長モードと遅い成長速度に、TE-成長した膜よりも、よりコンパクトであることが可能です。

認定されたデバイスの試験は、 図10に再現されている。左側に9,10- ALD成長のSNS層を使用して認定記録装置が示されています。このサンプルの認定効率4.36%であり、効率的な4.54パーセントまでのデバイスは、同じ製造手順を用いて測定されてきました。右側にはTE-成長のSNS層を使用して認定記録装置が示されています。このサンプルの認定効率3.88パーセントであり、4.1%までのデバイスは、同じ手順で測定されています。 3.88パーセント認定試験結果がよく、図7に示すように、平均値±標準偏差は、0.4%±3.5%であるために、同じサンプルについて測定範囲内であることに注意してください。

周囲条件におけるTE成長のSnS太陽電池の安定性を実証する。図11の結果を示します。選択したサンプルJについて- V試験を前に、最大11ヶ月間保存した後に行われました。試料を空気中で保管され、カプセル化することなく、周囲の光に曝露しました。 図11に示されているすべての4つのサンプルは多少異なり、ここで報告された手順よりも処理しました。これは歴史的な理由のためであり、ここで報告デバイスが異なる安定特性を持っているだろうと思う理由はありません。処理の違いは、図のキャプションで説明され、それらが変化するperformancを占めていますデバイスの電子。主なポイントは、最小限の劣化が年間にわたって観察されることです。これは、太陽電池は、このような蒸し暑さや長時間のフルスペクトル照明のような、より加速寿命試験を、生き残る方法のSnS見られることを残ります。

図1
図1.デバイスの製造プロセス。デバイス製造プロセスの列挙、金属化基板切断(#1、下)(#9、上部)から。

図2
図2原子層堆積(ALD)システムの概要。(トップ)ALDシステム概略図。 (下)ALDシステム写真、重要なコンポーネントは、番号とラベルされたと。このシステムは、堆積のSNS、のSNSアニーリング、及びバッファ層の堆積を行い、ゴードに座っていることができますハーバード大学のグループに。これは、ホットウォール蒸着管からなり、前駆体保管するために使用される二つのオーブンは、ガスを提供し、制御システム、温度制御システムと、回転翼の機械的真空ポンプ。基板ホルダは、最大で8 1 "×1"の正方形の基板を置くことができます。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図3
図3.熱蒸着(TE)システムの概要。重要なコンポーネントは、番号とラベル付けされています。このシステムは、のSNS堆積に専用であり、MITのBuonassisiグループ内に位置しています。システムは、処理チャンバとロードロックから成ります。プロセスチャンバは、典型的には、高真空条件(1×10 -8トル)下に維持し、シャッターと基板ステージを備えています試料回転と放射加熱、及びソース蒸着用シャッターエフュージョンセル。チャンバはまた、成長速度を測定するために、基板プレートの真下に位置する引き込み式の水晶モニタ(QCM)、および基板の温度を測定する高温計を有しています。市販のSNS粉末は、前述の熱前処理して、前駆体のために使用される。9基板プレートが一つの大きなデバイス基板(2における1×1)と小さい方の基板(2×1 1/3)を保持しますのSNS膜測定のために使用されます。基板からのソースオリフィスまでの距離は10cmである。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図4
図4.配線パターンとサンプル写真。&# 160;左の図は、0.25 cm 2のデバイスのための金属化パターンを示しています。明確にするためにTCOのフットプリントは、ただ1つのデバイス上に概説されています。また、光反射率測定のために使用されるより大きなTCOパッドの位置が示されています。右の写真は、TE-成長したSnSと実際のサンプルを示しています。左側の傷領域は、テストのための基礎となるMo層へのコンタクトを提供します。写真:KJ王この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図5
プローブカードと5.デバイスのテスト図 。このトップダウンの画像は、カスタムプローブカードと同時に接触複数のデバイスでテストステーションチャックに取り付けられたサンプルを示しています。サンプルの半分だけが、この画像に表示されます。jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図6
図6. J -つの異なる「ベースライン」TEサンプル上のデバイスのVをテストします 。明確にするために、与えられたサンプルのすべての12のデバイスは、(灰色または赤)同じ色でプロットされています。本文中に記載されているように、各サンプル上のすべてのデバイスのVエンベロープ (±標準誤差平均)、 -代表Jもプロットされています。これらの測定は、面積を規定する光開口せずに実施した。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

2ベースラインTEサンプル図7.太陽電池試験パラメータ試験結果は、試験した各デバイスのための単一のライン上にプロットされている- 相関がより明らかにするために- 「SnS140203F」(上)と「SnS140306H」(下)のための11のデバイスごと。各プロットは、各ディストリビューションのための最高の、平均、標準偏差(SD)、および標準誤差(SE)を報告されているの上に。 (例えば)最高のV OC 最も高い測定されたV oc ではなく、最も効率的なデバイスのV OCであることに注意してください。これらの測定は、面積を規定する光開口せずに実施した。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図8
図8. S eriesと2ベースラインTEサンプル用のシャント抵抗多変量プロット。表現デバイスは、 図6-7に報告と同じです。本文中に記載されているように、直列(Rの S)とシャント(R sh )抵抗値が算出される。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図9
図9. JVテストと1のベースラインのALDサンプルのテストパラメータ。(トップ)JV曲線は良好なピーク性能を示すが、いくつかのデバイスは、明らかに低シャント抵抗に苦しみます。 (下)テストパラメータは、シャント抵抗損失と一致して、効率とFFの間に強い相関関係を示します。これらの測定は、領域画定光アパーチャなしで行いました。.jove.com /ファイル/ ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図10
図ALD-とTE-成長装置のための10の認定結果。国立再生可能エネルギー研究所、米国でPVパフォーマンス解析チームによって行わ認定。 Sinsermsuksakul に報告されているように(左)は、ALD認定レコードは、4.36パーセントである。10(右)シュタインマンに報告されているようにTE認定レコードは、3.88パーセントである。9 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図11
図11.長時間駅のSnS太陽電池の性J - 。空気中に格納されていると、カプセル化することなく、周囲の光にさらされながら繰り返し、ほぼ一年の期間にわたって測定した試料のVをテストします。各パネルについては黒の曲線が最初の測定を示し、赤色の曲線は、最終的な測定値を示し、曲線が示す点線。細い線は、各テストのための最高の装置を示し、太い曲線は代表Jである-本文中に記載されているように、各サンプル上のすべてのデバイスのVエンベロープ (±標準誤差平均)。 (A)いいえ、H 2 Sのアニール工程:すべての4つのパネルは、以下の相違点を除いて、この原稿に記載されるように処理したTE-成長したサンプルを示します。 (b)は、シンナー吸収層、650 nmの。何のH 2 Sのアニール工程ません。空気暴露は、30分間200℃で行いました。 (C)シンナー吸収層、厚い650 nmの。何のH 2 Sのアニール工程ません。バッファ層のw高い硫黄含有量と無窒素ドープ番目。 (d)の反射防止コーティングは、デバイススタックの最上部に堆積されます。測定間の時間は、それぞれ50週、48週、48週、およびパネルA、B、C、Dのための28週間であった。この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図12
図6-8に報告されているように、図12 2のベースラインのTEサンプル全体の空間的不均一性の可視化。結果は同じです。あり、各サンプルに11のデバイスは、各デバイスは、色測定効率に従って符号化されます。カラーマップは、両方のサンプルについても同様です。黒と白のハッチングは、デバイスが測定されなかったいずれかのことを示し、又は全く装置(各サンプルの一角として)存在しませんでした。

図13
図13は、一般的な原因分散の存在下で、仮説検証の例を説明しました。架空の人物はアンジェラとネッシは別途プロセスBは、プロセスAのアンジェラよりも高効率太陽電池をもたらすという仮説をテストしている優れたプロセス制御が、わずかに低いベースライン効率よりを持っていますネッシ。 (A、D、G)アンジェラとネッシの結果に対する真の確率分布。 (B、E、H)個々の測定値。 (C、F、I)測定分布。唯一の6サンプルと、アンジェラは、帰無仮説を棄却することができますが、ネッシはできません。完全な説明のテキストを参照してください。 表示するにはこちらをクリックしてください図の拡大版。

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Discussion

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基板選択クリーニング

酸化されたSiウエハが基板として使用されています。基材は、得られる太陽電池の機械的支持体であり、その電気的特性は重要ではありません。市販Siウエハは、典型的には、市販のガラスウェーハよりもきれいであり、これは、基板の洗浄に時間を節約するため、Siウエハをガラスに好適です。 Siはまた、成長およびアニーリングの間に、より均一な加熱をもたらす、ガラスよりも高い熱伝導率を有する基板。市販ガラスウェーハと、それは汚染のすべての可視痕跡を除去するために、暖かい超音波浴が続く手袋をはめた指でマニュアル摩擦を含む洗剤で基板を、きれいにする必要があったし、その後も基板の清浄度がないことが判明しました保証されます。これは、実験的に、ガラスやSi基板の選択は、デバイス性能に影響を及ぼさないことが確認されました。 Howevえー、この比較は、デバイスを用いて実施した2%であった - 3%効率的な範囲、およびベースラインの効率が向上するように繰り返し比較は価値があるだろう。

典型的には10以上の基板は、カスタム設計された水晶ウエハキャリアを使用して、一度に洗浄されます。これは、ピンセットで個別にウエハを処理するよりも、より再現性のある結果が得られます。

Moのスパッタリング

それは残念な結果は、いくつかの異なるベンダーから入手基板を用いて得られた後に、購入のMo-被覆基板ではなく、社内の接点(陰極)のMoをバック堆積することを決めました。購入した基板に問題が清潔、層間剥離、またはその両方で発生した(ガラス上のMoをスパッタ)。 Mo膜は、以下によって公開された結果によれば、二つの層に、Si / SiO 2基板への接着用と高伝導のための1つに、DCマグネトロンスパッタリングによって堆積されますスコフィールドE t のアル 。13

典型的なMo膜は約1Ω/□のシート抵抗を有する厚い720 nmです。シート抵抗は、それぞれのMo成長ランの後に4点プローブシステムを使用して犠牲基板上で測定されます。また、基板との密着性が手術用メスの刃を使用して試験されます。よく付着したフィルムは、脱積層することなく、適度な圧力で外科用メスで手によってスクラッチに耐えることができます。不十分な接着フィルムは、脱ラミネートをする唯一のわずかな圧力で。なお、Moの成長の前に、スパッタリングチャンバ内の基板の短プラズマ洗浄ステップは、良好な接着性を得ることが重要であることが観察されました。この洗浄工程のための典型的なパラメータは、20ミリトールのAr、20 W RF、および60秒です。

熱蒸着によってのSNSの成長

SNSがvoluで熱分解窒化ホウ素製のるつぼに市販品を購入し、低温エフュージョンセルを使用して、ソース粉末から蒸発させ、私32センチメートル3。ソースが最初にロードされるとき、それは色の微粉末と濃い灰色です。典型的には、粉末の3 4グラムがロードされます。新しい源粉末と、ソース温度は240℃に加熱された基板上に1Å/秒の成長速度を維持するために、約540℃です。成長ランの増加により、ソース温度は、一定の成長率を維持するために増加されなければなりません。必要なソース温度は610℃に達したときに粉末が交換されます。

ソース温度に密接に接続されたSnSフレークの問題です。成長率が10以上Å/秒に増加すると、大型のSNSフレークが成長膜中に観察することができます。これらは主な情報源から、またはそのような流出セルシュラウドまたはソースシャッターなどの二次ソースから発信されたかどうかは不明です。

一つの注目すべき観察は、ソース粉末のバッチが排出されるとき、それは白、多孔質残留物を残すことでするつぼの底部に。 X線回折は、これはのSnO 2であることを確認します。この残留物の重量は、典型的には0.01グラムです。

ALDによるのSNSの成長

このプロセスにおける重要なパラメータは、Sn(AMD)2前駆体に流れる窒素キャリアガスの圧力です。圧力は250トル近くに維持されますが、随時少し異なる場合があります。錫(AMD)2前駆体バブラー及びN 2ガ ​​スのトラップの体積比が5であることを考える:1、バブラー内の圧力は約50トルです。この値が大きくなりすぎると、Snの前駆体の蒸発が著しく抑制されます。一方、バブラー内の圧力が小さすぎると、バブラー及び滑らかなガス流を可能にするために(約10トルの圧力を有する)反応炉との間に十分な圧力降下がないであろう。これらのシナリオのいずれかがALに不十分なSnの前駆体になりますD反応。この問題の兆候は、反応炉の出口付近の膜厚が入口付近よりもはるかに薄いということです。各堆積中、反応器内の圧力は、システム圧力が正しい範囲内で座っていることを確認するために監視されています。

反応ゾーン内の均一な温度分布を確保するために、ホットウォール蒸着チューブの入口および出口は加熱テープで包まれています。加熱テープの下では、熱電対の温度を測定するために挿入されています。反応ゾーン内部の不均一な温度分布が異なる領域で異なるのSNS膜形態になります。より高い堆積温度では、フィルムが粗くなる傾向があり、より明るい色を有します。目で検査することができるように、200℃以下の低温では、フィルムは、高い反射率を有します。

H 2 Sのチューブ炉内のSNSアニール </ P>

アニーリング工程の目的は、形態、結晶化度、やSNS膜の電気的特性を最適化することです。 TE成長太陽電池では、アニール工程は、専用の管状炉内で行われます。この2 "直径の石英管炉、4%のH 2 S(バランスN 2)、4%のH 2(バランスN 2)、純粋なN 2及び純Arの混合物を流すことが可能です。気温は外部ニクロム加熱要素によって制御され、ホットゾーンに位置する石英包まれた熱電対を使用して監視しています。ガスは、不活性油で満たされたオイルポンプを用いて排気されます。シールは、H 2 Sに耐性のエラストマーを使用して作製されます。典型的なベース圧力は8〜20トルです。

400℃のアニーリング温度は、二次粒子成長および膜再蒸発の間のバランスです。原則的に、より高いアニーリング温度は、デバイスの性能にとって有益であるかもしれない、そして重要なFiがなく達成することができより高い炉内圧力を使用してLM損失。これは、活発な研究の対象です。

自然酸化物とのSNS表面パッシベーション

不動態化ステップの目的は、吸収体とバッファ層との間の接合部に電子トラップ状態密度を減少させるために、吸収体及びバッファ層の構成元素の望ましくない混合を防止する拡散バリアとして機能することである。14それが持ちますこの酸化工程で処理した試料はなく処理試料よりも高いV OC を有することが観察され。

このとき、酸化工程は、広く研究されておらず、おそらく最適化されていません。 X線光電子分光法の結果を使用して(図示せず)は、酸化物が良好なパフォーマンスを得るための厚さが1nm未満であるべきであり、現在のブロックを回避するためと推定されます。

透明conducの堆積ティン酸化物(TCO)、インジウムスズ酸化物(ITO)

この点ケアの前には、各段階でのサンプルの総空気露出を制御するものとします。しかし、バッファ層堆積空気暴露後、もはや制限されず、サンプルが周囲の空気に保存され、輸送されます。

以前はこの時点までに、すべての堆積が基板全体をカバーする、「ブランケット」映画でした。堆積この時点から個々のデバイスを定義するためにパターン化されています。 ITOおよび金属化の両方に堆積がレーザーカット金属シャドーマスクを使用して定義されている手順。 ITOの堆積のためには、堆積パッドの面積が急激にシャドウマスクによって定義されることが非常に重要です。面積が急激に起因マスクアライナにおけるマスクの撓みを、例えば、定義されていない場合、結果として得られるデバイスの活性領域は、0.25 cm 2の公称サイズよりもかなり大きくてもよいです。これは誤ったオーバーレポにつながることができます電流密度のrting。

メタライゼーション

金属パターンは、金属と重なることなく、ITOの上に完全に収まるように、量子効率測定ツールの照明スポットを可能にするように設計されています。 2本の指でこの制約の結果は、各7ミリメートル長い、1.5ミリメートルで区切られ、1×1 mm 2のコンタクトパッド、 図4は、このパターンは、デバイス·パフォーマンスの観点から最適ではない参照してください。デバイス性能のために最適化されたパターンは、より小さな間隔で複数の指を使用します。

AgがTE-増殖させた細胞のために使用されているとNi / AlをALD成長セルに使用されてきました。この部門は歴史であり、実験結果では接地されていません。これは、Ni / Alが長い貯蔵時間の間に腐食に対して優れた耐性を提供することが可能です。実際には、銀接点がexampために(空気中での長期保存中に腐食する傾向があることが観察されていますル、年よりも長いです)。

デバイスの特性化

(「 - V J」)収集された測定値と外部量子効率(EQE)で白色光と電圧バイアスなしで収集された測定値は、完成したデバイスの電流-電圧を使用して特徴づけられます。最新の太陽電池は、1つずつ個々のデバイスを接触させる典型的なプローブステーション構成でプローブマイクロマニピュレーターを用いて測定しました。ソーラーシミュレータとEQEシステムが物理的に切断したので、サンプルは各測定のために再連絡する必要がありました。全11のデバイスでVおよびEQE - Jを測定するために5時間-その結果、約4を取ることになります。

Jを組み合わせた統合高スループットテストステーション- VとEQE単一のサンプルチャックを使用して、連絡先のすべてのデバイスが同時に最近MITに設置されたプローブカードは、 図を参照してください。URE 5は、電気的接続は、プログラマブルマルチプレクサによって制御され、電動XYチャックステージはコンピュータ制御です。このように、J - VおよびEQEの測定は、1時間の下ですべての11のデバイスに順次に行うことができます。

エリア定義光開口をテストルーチンデバイスに使用されていません。したがって、能動素子領域が過電流密度の推定値が得られ、過小推定することができます。しかし、開口部は、多くの場合より低い効率(CFを 図7、図9及び図10)、その結果、認証機関によって使用されます。エリア定義光アパーチャを使用することは常に望ましいが、通常の試験のためには、しばしば、このようなサンプルの頂部と物理的接触を最小限にするように実用的な問題のために無視されます。による能動デバイス領域を推定アンダーの系統誤差は、より大きなデバイス領域を使用することによって軽減することができます。ここで説明する作業ではなく、小(0.2用5cm 2の )サイズは初期の技術開発のために適切に選択された(以前の段階で無金属0.03 cm 2のさらに小さなデバイス)を使用しました。ここでのデバイスは、4%の範囲内で効率的であり、再現可能であること、それは、1 cm 2以上の大きさまで増加する価値があります。

V、Suns- V OC 、容量-電圧プロファイル、およびサーモグラフィロックイン-際試料について、上記の標準的特徴付け技術に加えて、温度依存Jなどの技術を使用して試験されます。これらの技術は、このような界面再結合と直列抵抗の損失のような特定の損失メカニズムを理解し、定量化するために使用されます。

共有デバイス製造プロトコルの意義

無機薄膜PVの出版物では、デバイスのテストの結果は、(経験のある)のが添付されることはありません実験を再現する実験の詳細をufficient。この状況は、個々の研究者の間で不必要な欲求不満につながり、フィールド全体の進行を妨げます。この状況はまた、困難な他の研究グループによって使用されるものに、本明細書に記載の方法を比較することができます。この原稿に記載された技術は、(主に米国での)薄膜PVの研究者との多数の会話の助けと試行錯誤の多くの開発されました。著者らは、この作品は他の人が不必要な欲求不満を回避するのに役立ちますし、薄膜太陽電池の実験方法の報告詳細については、先例を設定することを願っています。

記載されているプロトコルの将来のアプリケーション

本明細書に記載のプロトコルは、「ベースライン」のSnS太陽電池を確立するために使用されます。ベースラインの製造プロトコルの最も重要な特徴は再現性です。絶対効率の数はそれほど重要ではありません。私nは著者の経験が、再現性は、表面不動態化を改善するか、内部欠陥密度を低減することなどによって、効率を向上させる継続的な研究を可能にする重要な属性です。反復ベースラインプロトコルがなければ、製造プロトコルへの変更の影響を判断することは極めて困難です。これは完全に仮説検証については、以下のセクションで説明されています。

ベースラインプロトコルを活用したSnS太陽電池の進行中および今後の作業は、デバイスの効率を高めることを目標に、個々の製造工程を最適化するために、ここで説明します。 n接合-これらの直接吸収体のバルクであり、pで欠陥密度に影響を与えるので、特に興味深いのは、H 2 Sのアニーリングおよび表面パッシベーション工程です。

データ集合は、仮説検証を有効に

チャンピオン効率をidolizes分野では、以上に魅力的です(非チャンピオン)デバイスの> 99% - - とそれが提供する有用な情報のアンサンブルを見て。このセクションでは、アンサンブルデータ分析の動機、そしてアンサンブルデータから有益な洞察を可視化し、抽出するための容易なアプローチを提示します。読者は、実験の統計(仮説検定)の作業の理解を持っており、与えられたデータ·セットのガウス分布、標準偏差、標準誤差、および95%信頼区間を計算する快適であることを前提とします。

簡単に言えば、アンサンブルデータ分析を削減変動の研究である、よりよい仮説検証を可能にします。可変性は、口語的に「ノイズは、「仮説駆動型のプロセスエンジニアリング、科学研究の間に「信号」を難読化。ノイズが増加するにつれて、より多くの実験が決定的にレンダリングされます。決定的実験は時間の無駄、資源、楽観しています。アンサンブルデータは、2つの方法での変動を軽減することができます:

まず、アンサンブルデータは、空間と時間の処理の不均一性を明らかにしました。可変のこのタイプは、系統的である( 例えば 、所与の薄膜堆積チャンバ内の、温度や流量、勾配によって引き起こされる)、 図12で例示性能変動の明確な空間分解パターンを得た。空間的または時間的変化問題の処理ステップの「指紋」を体現しています。 その場計測と制御サンプルは体系的なプロセス変動の発生源を特定し、トラブルシューティングに役立ちます。

第二に、アンサンブルデータが均等にすべてのアンサンブルの要素に影響を与える「運·オブ·ドロー」または「共通原因」分散、 すなわち 、統計的変動を明らかにしました。それは、複数の結合された処理工程の集約結果であるため、この変動性は、トラブルシューティングがより困難です。共通原因のばらつきが最高の厳格なプロセス·コントロールすることで最小限に抑えることができます各ステップにおける標準的な操作手順 - 確かに急速に変化する中で困難な命題と最小限のスタッフ学術環境。一般的な原因の変動を低減することが不可欠である理由それにもかかわらず、次の演習を示しています。

一般的な原因の分散の影響を挙げる:博士細心博士メッシー間の友好、架空の科学的な競争 :アンジェラとネッシは、2つの異なる研究室の研究者です。これらは、プロセスBが共通の原因の分散が(ガウス効率分布になることを前提として両方の研究者は、標準的な仮説試験手順を採用して広く受け入れられ、ベースラインのプロセスA.、より良いデバイスを生成するという仮説をテストするために友好的、科学的な競争に従事していますより代表的な統計分布関数は対数正規外れ値のないディストリビューションのために含まれており、強力なOとのディストリビューションのためのより統計的に堅牢なログコーシーローレンツutliers)。

アンジェラ博士」として彼女の同僚に知られています細心の。」彼女は、プロセス変動を低減しようと努力しています。アンジェラは、他の人と彼女のbeakerwareを共有しない、薄膜堆積前にチャンバープレコンディショニングルーチンを採用し、すべての製造ランとコントロールサンプルを内蔵し、熱酸化物表面の代わりに、複数の可変ガラス表面にICグレードシリコン基板を好みます。彼女は、10%の効率と0.5%の真の標準偏差(σtrue)意味し、「真の」( すなわち 、実際の)で、ベースライン(工程A)を生成する装置。デバイス製造及び測定は時間がかかり、彼女は唯一の製造とプロセスごとに6つのデバイス(N = 6)を測定することができます。

別の研究室では、ネッシは、仕事では難しいです。彼女の同僚に、ネッシ博士」として知られていますメッシー。 "彼女の製造および計測ツールは、共用の施設に配置されています。それは彼女の番だときそれらを使用するために、彼女は低共通の原因の分散を確保するために必要な予防策を取ることはありません。しかしので彼女のだらしの、彼女の本当の標準偏差は絶対1.5%(アンジェラさんよりも3倍以上)です。 trueこの高いσはあまりよく制御実験条件を反映しています。ネッシは、より高純度の原料材料を使用しているためしかし、彼女のベースラインプロセスAは、10.6%の真の平均を達成しています。ネッシは製作と対策N =プロセスあたり6デバイス。

のは、プロセスBは、10%の相対による「真の」デバイスの効率を改善することを仮定する( すなわち 、10%が11%に向上し、10.6%は11.7%に向上します)。アンジェラとネッシの両方が、図13に示すように、彼らはそれぞれが、製作N = 6デバイスに中心極限定理を適用し、「真の」分布( 図13A、D、G)は研究者に隠されていることに注意してください。彼らは彼らの実験データを観察した( S 13B、E、H)で処理し、得られたガウスフィット、標準誤差、および信頼区間( 図1C、F、I)。

一方では、アンジェラの厳しいプロセス制御( 真の低い変動、小さいσ)は、プロセスBが( 図13C)を処理するのに優れていることが> 95%の信頼度で締結、彼女が帰無仮説を棄却することができます。一方、高いσ 真を持ってネッシは、そのプロセスBはネッシはアンジェラのいずれかよりも高い効率で二つのデバイスを作るために幸運であるにもかかわらず= 6 NとプロセスA( 図13F)より優れていると結論することはできません( 図13B、E)、アンジェラは、彼女のフィールドには、プロセスBを考える方法に革命をもたらす科学論文を公開するレースに勝っています

ネッシは彼女を減らすために彼女を必要とする、彼女は彼女の信頼区間を増やす必要があることを認識し標準的な測定誤差(SE)、 すなわち

式(2) 。 [1]

ネッシはアンジェラの3×小さいSEに合わせて、2つの方法のいずれかを追求することができます。ネッシは3倍に彼女の本当のばらつき(σの O)を減らす、またはネッシは高へのアクセスを獲得する3 2 = 9倍にNを増やすことができますスループットデバイス測定装置、9×によってNを増加させます。この改善は、彼女の3倍大きいプロセス変動を相殺し、彼女は> 95%の確実性( 図13I)で帰無仮説を棄却、プロセスAとBの間に統計的に有意な差を検出することができます。彼女が戻って公開のレースです。

より高いベースラインの効率化が成功した仮説検証の確率を増加させる :SE( 式1)の式に着目し、それを見ることができますどのようにベースライン性能を増大させることに成功仮説検定の確率を増加させます。上記の工程Bに代えて、10%の5%-efficient基準デバイス上でテストされた場合は、絶対的な効率の向上はわずか0.5%の代わりに1%であろう。 σのOと仮定すると、4×によって帰無仮説が増加を拒否するために必要なサンプルの最小数不変です。したがって、基準デバイスの性能を改善すること、すなわち、σ還元と同じ数学的な効果があり、信頼区間は1対1に向上。

最終的な単語 :標準エラーを減らすには、決定的仮説検定の危険性を最小限にすることが不可欠です。標準誤差は、SEにおける1対1の減少をもたらすσ0、マニフェスト共通原因の分散を減少させることによって低減することができます。ベースライン性能を改善することが同等の効果を有します。一つは、サンプルサイズNを増やすことができ、これは、弱いがあります理由平方根の南東にERへの影響(Nの増加はまた、システマティックばらつきのリスクを増加させます)。

実験の統計を適用することの重要性が広く生物学と物理学(CFスタンディング統計委員会ですべての高エネルギー実験)に受け入れられている。15の PVに報告したデータの品質を改善するためには、研究者がデバイスの99%に注意を払うことをお勧めします、彼ら製造、およびデータ集合に仮説検定を採用します。

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Disclosures

著者らは、開示することは何もありません。

Acknowledgments

著者らは、認定JV測定ため国立再生可能エネルギー研究所(NREL)からポールCiszekとキースエメリーに感謝したいと思い、ライリーブラント(MIT)光電子分光測定のため、と仮説試験部のためのインスピレーションのためのジェフ·コッター(ASU)。この作品は、付与02.20.MC11下ボッシュエネルギー研究ネットワークを介して契約DE-EE0005329下、およびロバート·ボッシュLLCによってSunShotイニシアティブを通じて、米国エネルギー省によってサポートされています。 V.シュタインマン、R. Jaramilloの、およびK.ハートマンは、アレクサンダー·フォン·フンボルト財団、それぞれDOE EEREポスドク研究賞、およびIntel博士号フェローシップ、のサポートを認めます。この作品は賞ECS-0335765の下で国立科学財団によってサポートされているハーバード大学のナノスケールシステムセンターを利用しました。

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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熱蒸着および原子層堆積法によって記録し、効率のSnS太陽電池を作ります
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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

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