Making Record-effektivitet SnS solceller av termisk fordampning og Atomic Layer Nedfall

Abstract

Tin sulfid (SnS) er en kandidat absorberende materiale for Earth-rike, giftfri solceller. SnS tilbyr enkel fase kontroll og rask vekst av kongruent termisk fordampning, og det absorberer synlig lys sterkt. Imidlertid, i lang tid plate kraften konvertering effektiviteten av SnS solceller forble under 2%. Nylig har vi demonstrert nye sertifiserte rekord effektivitet på 4,36% ved hjelp SnS avsatt av atomic lag avsetning, og 3,88% ved hjelp av termisk fordampning. Her fabrikasjonsprosedyren for disse plate solceller er beskrevet, og den statistiske fordeling av fremstillingsprosessen er rapportert. Standardavviket av effektivitet måles på et enkelt substrat er vanligvis over 0,5%. Alle trinn, blant annet substrat utvalg og renhold, Mo sputtering for den bakre kontakt (katode), SnS avsetning, gløding overflatepassivering, Zn (O, S) bufferlag utvalg og avsetning, gjennomsiktig leder (anode) avsetning, og metallisering er beskrevet. På hver underlaget vi dikte 11 individuelle enheter, hver med aktive området 0,25 cm ^2. Videre er et system for høy gjennomstrømning målinger av strøm-spenningskurver under simulerte solens lys og eksterne quantum effektivitet måling med variabel lys skjevhet beskrevet. Med dette systemet kan vi måle fulle datasett på alle 11 enheter i en automatisert måte og på minimal tid. Disse resultatene illustrerer verdien av å studere store prøvesett, fremfor å fokusere snevert på høyeste utøvende enheter de. Store datasett hjelpe oss å skille og avhjelpe individuelle tapsmekanismer som påvirker våre enheter.

Introduction

Tynnfilm solceller (PV) fortsette å tiltrekke seg interesse og betydelig forskningsaktivitet. Imidlertid har økonomien i PV markedet er skiftende raskt og utvikle kommersielt vellykkede tynn film PV bli en mer utfordrende prospekt. Manufacturing kostnads ​​fordeler fremfor wafer-baserte teknologier kan ikke lenger tas for gitt, og forbedringer i både effektivitet og kostnader må søkes på lik linje. ^1,2 I lys av denne virkeligheten vi har valgt å utvikle SnS som absorberende materiale for tynn film PV. SnS har iboende praktiske fordeler som kan oversette til lave produksjonskostnadene. Dersom høye effektivitet kan påvises, kan det betraktes som en drop-in erstatning for CdTe i kommersiell tynn film PV. Her blir fabrikasjon prosedyre for de nylig rapporterte rekord SnS solceller demonstrert. Vi fokuserer på praktiske aspekter som substrat utvalg, avsetningsforhold, enhet layout, og måleprotokoller.

SnS består av ikke-giftige, Earth-rikelig og billig elementer (tinn og svovel). SnS er en inert og uløselig halvledende faststoff (mineral navn Herzenbergite) med en indirekte bandgap på 1,1 eV, sterkt lys absorpsjon for fotoner med energi over 1.4 eV (α> 10 ⁴ cm ^-1) og iboende p -type ledningsevne med transportøren konsentrasjon i området ¹⁵ til 10 oktober ¹⁷ cm ^{-3 3 - 7.} Viktigere, fordamper SnS kongruent og er fasestabilt opp til 600 ° C ^8,9 Det vil si at SnS kan avsettes ved termisk fordampning (TE) og dens høye. speed fetter, lukket rom sublime (CSS), som er ansatt i produksjon av CdTe solceller. Det betyr også at SnS fasestyring er langt enklere enn for de fleste tynne film PV materialer, særlig blant Cu (In, Ga) (S, Se) ₂ (CIGS) og Cu _​​2 ZnSnS ₄ (CZTS). Derfor celle efvendig trekkraft står som den primære barriere for kommersialisering av SnS PV, og SnS kan anses som en drop-in erstatning for CdTe gang høye effektivitet er demonstrert ved laboratorieskala. Men denne effektiviteten barrieren kan ikke overvurderes. Vi regner med at rekorden effektiviteten må økes med en faktor på fire, fra ~ 4% til ~ 15%, for å stimulere til næringsutvikling. Utvikling SnS som en drop-in erstatning for CdTe vil også kreve veksten av høy kvalitet SnS tynne filmer av CSS, og utvikling av en n-type partner materiale som SnS kan dyrkes direkte.

Nedenfor er beskrevet trinn-for-trinn prosedyre for å fabrikkere rekord SnS solceller ved hjelp av to ulike avsetnings teknikker, atomic layer nedfall (ALD) og TE. ALD er en langsom vekst metode, men to-date har gitt de høyeste effektivitet enheter. TE er raskere og industrielt skalerbare, men etterslep ALD i effektivitet. I tillegg til de forskjellige SnS avsetningsmetoder, TEog ALD solceller avvike noe i gløding overflaten passivisering, og metallise trinn. Den anordning fremstillingstrinn er nummerert i figur 1.

Etter beskriver prosedyren, er testresultater for de sertifiserte rekord enheter og relaterte prøvene presenteres. Rekordresultatet har tidligere blitt rapportert. Her fokuseres det på fordelingen av resultatene for en typisk behandling løp.

Protocol

1. underlag Utvalg og Cutting

1. Kjøp polert Si wafers med en tykk termisk oksid. For enhetene rapporteres her, bruker 500 mikrometer tykke skiver med en 300 nm eller tykkere termisk oksid. Underlaget utvalgskriteriene er omtalt i diskusjonen delen.
2. Spin belegge den polerte side av skiven med en typisk positiv fotoresist (SPR 700 eller PMMA A. 495) og myk bake (30 sek ved 100 ° C).
   Merk: Det er en beskyttende lag for å forebygge skade eller forurensning under den etterfølgende skjæretrinnet.
3. Bruk en die så å skjære wafer inn en "x 1" (25,4 x 25,4 mm ²⁾ firkant underlag.

2. Substrat Rengjøring

1. Fjerne partikler og andre rester som følge av skjæretrinn ved anvendelse av en komprimert nitrogen gun, etterfulgt av et ultrasonisk bad i deionisert (DI) vann i 5 minutter ved 45 - 60 ° C.
2. Fjerne det fotoresistente sjikt med en ultrasonisk BAth i aceton i 5 min ved 45 - 60 ° C.
3. Rens det avdekkede med tre påfølgende ultralydbad, alt i 5 minutter ved 45 - 60 ° C: aceton, etanol og isopropylalkohol. Finish ved tørking med et komprimert nitrogen gun, mens substrater forblir i kvartsbærer.

3. Mo Sputtering

1. Laste de rene Si / _SiO2 substrater til et høyt vakuum sputtering system. Sørg for at underlaget plate er vanlige og underlaget rotasjon er aktivert. For de enhetene som presenteres her, prosessen i et kommersielt system med skråstilte magne våpen med 2 "mål og et kast avstand på ca 4".
2. Avsette det første lag (klebelaget) ved forholdsvis høyt bakgrunnstrykk slik som 10 mTorr av Ar. For de anordninger som er rapportert her, prosess med en sputtering effekt på 180 W (DC), noe som gir en veksthastighet på 2,6 Å / sek, og et første Mo lag som er 360 nm tykt.
3. Deponere andrelag (det ledende lag) ved et relativt lavt trykk slik som bakgrunn 2 mTorr av Ar. Bruk samme sputtering kraft som det første lag (180 W) og avsette den samme tykkelse.
   Merk: Enhetene som presenteres her, hadde andre Mo lag som var 360 nm tykk, samme som det første laget.
4. Etter Mo deponering, lagre underlag under vakuum inntil SNS avsetningstrinn.

4. SnS Nedfall

Merk: ALD deponering teknikk er beskrevet i punkt 4.1, og TE deponering er beskrevet i punkt 4.2. Den ALD avsetningssystemet er vist i figur 2, og TE avsetning system er vist i figur 3.

1. Innskudds SnS av ALD
   1. Før lasting inn i reaktoren, sett Mo substrater i et UV ozon renere i 5 minutter for å fjerne organiske partikler. Deretter plasserer underlag på underlaget holderen og sett inn avsettelsen sonen.
   2. Stabil ovnen temperatur ved 200 ° C før avsetningen.
   3. Dyrk SnS tynne filmer fra reaksjonen mellom bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -iPr) _{2) 2,} referert til her som Sn (AMD) _2] og hydrogensulfid (H ₂ S) ^4.
      1. Hold Sn (AMD) _{2-forløperen} ved en konstant temperatur på 95 ° C. Bruke ren _N2 gass for å hjelpe til levering av Sn (AMD) ₂ damp fra beholderen i ovnen til avsetningssonen. Under hver ALD syklus, forsynings tre doser av Sn (amd) ₂ forløper for total eksponering på 1,1 Torr andre.
      2. Bruke en gassblanding av 4% _H2S i _N2 som svovelkilde. Sørg for at eksponering for hydrogensulfid dampen er 1,5 Torr sekund per dose. Sørge for at partialtrykket av _H2S, og det totale trykk av _H2S i N ₂ er 0,76 Torr og 19 Torr, respektivt.
   4. Set than pumping tid mellom Sn forløper dose og H ₂ S dose å være bare 1 sek (kort i forhold til de fleste andre vanlige ALD prosedyrer) for å øke hastigheten på deponering.
      Merk: Fordi Sn forløper ikke er helt fjernet ved pumping av denne korte tid, forblir noe rest Sn-forløperen når H ₂ S kommer. Således at prosessen kan beskrives som en pulset CVD prosessen. Veksten av SnS film er 0,33 Å / syklus, eller 0,04 Å / sek.
2. Innskudds SnS av TE
   1. Sikre at prosessen kammertrykk er 2 x 10 ^-7 Torr eller lavere. Laste substrater inn i kammeret gjennom lasten lås. Hold substratene til platen, enten med et enkelt klips, eller med en tilpasset holder substrat med passende dimensjonerte lommer som skrus ned til substratet plate.
   2. Rampe kilden og underlaget ovner til sine punktene. For enheten rapportert her underlaget temperaturen er 240 ° C og vekstraten er en7; / sek; for å oppnå dette vekstraten innstilt kilden temperatur i området 550-610 ° C (den nødvendige kilde temperaturen øker med tiden for et enkelt last av kilden pulver). Målet filmtykkelse er 1000 nm.
   3. Måle avsetningshastighet ved hjelp av kvarts-krystall-skjerm (QCM) før og etter SnS filmdeponering ved å bevege QCM arm inn i prosesskammeret. For denne målingen underlaget er hevet slik at QCM kan flyttes inn i underlaget vekst posisjon.
      Merk: avsmeltingseffekt fortsatt ganske konstant gjennom en avsetning på 3 timer (± 0,05 Å / sek avvik).
   4. Etter avsetning, overføre prøvene tilbake inn i last låsen før utlufting til luft. Raskt transportere prøvene gjennom luften til lagring, enten i vakuum eller i en inert atmosfære hanskerommet før det neste prosesstrinn.
      Merk: Den typiske utilsiktet luft eksponeringstiden er ca 3 min. Den typiske lagringstiden er mellom en dag og aweek.

5. SnS Utglødning

Merk: Dette trinnet utføres litt annerledes for ALD og TE solceller. Gløde prosedyre for ALD solceller er beskrevet i punkt 5.1, og prosedyren for TE solceller er beskrevet i punkt 5.2. Hensikten med annealing er omtalt i diskusjonen delen.

1. Gløde ALD-vokst SnS filmer i _H2S gass.
   Merk: Dette trinnet blir utført i det samme systemet som brukes for ALD vekst.
   1. Bruke ren _H2S gass (99,5% rent) ved en strømningshastighet på 40 sccm, og trykk på 10 Torr.
   2. Varm SnS filmen til en temperatur på 400 ° C og holde i 1 time i _H2S gassmiljø. Sørg for at gassen strømmer gjennom hele prosessen, blant annet temperatur ramping opp og ned.
2. Gløde TE-vokst SnS filmer i _H2S gass. Utfør dette trinnet i en dedikert tube ovn.
   1. Last the prøver på en ren kvartsplate og gli inn i varmsoneområde av ovnen.
   2. Etter at ovnen er forseglet, rense tre ganger med ren _N2 og tillater å pumpe ned til bunnen trykk.
   3. Etablere gasstrøm på 100 sccm 4% _H2S ved 28 Torr.
   4. Rampe temperaturen til 400 ° C i løpet av 10 min. Hold ved 400 ° C i 1 time, deretter la prøvene avkjøles uten hjelp i hot-sonen. Opprettholde konstant H ₂ S gasstrøm og trykk inntil prøvene avkjøles til under 60 ° C. Fjern prøvene og enten fortsette umiddelbart til neste steg, eller plassere dem i lagring i en inert gass hanskerommet.

6. SnS Surface Passivisering med en Native Oxide

Merk: Dette trinnet utføres litt annerledes for ALD og TE solceller. Pkt 6.1 overflaten passivisering prosedyre for ALD solceller er beskrevet, og prosedyren for TE solceller er beskrevet i punkt6.2. Funksjonen til dette trinnet er nærmere omtalt i diskusjonen delen.

1. For de ALD-vokst prøver, vokser et tynt lag av SnO _to av ALD.
   Merk: Vi bruker en annen reaktor enn det som brukes for SnS vekst.
   1. Grow SnO ₂ ved omsetning av cykliske amid av tinn [(1,3-bis (1,1-dimetyletyl) -4,5-dimetyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-yliden) Sn (II)] og hydrogenperoksid (H ₂ O _2). Oppbevar det cykliske amid tinn forløper i en ovn ved 43 ° C, og H ₂ O ₂ i en bobler ved RT.
   2. Oppretthold overflatetemperatur ved 120 ° C for deponering.
   3. Eksponer tinn forløper og H ₂ O ₂ ved hjelp av 0,33 og 1,5 Torr andre per syklus, henholdsvis, for en total på fem sykluser. Kontroller at tykkelsen på det resulterende SnO ₂ 0,6 0,7 nm, målt ved røntgen-fotoelektronspektroskopi (XPS) analyse ^10.
2. For TE-vokst prøver, danner en thin lag av SnO ₂ med fly eksponering.
   1. Utsette prøvene til laboratoriet luften i 24 timer. Kontroller at tykkelsen på det resulterende SnO ₂ er ca. 0,5 nm, som målt ved hjelp av XPS-analyse.
      Merk: Den typiske RT er 24 ± 1 ° C, og det typiske fuktighet er 45% ± 13% (høyere om sommeren); for de anordninger som er rapportert her, var verdiene 24,6 ° C og <30%, henholdsvis.

7. avsetning av Zn (O, S) / ZnO buffersjiktet

Merk: Dette trinnet utføres i den samme ALD kammer som er anvendt for vekst av SnS ALD.

1. Dyrk en Zn (O, S): N lag av ALD.
   1. Opprettholde overflatetemperaturen ved 120 ° C.
   2. Grow Zn (O, S): N av ALD fra reaksjonen av dietylsink (Zn (C _{2H 5) 2,} DEZ), deionisert vann _(H2O), 4% H ₂ S i _N2, og ammoniakk (NH ₃₎ ^11. Oppbevar bubbler containing DEZ på RT. Bruk en syklus sekvens av [DEZ-H ₂ O-DEZ-NH _{3] 14} - [DEZ-H ₂ S] _1, og gjenta denne super syklus 12 ganger. Sørg for at eksponering av ammoniakk er 11 Torr andre.
   3. Kontroller at S / Zn-forholdet i den resulterende filmen er 0,14, målt ved Rutherford tilbakespredning ¹² spektroskopi, og at tykkelsen av filmen er ca 36 nm.
2. Dyrk en ZnO lag av ALD.
   1. Opprettholde overflatetemperaturen ved 120 ° C.
   2. Vokse ZnO med 50 ALD sykluser av DEZ-H ₂ O.
      Merk: Tykkelsen av den resulterende ZnO filmen er ca. 18 nm.

8. Nedfall av Transparent Gjennomføring Oxide (TCO), Indium Tin Oxide (ITO)

1. Skjær ITO skygge masker fra en 0,024 "(610 mm) aluminium 6061 ark ved hjelp av en laboratorie laser cutter.
   Merk: Maskene definere 11 rektangulære enheter som er 0,25 cm ² istørrelse pluss en større pute i ett hjørne som brukes for optiske refleksjonsmålinger, se figur 4.
2. Montere enhetene og masker i en maske aligner.
   Merk: Dette er en aluminiumsplate med nestede lommer for underlaget og masker og klipp for å feste maskene på plass.
3. Innskudd ITO av reaktiv sputtering.
   1. Varm opp underlaget til ca 80-90 ˚C og aktiver underlaget rotasjon.
   2. Bruk en 2 tommers diameter ITO mål (I ₂ O ₃ / SnO _to 90/10 wt.%, 99,99% ren) på 65 W RF sputtering strøm med 40 / 0.1 SCCM Ar / O ₂ gasstrømmen ved 4 mTorr totaltrykk.
   3. Dyrk en 240 nm tykk ITO film.
      Merk: Med disse parametrene, vekstrater på 0,5 A / sek og plater motstander i området 40 - 60 Ω / kvm er oppnådd.

9. Metallisering

1. Cut metallization skygge masker fra en 127 mikrometer tykke austenITIC rustfritt stål ark.
   Merk: Disse maskene er kuttet med + 10 / -5 mikrometer toleranse av et kommersielt selskap. Metallet Mønsteret består av to fingre atskilt med 1,5 mm, hver 7 mm lang, og en 1 x 1 mm ² kontaktplaten, se figur 4.
2. Montere enhetene og masker i en maske aligner, som i trinn 8.2.
3. Depositum Ag (for TE-enheter) eller Ni / Al (for ALD enheter) ved fordamping elektronstråle.
   1. Mount maske aligner på substratet plate av en elektronstråle metaller fordampning system. Pumpe ned til en base trykk under 1 x 10 ^-6 Torr.
   2. Fordamp metall med en hastighet på 2 Å / sek. Innskudd 500 nm total metall tykkelse.

10. Device Karakterisering

1. Utfør strømspenning ("J - V") målinger på alle enheter i mørket og i AM1.5 simulert sollys.
   1. Kalibrere solenergi simulator ved å samle J - V data from en kalibrert silisium solcelle og justering av solenergi simulator lampe kraft og høyde inntil nå kalibrert gjeldende verdi for AM1.5 innstråling.
   2. Kontakt enhetene i fire ledninger modus ved å bruke kobber beryllium doble probespisser å kontakte både toppen (anode, Ag eller Al) og bunn (katode, Mo) lag. Kontakt bunnlaget ved å skrape bort buffer og SnS lag med en skalpell blad.
   3. Mål lyse og mørke J - V data ved hjelp av en kilde-meter ved sourcing spenning og strømmåling.
      Merk: Enhetene er vanligvis målt innenfor området ± 0,5 V. enheter er ikke lydhøre for den retning eller hastighet av spennings sweeps. For rutinemessig testing et område definer lys blender ikke brukes, se diskusjon seksjon for ytterligere detaljer.
2. Utfør eksterne quantum effektivitet (EQE) målinger på alle enheter, med variabel lys og spenning bias.
   1. Kalibrere EQE system ved å måle respoNSE av en Si kalibrering fotodiode.
      Merk: Programvaren sammenligner disse dataene til målinger utført med en NIST-støttet standard for å justere lysnivået tilsvarende.
   2. Kontakt enhetene ved hjelp av fire ledninger metode, som i trinn 10.1.2.
   3. Mål EQE ved hjelp av et kommersielt system som belyser prøven med monokromatisk lys hakket på 100 Hz over et bølgelengdeområde på 270 1100 nm og måler den resulterende strøm. Utføre denne målingen i henhold til produsentens standard prosedyre.
   4. Gjenta EQE målingen med variabel spenning og hvitt lys bias. Bruk en sourcemeter å tilføre forspenning, og en halogenlampe for å levere lys bias. Måle enheter i både forover og bakover spenning bias, og under variabel hvitt lys intensitet opp til ~ 1 Suns.
   5. Måle optisk refleksjon (% R) av ITO toppoverflaten ved hjelp av et spektrofotometer med en integrerende sfære for å omdanne ytre til indrekvantevirkningsgraden (IQE). Utføre denne målingen i henhold til produsentens standard prosedyre.

Representative Results

I figurene 6-8 Resultatene er vist for to representative "baseline" TE-vokst prøvene som beskrevet ovenfor. Belyst J - V-data for disse to prøver er plottet i figur 6 den første prøve ("SnS140203F") ga enheten med sertifisert virkningsgrad på 3,88% som ble tidligere rapportert ⁹ Representative JV-fordelinger er også vist for hver prøve... For en gitt forspenning, er disse fordelingene beregnes hvor <J> er gjennomsnittet av strømtettheten målt for alle enheter, σ _J er standardavviket av disse målinger, og N er det totale antall målinger. Med andre ord, blir gjennomsnittet og standard feil grafisk representert. Denne representasjonen bidrar med å sammenlikne resultater fra ulike prøver, og for visuelt å vurderevirkningen av endringer i enheten fabrikasjon på det resulterende enhetens ytelse.

De J - V data tyder på at prøvene lider av problemer med shunt motstand som varierer mellom enheter på en prøve. Denne konklusjonen er ytterligere forsterket av figurene 7 og 8. I figur 7 standard solcelle parametere er plottet - tomgangsspenning (V _OC), kortslutningsstrømtetthet (J _SC), fyllfaktor (FF), og kraftomdannelseseffektiviteten -. For alle de samme enhetene som er vist på Figur 6 stolpediagram representasjon bidrar til visuelt å identifisere korrelasjoner mellom parametrene. For disse prøvene mest tydelig sammenheng mellom effektivitet og FF, som forventet for enheter som lider av shunt eller serie motstand tap. For den andre anordningen er det også en tydelig korrelasjon mellom effektivitet og V _OC,som forventet for parallellmotstand tap.

Disse korrelasjoner er gjort tydelig ved multivariate plott er vist i figur 8. Her er V _OC, J _SC, og FF plottet mot rekken (R _s) og shunt (R _sh) motstander. _S R og R _SH er beregnet ved bruk av lineær passer til J - V data nærheten 0,5 og 0 V, henholdsvis. I mange tilfeller vil det være bedre å trekke R _s og R _sh som parametere i en diode modell som kan passe til J - V data. Men for relativt lav effektivitet solceller det er mange kilder til tap, og diode modeller som lykkes for høyere effektivitet enheter er ikke pålitelig. Derfor er det foretrukket å ekstrahere _s R og R _SH med en mer robust teknikk. Selv om de resulterende verdiene kan ikke være nøyaktig, den trends er fortsatt rikt og kan brukes til å styre utvikling. Dataene i figur 8 bekrefter at parallellmotstand er en viktig kilde til tap. Dette kan ses tydeligst i den stigende trenden i FF (R _sh). Dataene viser at på det nåværende stadium i utviklingen enhet, må shunt motstanden opprettholdes større enn ca 200 Ω ^cm2 for at effektiviseringsgevinster fra andre prosessforbedringer for å bli tydelig. R _s ser ut til å ikke begrense enhetene rapporteres her. Verdiene for R _s er typisk 0,5 Ω cm ^2, og bare sjelden våger ovenfor 1 Ω ^cm2.

Resultater for en representativ "baseline" ALD-voksen prøven som er beskrevet ovenfor er vist i figur 9. ALD anordninger viser bedre ytelse enn TE-enheter, sammen med den beste enheten som viser 4,6% effektivitet. Foruten de ulike SnS vekst teknikker, two fabrikasjon prosedyrer varierer i SNS overflaten passivisering ved oksidasjon. I tillegg er TE prøvene eksponert for luft i laboratoriet mellom film vekst og gløding, mens ALD prøvene er glødet i vekstkammeret uten luft pause. De ALD-vokst prøvene ser ut til å lide mindre av shunt motstand tap enn de TE-vokst prøver. Årsaken til denne forskjellen er ikke kjent. Det er mulig at ALD-dyrket SnS filmer er mer kompakt, på grunn av den selvbegrensende vekst modus og langsom vekst, enn TE-dyrket filmer.

De sertifiserte enhetstester er gjengitt i Figur 10. ^9,10 Til venstre vises den sertifiserte posten enheten med en ALD-vokst SnS lag. Den sertifiserte effektivitet for dette utvalget var 4,36%, og enheter opp til 4,54% effektiv er målt ved hjelp av samme fabrikasjon prosedyre. På høyre får sertifisert posten enheten med en TE-vokst SnS lag. Den sertifiserte effektivitet for denne prøvenvar 3,88%, og enheter opp til 4,1% har blitt målt med samme prosedyre. Legg merke til at 3,88% sertifisert testresultatet er godt innenfor området målt for den samme prøve, hvor den gjennomsnittlige ± standardavvik er 3,5% ± 0,4%, som vist i figur 7.

Figur 11 viser resultatene som viser stabiliteten av TE-dyrket SnS solceller i omgivelsesbetingelser. For utvalgte prøver J - V tester ble gjennomført før og etter lagring i opp til elleve måneder. Prøvene ble lagret i luft og utsatt for lys fra omgivelsene uten innkapsling. Alle fire prøvene er vist i figur 11 ble behandlet litt annerledes enn den fremgangsmåte som er rapportert her; Dette er historiske årsaker, og det er ingen grunn til å tro at enhetene rapportert her ville ha forskjellige stabilitetsegenskaper. Prosesserings forskjellene beskrives i figuren teksten, og de utgjør den varierende performance av enhetene. Hovedpoenget er at minimal degradering er observert over et år. Det gjenstår å se hvordan SnS solceller ville overleve mer akselerert levetidstesting, som for eksempel fuktig varme eller langvarig hele spekteret belysning.

Figur 1. Device fabrikasjonsprosessen. Enumeration av enheten fabrikasjon prosessen, fra underlaget cutting (# 1, nederst) til metallise (# 9, øverst).

Figur 2. Atomic lag deponering (ALD) oversikt system. (Til toppen) ALD system skjematisk tegning. (Bottom) ALD system fotografi, med kritiske komponenter nummerert og merket. Dette systemet kan utføre SnS deponering, SnS gløding og buffer lag deponering og sitter i Gordpå gruppen ved Harvard University. Den består av en varm-vegg deponering rør, to ovner som brukes til å lagre forløper, gass og levere styresystem, temperatur kontrollerende system og en roterende vinge mekanisk vakuumpumpe. Substratholderen kan sette på det meste åtte 1 "x 1" firkant underlag. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3. Termisk fordampning (TE) oversikt system. Kritiske komponenter er nummerert og merket. Dette systemet er dedikert til SnS deponering og sitter i Buonassisi gruppen ved MIT. Systemet består av en prosesskammeret og en last lås. Prosessen Kammeret er typisk holdes under høyvakuum betingelser (1 x 10 ^-8 Torr) og omfatter en stengt substrat trinn medPrøven rotasjon og strålingspådriv oppvarming, og en stengt effusjon celle for kilde fordampning. Kammeret har også en uttrekkbar kvarts-krystall-skjerm (QCM) som befinner seg direkte under substratet platen for å måle veksthastighet, og et pyrometer for å måle overflatetemperaturen. Kommersielt kjøpt SnS pulver brukes for forløperen, med en termisk forbehandling er beskrevet tidligere. ⁹ Substratet plate holder en stor enhet substrat (1 x 1 i ²⁾ og en mindre substrat (1 x 1/3 i ²⁾ som er brukes for SnS film målinger. Avstanden fra underlaget til kilden åpningen er 10 cm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4. Metallise mønster og prøve fotografi. & # 160; Tegningen til venstre viser metallization mønster for 0,25 cm ² enheter. For klarhet TCO fotavtrykk er skissert på kun én enhet. Også vist er plasseringen av den større TCO pad som benyttes for optiske refleksjonsmålinger. Bildet til høyre viser en reell prøve med TE-vokst SnS. Ripete region til venstre gir kontakt til den underliggende Mo laget for testing. Foto:. KJ Wang Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5. Device testing med sonde kort. Denne top-down bildet viser et eksempel montert på teststasjonen chuck med flere enheter kontaktet samtidig med tilpassede probe kortet. Bare halvparten av prøven som er synlig i dette bildet.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6. J - V tester for enheter på to forskjellige "baseline" Te prøver. For klarhet, er alle 12 enheter på en gitt prøve plottet i samme farge (grå eller rød). Også plottet er representative J - V konvolutter (gjennomsnitt ± standardfeil) for alle enheter på hver prøve, som beskrevet i teksten. Disse målingene ble utført uten et område definer lys blenderåpning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

. Figur 7. solcelle test parametere for to baseline TE Prøver Testresultatene plottet på en linje for hver enhet testet - 11 enheter hver for "SnS140203F" (øverst) og "SnS140306H" (nederst) - for å gjøre korrelasjoner mer synlig . Over hver tomt rapporteres det beste, gjennomsnitt, standardavvik (SD), og standard feil (SE) for hver distribusjon. Legg merke til at den beste V _oc (for eksempel) er den høyeste målte V _oc, ikke V _oc av de mest effektive enheten. Disse målingene ble utført uten et område definer lys blenderåpning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 8. S rier og shunt motstand multivariate tomter for to baseline TE prøver. Enhetene er de samme som er representert rapportert i figurene 6-7. Serien (R _r) og shunt (R _sh) motstander beregnes som beskrevet i teksten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 9. JV tester og testparametre for en baseline ALD prøve. (Til toppen) JV kurvene viser god topp ytelse, men enkelte enheter tydelig lider av lav shunt motstand. (Nederst) Test parametre viser en sterk korrelasjon mellom effektivitet og FF, i samsvar med shunt motstand tap. Disse målingene ble utført uten retnings-definerende lysåpningen..jove.com / filer / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 10. Sertifisering resultater for ALD- og TE-vokst enheter. Sertifisering utført av PV Ytelse Karakterisering teamet ved National Renewable Energy Laboratory, USA. (Venstre) Den ALD sertifisert rekord er 4,36%, som rapportert i Sinsermsuksakul et al. ¹⁰ (Høyre) TE sertifisert rekord er 3,88%, som rapportert i Steinmann et al. ⁹ Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 11. Lang tid stabilitet av SnS solceller J -. V tester av prøvene som ble målt gjentatte ganger over en periode på nesten et år, mens blir lagret i luft og blir utsatt for lys fra omgivelsene uten innkapsling. For hvert panel de svarte kurvene viser den første målingen, de røde kurvene viser den siste målingen, og stiplede kurvene viser. De tynne linjer viser den beste enheten for hver test, og de ​​tykke kurvene er representative J - V konvolutter (gjennomsnitt ± standardfeil) for alle enheter i hver prøve som beskrevet i teksten. Alle fire panelene viser TE-dyrkede prøver som ble bearbeidet som beskrevet i dette manuskriptet med unntak av de følgende forskjeller: (a) No _H2S glødetrinn. (B) Tynner absorber lag, 650 nm tykk; no H ₂ S glødetrinn; luft eksponering utført ved 200 ° C i 30 min. (C) Tynner absorber lag, 650 nm tykk; no H ₂ S glødetrinn; buffer lag wed høyere svovelinnhold og uten nitrogen doping. (D) antirefleksjonsbelegg avsatt på toppen av stabelen enhet. Tiden mellom målingene var 50 uker, 48 uker, 48 uker og 28 uker for paneler a, b, c og d, henholdsvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 12. Visualisering av romlig ikke-uniformitet over to utgangs TE prøvene. Resultatene er de samme som rapportert i figur 6-8. Det er 11 enheter på hver prøve, og hver enhet er fargekodet i henhold til den målte effektivitet; fargekartet er den samme for begge prøvene. Svart-hvitt klekking indikerer enten at enheten ikke ble målt, eller ingen enhet var til stede (som ett hjørne av hver prøve).

Figur 13. Illustrert eksempel på hypotesetesting i nærvær av vanlige årsaken varians. Fiktive karakterer Angela og Nessi separat å teste hypotesen om at fremgangsmåte B gir høyere effektivitet enn solceller fremgangsmåte A. Angela har overlegen prosesstyring, men en noe lavere virkningsgrad enn baseline Nessi. (A, D, G) Sanne sannsynlighetsfordelinger for Angela og Nessi resultater. (B, E, H) Individuelle målinger. (C, F, I) målt fordelinger. Med bare seks prøver, kan Angela forkaste nullhypotesen, men Nessi ikke kan. Se teksten for full beskrivelse. Klikk her for å seen større versjon av figuren.

Discussion

Substrat utvalg rengjøring

Oksyderte Si wafers anvendes som substrater. Substratene er mekanisk støtte for de resulterende solceller, og deres elektriske egenskaper er ikke viktig. Si wafers foretrekkes fremfor glass fordi kommersielt kjøpt Si wafers er vanligvis renere enn kommersielt kjøpt glass wafere, og dette sparer tid i underlaget rengjøring. Si substrater også har høyere varmeledningsevne enn glass, noe som fører til en jevnere oppvarming under vekst og gløding. Med kommersielt kjøpt glass wafers ble det oppdaget at det var nødvendig å rense substrater med vaskemiddel, inkludert en manuell gni med hansker fingre etterfulgt av en varm ultralydbad, for å fjerne alle synlige spor av forurensning, og selv da underlaget renslighet ikke kunne garanteres. Det ble eksperimentelt bekreftet at valg av glass eller Si underlag har ingen innvirkning på apparatets ytelse. Howeveh, ble denne sammenligningen utført med enheter var i 2% - 3% effektiv rekkevidde, og gjentatte sammenligninger vil være verdt som baseline effektiviteten bedres.

Vanligvis 10 eller flere underlag rengjøres på en gang ved hjelp av en spesialdesignet kvarts wafer bærer. Dette gir mer reproduserbare resultater enn håndtering av wafere individuelt med pinsett.

Mo sputtering

Det ble besluttet å deponere Mo tilbake kontakten (katoden) in-house fremfor kjøp Mo-belagte substrater etter skuffende resultater ble oppnådd med underlag som er tilgjengelige fra flere forskjellige leverandører. Med Kjøpte underlag (freste Mo på glass) problemer ble påtruffet med renslighet, delaminering, eller begge deler. Den Mo film avsettes ved DC sputtering i to lag, ett for adhesjon til Si / _SiO2 substrat og en for høy ledningsevne, i henhold til resultatene publisert avScofield e t al. ¹³

Typiske Mo filmer er 720 nm tykk med en sjiktmotstand på ca. 1 Ω / sq. Arket motstand måles på en oppofrende underlaget med en fire poeng probe systemet etter hvert Mo vekst løp. I tillegg, er adhesjonen til underlaget testet ved hjelp av et skalpellblad. Godt klebet filmer kan motstå skraping for hånd med en skalpell ved moderat trykk uten de-laminering. Dårlig levd filmer vil de-laminat med bare et lett trykk. Det ble observert at en kort substratplasma rensetrinn i sprutekammeret før Mo vekst er viktig for å oppnå god adhesjon. Typiske parametre for dette rengjøringstrinnet er 20 mTorr Ar, 20 W RF og 60 sek.

SnS vekst ved termisk avdamping

SnS er fordampet fra kilden pulver med en kommersielt kjøpt lav temperatur effusjon celle med en pyrolytisk bornitrid smeltedigel med volumeg 32 cm ^3. Når kilden er først lastet det er et fint pulver og mørk grå i farge. Vanligvis 3 4 g pulver er lastet. Med ny kilde pulver, er kilden temperatur ca. 540 ° C for å opprettholde en vekstrate på 1 A / sek på et substrat oppvarmet til 240 ° C. Med et økende antall vekst løper, må kilden temperaturen økes for å opprettholde en konstant veksthastighet. Når den ønskede kildetemperaturen når 610 ° C pulveret er utvekslet.

Nært knyttet til kilden temperaturen er spørsmålet om SnS flak. Når veksthastigheten økes til over 10 Å / sek, kan store SnS flak observeres i den voksende film. Det er ukjent om disse stammer fra den viktigste kilden, eller fra sekundære kilder som effusjon celle liksvøpet eller kilde lukkeren.

En bemerkelsesverdig observasjon er at når en sats av kilde pulver blåses det etterlater en hvit, porøs resterpå bunnen av digelen. Røntgendiffraksjon bekrefter at dette er SnO _to. Vekten av denne rest er typisk 0,01 g.

SnS vekst av ALD

En viktig parameter i denne prosessen er trykket av nitrogenbærergassen som strømmer til Sn (AMD) ₂ forløper. Trykket opprettholdes i nærheten av 250 Torr, men kan variere litt fra tid til annen. Gitt at volumforholdet mellom Sn (AMD) ₂ forløper bobleren og _N2 gassfelle er 5: 1, er trykket på innsiden av bobleren rundt 50 torr. Hvis denne verdien blir for stor, vil fordampningen av Sn forløper betydelig undertrykket. På den annen side, hvis trykket i bobleren er for liten, ville det ikke være et tilstrekkelig trykkfall mellom bobleren og reaksjonsovnen (som har et trykk på 10 ~ Torr) for å muliggjøre en jevn gasstrøm. Hver av disse scenariene vil føre til mangelfull Sn forløper i ALD reaksjonen. En indikasjon på dette problemet er at filmtykkelse nær utløpet av reaksjonsovnen er mye tynnere enn det nær innløpet. Under hver deponering, trykket inne i reaktoren overvåket for å sørge for at systemtrykk sitte i riktig område.

For å sikre en jevn temperaturfordeling inne i reaksjonssonen, er innløp og utløp for varm-vegg deponering rør pakket med varme lydbånd. Under varmebåndet, er et par av termoelementer innsatt for å måle temperaturen. En ikke-uniform temperaturfordeling inne i reaksjonssonen vil resultere i forskjellige SnS film morfologi ved forskjellige regioner. Ved høyere avsetningstemperatur, filmer en tendens til å være grovere og har en lysere farge. Ved lave temperaturer under 200 ° C, filmer har en høyere refleksjonsevne, som kan bli undersøkt ved øyet.

SnS gløding i en H ₂ S rørovn </ P>

Hensikten med glødetrinn er å optimalisere morfologi, krystallinitet, og elektriske egenskapene til SNS filmer. For TE-dyrket solceller, blir glødetrinn utføres i en egen rørovn. Denne 2 "diameter kvartsrør ovn er i stand til å strømme blandinger av 4% H ₂ S (balanse _N2), 4% H ₂ (balanse _N2) i ren n ₂ og ren Ar. Temperaturene er styrt av eksterne Nichrome varmeelementer og overvåkes ved hjelp av en kvarts-innkapslet termoelement plassert i den varme sonen. Gass blir evakuert ved hjelp av en oljepumpe fylt med inert olje. Selene er laget ved hjelp av H ₂ S resistente elastomerer. Typisk basen trykket er 8 20 mTorr.

Den glødetemperatur på 400 ° C er en balanse mellom sekundær kornvekst og film re-fordampning. I prinsippet kan høyere varmebehandlingstemperaturen være gunstig for enhetens ytelse, og kan bli tilveiebrakt uten betydelig film tap ved å bruke høyere ovn press. Dette er gjenstand for aktiv undersøkelse.

SnS overflaten passivisering med en innfødt oksid

Hensikten med passiveringstrinn, er å redusere densiteten av elektroniske felle tilstander ved overgangen mellom absorberen og bufferen lag, og for å tjene som en diffusjonsbarriere for å forhindre uønsket blanding av bestanddeler fra absorberen og bufferlagene. ¹⁴ Det har blitt observert at prøvene er behandlet med dette oksydasjonstrinn har høyere verdier enn V _OC prøvene behandlet uten.

På denne tiden, oksidasjonstrinnet er ikke blitt grundig studert og er sannsynligvis ikke optimalisert. Ved hjelp av røntgenfotoelektronspektroskopi resultater (ikke vist) Det er anslått at oksid bør være mindre enn 1 nm tykk for god ytelse og for å unngå dagens blokkering.

Nedfall av gjennomsiktig conducting oksid (TCO), indiumtinnoksid (ITO)

Før dette tidspunkt er påpasselig med å kontrollere den totale luft eksponering av prøvene ved hvert trinn. Imidlertid, etter at bufferlaget avsetning luft eksponering er ikke lenger begrenset og prøvene lagres og transporteres i omgivelsesluft.

Før dette punktet, har alle vitne vært "teppe" -filmene, som dekker hele underlaget. Fra dette punktet på avleiringene er mønstret for å definere enkelte enhetene. For både ITO og metallise skritt de avleiringene er definert ved hjelp av laser-cut metall skyggemasker. For ITO avsetning er det svært viktig at arealet av det avsatte puten er skarpt definert av skyggemasken. Dersom området ikke er skarpt definert, for eksempel på grunn av bøyning av maske i masken aligner, da det aktive området av de resulterende enheter kan være vesentlig større enn den nominelle størrelse på 0,25 ^cm2. Dette kan føre til feilaktige over-reporting av strømtettheten.

Metallisering

Den metallise mønsteret er utformet slik at belysningen flekk av kvantevirkningsgraden måleverktøy til å falle helt på ITO uten overlappende med metallet. Denne begrensningen fører to fingre atskilt med 1,5 mm, hver 7 mm lang, og en 1 x 1 mm ² kontaktplaten, se figur 4. Dette mønsteret er mindre enn optimalt fra en enhet ytelse ståsted. Et mønster optimalisert for ytelse fra enheten vil bruke flere fingre med mindre avstand.

Ag er blitt brukt for TE-dyrkede celler og Ni / Al har vært brukt for ALD-celler dyrket. Denne divisjonen er historisk, og er ikke forankret i en eksperimentell utfall. Det er mulig at Ni / Al gir overlegen motstand mot korrosjon under lange lagringstider. Faktisk har det blitt observert at Ag kontakter har en tendens til å ruste under langvarig lagring i luft (for example, lengre enn et år).

Device karakterisering

Ferdige enheter er karakterisert ved hjelp av strømspenning ("J - V") målinger innsamlet og eksterne quantum effektivitet (EQE) målinger samlet inn med og uten hvitt lys og spenning bias. To-date solceller har blitt målt ved å kontakte individuelle enheter ett-at-a-time, ved hjelp av sonde micromanipulators i en typisk probe stasjon konfigurasjon. Solcellesimulator og EQE systemer var fysisk koblet fra, så prøven måtte re-kontaktet for hver måling. Som et resultat, ville det ta ca. 4-5 timer for å måle J - V og EQE på alle 11 enheter.

En integrert høy gjennomstrømming teststasjon som kombinerer J - V og EQE ved hjelp av en enkelt prøve chuck og sentret kort som kontakter alle enheter samtidig ble nylig installert ved MIT, se figure 5. er de elektriske forbindelser styres av en programmerbar multiplekser, og den motoriserte XY chuck fasen er datastyrt. På denne måten, J - kan V og EQE målinger utføres sekvensielt på alle 11 enheter på under 1 time.

For rutinemessig testing av enheten et område-definerende lysåpningen blir ikke brukt. Derfor er den aktive enheten området kan være undervurderes, noe som resulterer i over-estimater av strømtettheten. Men en åpning blir brukt av sertifiserings laboratorier, som ofte resulterer i lavere effektivitet (jf figur 7, 9 og 10). Ved hjelp av et areal-definerende lysåpningen er alltid ønskelig, men for rutinetesting er det ofte neglisjert på grunn av praktiske hensyn, slik som å minimere fysisk kontakt med toppen av prøven. Systematisk feil på grunn av under-estimere den aktive enheten området kan reduseres ved å bruke større enhet områder. For arbeidet som er beskrevet her, ganske liten (0,25 cm ²⁾ størrelse ble valgt som passende for tidlig utvikling av ny teknologi (på tidligere stadier en enda mindre enhet på 0,03 cm ² uten metallisering ble brukt). Nå at enhetene er i området fra 4% effektiv og er repeterbare, er det verdt å øke til en størrelse på 1 cm ² eller mer.

I tillegg til standard karakterisering teknikker som er beskrevet ovenfor, på anledning prøvene er også testet ved hjelp av teknikker som temperaturavhengig J - V, Suns- V _OC, kapasitans spenning profilering, og lock-in termografi. Disse teknikkene brukes til å forstå og kvantifisere spesifikke tapsmekanismer som grensesnitt rekombinasjon og seriemotstand tap.

Betydningen av å dele enheten fabrikasjon protokoller

I publikasjoner om uorganisk tynn film PV resultatene av enhets tester er aldri (med erfaring) ledsaget av sufficient eksperimentelle detaljer for å reprodusere eksperimentet. Denne situasjonen fører til unødvendig frustrasjon blant enkelte forsker, og hemmer utviklingen av hele feltet. Denne situasjonen gjør det også vanskelig å sammenligne de prosedyrene som er beskrevet de som brukes av andre forskningsmiljøer. Teknikkene som er beskrevet i dette manuskriptet ble utviklet ved hjelp av en rekke samtaler med forskere i tynn film PV (hovedsakelig i USA), og mye prøving og feiling. Forfatterne håper at dette arbeidet hjelper andre unngå unødvendige frustrasjoner, og setter en presedens for detaljer rapportering av eksperimentelle metoder i tynnfilm PV.

Fremtidige anvendelser av den beskrevne protokollen

Protokollen er beskrevet her blir brukt til å etablere en "baseline" SnS solcelle. Den viktigste funksjonen i en baseline fabrikasjon protokollen er repeterbarhet; det absolutte antallet effektivitet er mindre viktig. Jegn forfatternes erfaring, er repeterbarhet nøkkelen egenskap som gjør at pågående forskning for å forbedre effektiviteten, for eksempel ved å forbedre overflaten passivisering eller redusere bulk feiltetthet. Uten en repeterbare baseline-protokollen er det ekstremt vanskelig å bedømme virkningene av endringer i fabrikasjon protokollen. Dette er fullstendig beskrevet i avsnittet nedenfor om hypotesetesting.

Nåværende og fremtidig arbeid på SnS solceller vil utnytte baseline protokollen beskrevet her for å optimalisere de enkelte fabrikasjon trinn med mål om å øke effektiviteten enhet. Av spesiell interesse er de _H2S annealing og overflatepassiveringstrinn, da disse direkte påvirke feiltetthet i hoveddelen av absorberen og på p - N veikryss.

Data ensembler aktivere hypotesetesting

I et felt som forguder mester effektivitet, er det fristende å overser ensemblet - den> 99% av (ikke-champion) enheter - og nyttig informasjon den gir. Denne delen motiverer ensemble dataanalyse, og presenterer lettvinte metoder for å visualisere og trekke ut nyttig innsikt fra ensemble data. Det forutsettes at leseren har en fungerende forståelse av eksperimentelle statistikk (hypotesetesting), og er behagelig å beregne en Gaussian distribusjon, standardavvik, standard feil, og 95% konfidensintervall for et gitt datasett.

Enkelt sagt, er ensembledataanalyse studiet av variasjon, som da reduseres, gir bedre hypotesetesting. Variabilitet, på folkemunne "støy", obfuscates den "signal" under hypotesen drevet prosessteknikk og vitenskapelig forskning. Som støyen øker, flere eksperimenter gjort mangelfulle. Resultatløse eksperimenter er en sløsing med tid, ressurser og optimisme. Ensemble data kan bidra til å redusere variabilitet på to måter:

Først ensemble data indikerer prosessujevn i rom og tid. Denne type av variasjon er systematisk (f.eks., Som følge av temperatur- eller strømningshastighet-gradienter innenfor et gitt tynnfilm utfellingskammeret), noe som ga en klar rommessig løst mønster av ytelsesvariasjoner, eksemplifisert ved figur 12. Den romlige eller temporal variasjon legemliggjør "fingeravtrykk" av den fornærmende prosesstrinn. In-situ metrologi og kontrollprøver kan bidra til å identifisere og feilsøke kilder til systematisk prosess variabilitet.

Sekund, ensemble data indikerer "flaks-of-the-draw" eller "common-sak" varians, dvs. statistisk variasjon som påvirker alle ensemble elementer likt. Denne variasjonen er vanskeligere å feilsøke, fordi det er det samlede resultat av flere koblede behandlingstrinn. Common-sak varians best kan minimeres ved strenge prosesskontrollog standard operasjonsprosedyrer på hvert trinn - riktignok en utfordrende proposisjoner i en raskt skiftende og minimalt bemannet fagmiljø. Likevel illustrerer følgende øvelse hvorfor redusere common-sak variansen er viktig.

Virkningen av common-sak varians eksemplifisert: En vennlig, fiktive vitenskapelig konkurranse mellom Dr. Nitid og Dr. Messy: Angela og Nessi er forskere fra to forskjellige laboratorier. De er engasjert i en vennlig vitenskapelig konkurranse for å teste hypotesen om at Process B genererer bedre enheter enn en godt akseptert baseline Process A. Begge forskerne benytter en standard hypotesetesting prosedyren, som forutsetter at common-sak varians resulterer i Gaussian effektivitet distribusjoner ( mer representative statistiske fordelingsfunksjoner inkluderer logge normalt for distribusjoner uten uteliggere, og mer robust statistisk log-Cauchy-Lorenzian for distribusjoner med sterk outliers).

Angela er kjent til hennes kolleger som «Dr. Nitid. "Hun forsøker å redusere prosessvariasjon. Angela deler ikke hennes beakerware med andre, sysselskammer pre-condition rutiner før thin-film deponering, inkorporerer kontrollprøver med hver fabrikasjon løp, og foretrekker IC-grade silisium underlag med termiske oksid flater i stedet for de mer variable glassflater. Hun produserer basislinje (fremgangsmåte a) enheter med en «sann» (ie., Faktisk) betyr virkningsgrad på 10% og en sann standardavvik (σ _sann) på 0,5%. Enheten fabrikasjon og målingene er tidkrevende, og hun er bare i stand til å fremstille og måle seks enheter (n = 6) per prosess.

I en annen lab, er Nessi hardt arbeid. Til hennes kolleger, er Nessi kjent som "Dr. Rotete. "Hennes fabrikasjon og metrologi verktøy er plassert i en felles-bruk anlegget. Når det er hennes turå bruke dem, hun tar ikke de nødvendige forholdsregler for å sikre lav vanlig årsak varians. Men på grunn av hennes slurv, er hennes sanne standardavviket 1,5% absolutt (3 x større enn Angela). Denne høyere σ _sant reflekterer mindre godt kontrollerte eksperimentelle forhold. Men fordi Nessi bruker høyere renhet råstoffmaterialer, sin grunnlinje Fremgangsmåte A oppnår en sann gjennomsnitt på 10,6%. Nessi fabricates og tiltak N = 6 enheter per prosess.

La oss anta at Process B forbedrer "true" enhet effektiviteten med 10% i forhold (dvs. forbedrer 10% til 11%;. 10,6% bedres til 11,7%). Både Angela og Nessi bruke sentralgrensesetningen til N = 6 enheter de hver dikte, som vist i Figur 13 Merk at den "sanne" distribusjoner (figurene 13A, D, G) er skjult for forskerne.; de bare observere sine eksperimentelle data (figurs 13B, E, H), og den resulterende Gaussiske passer, standardavvik, og konfidensintervaller (figurene 1C, F, I).

På den ene siden gjør at Angela strammere prosesskontroll (lavere variabilitet, mindre σ _sant) henne til å forkaste nullhypotesen og konkludere med> 95% tillit til at prosessen B er overlegen til prosess A (figur 13C). På den annen side, Nessi, som har høyere σ _sann, ikke kan konkludere med at fremgangsmåte B er bedre enn Prosess A (figur 13F) med N = 6. Selv om Nessi er heldig å lage to enheter med virkningsgrader som er høyere enn noen av Angela (Tall 13B, E), Angela er å vinne kampen om å publisere vitenskapelig artikkel som vil revolusjonere måten hennes feltet mener om Process B.

Nessi innser at hun trenger å øke sine konfidensintervall, som krever henne til å redusere sinstandard målefeil (SE), ie.,

. [1]

Nessi kan forfølge en av to tilnærminger for å matche Angela 3 × mindre SE: Nessi kan redusere hennes sanne variasjon (σ _o) med en faktor på 3, eller øke N med en faktor på 3 ² = 9. Nessi får tilgang til en høy gjennomstrømming device-måling apparater, øker N av 9 ×. Denne forbedringen forskyver hennes 3 × større prosessvariasjon, og hun er i stand til å oppdage en statistisk signifikant forskjell mellom prosesser A og B, avvise nullhypotesen med> 95% sikkerhet (figur 13I). Hun er tilbake i racet for publisering.

Høyere baseline effektiviteten øke oddsen for vellykket hypotesetesting: Med fokus på ligningen for SE (ligning 1), kan det seshvordan økende baseline ytelsen øker oddsen for vellykket hypotesetesting. Dersom den ovennevnte fremgangsmåte B ble testet på en 5% -Effektiv baseline enheten i stedet for 10%, ville den absolutte effektivitetsforbedring være bare 0,5% i stedet for 1%. Forutsatt σ _o er uendret, minimum antall prøver som kreves for å avvise nullhypotesen øker med 4 ×. Dermed forbedre ytelsen baseline enheten har samme matematiske effekt som reduserer σ, ie., En 1-til-1 bedring i konfidensintervall.

Siste ordet: Redusere standard feil er avgjørende for å minimere risikoen for mangelfulle hypotesetester. Standardfeil kan reduseres ved å redusere felles-sak varians, manifestert i σ _O, noe som resulterer i en en-til-en reduksjon i SE. Forbedre baseline ytelse har en tilsvarende effekt. Man kan også øke prøvestørrelse N, men dette vil ha en svaker innvirkning på SE grunn av kvadratroten (økende N øker også risikoen for systematisk variasjon).

Betydningen av å anvende eksperimentelle statistikk er allment akseptert i biologi og fysikk (jf stående statistikkutvalg i det hele tatt høye energi eksperimenter). ¹⁵ For å bedre kvaliteten på data rapportering i PV, anbefales det at forskerne ta hensyn til 99% av enhetene de dikte, og vedta hypotesetesting med data ensembler.

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