Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Создание Записать-эффективность SNS солнечных батарей методом термического испарения и осаждения атомного слоя

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Олово сульфид (SNS) является кандидатом поглотитель материал для Земли в изобилии, нетоксичных солнечных батарей. SnS предлагает простое управление фаз и быстрый рост по конгруэнтных термического испарения, и он поглощает видимый свет сильно. Тем не менее, в течение длительного времени рекорд эффективности преобразования мощности SNS солнечных батарей остается ниже 2%. Недавно мы продемонстрировали новые сертифицированные эффективности рекордные 4,36%, используя SNS осаждением атомных слоев, и 3,88% с помощью термического испарения. Здесь процедура изготовления этих солнечных элементов записи описана, и статистическое распределение процесса изготовления сообщается. Стандартное отклонение эффективности, измеренной на одной подложке, как правило, более 0,5%. Все этапы отбора в том числе и очистки подложки, Мо распыления для заднего контакта (катода) осаждения SnS, отжига, пассивации поверхности, Zn (O, S) выбора буферный слой, и осаждение, прозрачный проводник (анод) осаждение и металлизации описаны, На каждой подложки мы производим 11 отдельных устройств, каждое с активной области 0,25 см 2. Кроме того, система измерения высоких пропускной кривых тока напряжения при имитации солнечного света, и внешнего измерения квантовой эффективности с переменным уклоном света описывается. С помощью этой системы мы можем измерить полный набор данных по всем 11 устройств в автоматическом режиме и с минимальными затратами времени. Эти результаты иллюстрируют значение изучения больших наборов образцов, а не сосредотачиваться исключительно на самых высоких музыкальных устройств. Большие наборы данных помогают нам различать и исправить отдельные механизмы потерь, влияющих на наши устройства.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Тонкие пленки фотоэлектрические (PV) продолжают привлекать интерес и значительную научно-исследовательскую деятельность. Тем не менее, экономика ФЭ рынка быстро меняются, и развивается коммерчески успешный тонкой пленки PV стал более сложным перспектива. Стоимость производства преимущества над вафельных-технологий не может быть больше не считается само собой разумеющимся, и улучшения в обоих эффективности и стоимости следует искать на равных. 1,2 В свете этой реальности мы выбрали для разработки SNS как поглощающего материала для тонкопленочный PV. SnS имеет внутренние практические преимущества, которые могли бы перевести в низкой стоимости производства. Если высокие эффективность может быть продемонстрирована, это может рассматриваться как заменой для CdTe в коммерческой тонкой пленки PV. Здесь процедура изготовления для недавно сообщалось записи SNS солнечных элементов продемонстрирована. Мы ориентируемся на практические аспекты, такие как выбор субстрата, условий осаждения, макет устройства и протоколы измерений.

SnS состоит из нетоксичных, Земля-обильными и недорогих элементов (олова и серы). ОСН инертны и нерастворимы полупроводниковых твердых (минеральная имя Herzenbergite) с косвенным запрещенной зоны 1.1 эВ, сильное поглощение света для фотонов с энергией выше 1,4 эВ (α> 10 4 см -1), и внутренняя р -типа проводимости с концентрацией носителей в диапазоне от 10 до 15 - 10 17 см -3 3 - 7. Важно отметить, что SnS испаряется конгруэнтно и фазы стабильны до 600 ° C 8,9 Это означает, что SnS может быть нанесен путем термического испарения (TE) и его высокая. ступенчатая двоюродный брат, замкнутое пространство сублимации (CSS), а используется в производстве солнечных батарей CdTe. Это также означает, что управление фазой SnS намного проще, чем для большинства тонкопленочных фотоэлектрических материалов, в частности, в том числе Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) и Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Таким образом, клетки EFтивность выступает в качестве основного барьера для коммерциализации SnS PV, и SnS можно считать падение в замене для CdTe раз высокой эффективности демонстрируются на лабораторном масштабе. Однако эта эффективность барьер не может быть переоценена. Мы считаем, что эффективность запись должна увеличиться в четыре раза, от ~ 4% до ~ 15%, для того, чтобы стимулировать коммерческое развитие. Разработка SNS как заменой для CdTe также потребует роста высокие SNS качества тонких пленок CSS, и развитие партнерского материала п-типа, на котором SnS можно выращивать непосредственно.

Ниже описывается шаг за шагом процедуры для изготовления звукозаписывающим SNS солнечных батарей с использованием двух различных методов осаждения, осаждения атомных слоев (ALD) и TE. ALD является метод медленного роста, но к настоящему времени дали самые высокие устройства эффективности. ТЕ быстрее и промышленно масштабируемой, но отстает ALD эффективности. В дополнение к различным методам SNS осаждения, TEи ALD солнечные батареи немного отличаться в отжиг, пассивации поверхности, и шаги металлизации. Шаги по изготовлению устройства перечислены на рисунке 1.

После описания процедуры, результаты испытаний для сертифицированных устройств записи и связанных с ними образцов представлены. Результаты рекордные сообщалось ранее. Здесь акцент делается на распространение результатов для типичного обработки перспективе.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Выбор основания и резка

  1. Покупка полированный Si пластин с толщиной термического оксида. Для устройств, указанные здесь, используйте 500 мкм пластин с 300 нм или более толстой тепловой оксида. Критерии отбора подложка обсуждаются в разделе обсуждения.
  2. Спин покрытие полированной стороной пластины с типичным позитивным фоторезистом (SPR 700 или ПММА А. 495) и мягкий выпекать (30 сек при 100 ° С).
    Примечание: Это защитный слой, чтобы предотвратить повреждение или загрязнение при последующей стадии резания.
  3. Используйте умереть пилу для резки пластины в 1 "× 1" (25,4 х 25,4 мм 2) квадратных подложках.

2. Субстрат для очистки

  1. Удалить частиц и других остатков, которые являются результатом шаг резки с использованием сжатого пистолет азота с последующим ультразвуковой ванне в деионизированной (DI) водой в течение 5 мин при 45 - 60 ° С.
  2. Удалить слой фоторезиста с помощью ультразвукового бай в ацетоне в течение 5 мин при 45 - 60 ° С.
  3. Очистите открытую подложку с 3 последующих ультразвуковых ванн, все в течение 5 мин при 45 - 60 ° C: ацетон, этанол и изопропиловый спирт. Отделка сушкой сжатым азотом пистолета, в то время как субстраты остаются в кварцевой носителя.

3. Мо Распыление

  1. Загрузите чистые Si / SiO 2 субстратов в систему распыления высокого вакуума. Убедитесь, что подложка пластины подогрева и включен поворот подложки. Для устройств зарегистрированных здесь процесса в коммерческой системе с наклонными магнетронных пушках с 2 "мишеней и броска расстоянии примерно 4".
  2. Депозит первый слой (адгезионный слой) при относительно высоком давлении фона, такие как 10 мТорр Аг. Для устройств зарегистрированных здесь процесса с распыления власти 180 Вт (постоянного тока), которые обеспечивают скорость роста 2,6 Å / сек, и первого слоя Мо, что составляет 360 нм.
  3. Депозит второйслой (электропроводный слой) при относительно низкой фонового давления, такие как 2 мТорр Аг. Используйте ту же мощность ионного распыления в качестве первого слоя (180 Вт) и внести такую ​​же толщину.
    Примечание: Устройства, описанные здесь, были второй слой Мо, который был 360 нм, такой же, как в первом слое.
  4. После осаждения Mo, не хранить подложек под вакуумом до стадии осаждения SNS.

4. Нанесение SnS

Примечание: метод осаждения ALD описано в подразделе 4.1, и осаждение ТЕ описано в подразделе 4.2. Система осаждения ALD показано на рисунке 2, и система осаждения ТЕ показано на фиг.3.

  1. Депозитные SnS по ALD
    1. Перед загрузкой в ​​реактор, положить Мо подложки в УФ очиститель озона в течение 5 мин для удаления органических частиц. Затем поместите подложек на держателе подложки и вставить в зоне осаждения.
    2. Стабилизировать печь Температура при 200 ° С перед началом осаждения.
    3. Выращивают SNS тонких пленок из реакции бис (N, N '-diisopropylacetamidinato) олово (II) [Sn (MEC (N -iPr) 2) 2, называемый здесь Sn (AMD) 2] и сероводорода (H 2 S), 4.
      1. Держите Sn (AMD) 2 предшественника при постоянной температуре 95 ° С. Используйте чистую N 2 газ, чтобы помочь доставку Sn (AMD) 2 пара из контейнера в духовке в зону осаждения. Во время каждого цикла ALD, поставка три дозы Sn (AMD) 2 предшественником общей экспозиции 1.1 Торр секунду.
      2. Использование газовой смеси 4% H 2 S в N 2 в качестве источника серы. Убедитесь, что воздействие паров сероводорода 1,5 Торр второй за дозу. Убедитесь, что парциальное давление Н 2 S и общее давление H 2 S в N 2 в 0,76 Торр и 19 Торр соответственно.
    4. Набор тон время откачки между Sn дозы предшественника и Н 2 S дозы только в 1 сек (короткий по сравнению с большинством других обычных процедур ALD), чтобы ускорить осаждение.
      Примечание: Из-за предшественником Sn не полностью удалены это короткое время откачки, некоторые остаточные Sn предшественник остается, когда Н 2 S поступает. Таким образом, процесс может быть описан как импульсного процесса CVD. Темпы роста SnS фильма составляет 0,33 Å / цикл, или 0,04 Å / сек.
  2. Депозитные SnS по TE
    1. Убедитесь, что давление в камере процесс 2 х 10 -7 Торр или ниже. Загрузка субстраты в камеру через замок сработал. Удержание подложек к пластине либо с одного клипа, или с пользовательским держателем подложки с соответствующего размера карманов, который завинчивают на подложке пластины.
    2. Рампа источник и подложки нагреватели для их заданных значений. Для устройства, описанные здесь, температура подложки 240 ° С и скорость роста 17; / сек; Для достижения этой скорости роста установить температуру источника в диапазоне 550 - 610 ° C (необходимые исходные температуры увеличивается со временем для одной нагрузки источника порошка). Толщина мишени фильм 1000 нм.
    3. Измерить скорость осаждения с помощью кварцевого резонатора монитор (QCM) до и после СНС пленки осаждением путем перемещения QCM руку в технологическую камеру. Для этого измерения субстрат поднимается, так что QCM могут быть перемещены в положение ростового субстрата.
      Примечание: скорость осаждения остается постоянным на протяжении всего времени осаждения 3 ч (± 0,05 Å / сек отклонения).
    4. После осаждения, передавать образцы обратно в замок, прежде чем нагрузки вентиляции воздуха. Быстро транспортировки образцов через воздух в хранилище либо в вакууме или в инертной атмосфере перчаточный ящик до следующего этапа обработки.
      Примечание: типичный непреднамеренное время экспозиции воздуха составляет примерно 3 мин. Типичное время хранения составляет один день и AWкрон.

5. SnS отжига

Примечание: Этот шаг выполняется немного по-другому для ALD и ТЕ солнечных батарей. Процедура отжига для ALD солнечных элементов описаны в подразделе 5.1, и порядок ТЕ солнечных элементов описаны в подразделе 5.2. Цель отжига обсуждается в разделе обсуждения.

  1. Отжига ALD выращенных SNS фильмы в Н 2 S газа.
    Примечание: Этот этап выполняется в той же системе, используемой для роста ALD.
    1. Использование чистого H 2 S газ (99,5%) при скорости потока 40 кубических сантиметров в минуту и давлении 10 торр.
    2. Нагреть пленку SnS до температуры 400 ° С и удерживать в течение 1 часа в среде газа S H 2. Убедитесь, что газ течет на протяжении всего процесса, в том числе температура наращивает вверх и вниз.
  2. Отжига выращенных TE-SNS фильмы в H 2 S газа. Выполните этот шаг в выделенном трубчатой ​​печи.
    1. Загрузка йе образцы на чистую кварцевую пластинку и слайд в область горячей зоне печи.
    2. После печи герметизируют, очищать три раза чистого N 2 и позволяют откачки до базового давления.
    3. Создание потока газа на 100 SCCM 4% H 2 S на 28 мм рт.
    4. Рампа температуру до 400 ° С в течение 10 мин. Удержание при 400 ° С в течение 1 ч, затем образцы позволяют охладиться без посторонней помощи в горячей зоне. Поддерживать постоянную Н 2 S поток газа и давление, пока образцы не остыть ниже 60 ° C. Удалить образцы и либо сразу же перейти к следующему шагу, или поместить их на хранение в среде инертного газа коробки с перчатками.

6. SnS пассивации поверхности с родной оксида

Примечание: Этот шаг выполняется немного по-другому для ALD и ТЕ солнечных батарей. В подразделе 6.1 Процедура пассивации поверхности для ALD солнечных элементов описаны, и порядок ТЕ солнечных элементов описаны в подразделе6.2. Функция этого шага обсуждаться в разделе обсуждения.

  1. Для ALD выращенных образцов, расти тонкий слой SnO 2, ALD.
    Примечание: Мы используем другой реактор, чем используемый для роста SNS.
    1. Выращивают SnO 2 по реакции циклического амида олова [(1,3-бис (1,1-диметилэтил) -4,5-диметил (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-илиден) Sn (II)] и перекись водорода (H 2 O 2). Хранить циклический амид предшественник олова в печи при 43 ° С, и Н 2 О 2 в барботер при комнатной температуре.
    2. Поддержание температуры подложки при 120 ° С для осаждения.
    3. Expose предшественник олова и H 2 O 2, используя 0,33 и 1,5 Торр второй за цикл, соответственно, в общей сложности 5 циклов. Убедитесь, что толщина полученного SnO 2 составляет 0,6 нм 0,7, как измерено рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) анализа 10.
  2. Для ТЕ-выращенных образцов, образуют THIп слой SnO 2 путем воздействия воздуха.
    1. Expose образцы в лабораторию окружающего воздуха в течение 24 часов. Убедитесь, что толщина полученного SnO 2 составляет примерно 0,5 нм, как измерено с помощью анализа XPS.
      Примечание: Типичное RT 24 ± 1 ° С, а типичное влажность 45% ± 13% (более летом); для устройств представленных здесь значения были 24,6 ° С и <30%, соответственно.

7. Нанесение Zn (O, S) / буферный слой ZnO

Примечание: Этот этап выполняется в том же ALD камеры, которая используется для роста SnS по ALD.

  1. Вырастить Zn (O, S): N слой по ALD.
    1. Поддержание температуры подложки при 120 ° С.
    2. Растут Zn (O, S): N от ALD от реакции диэтилцинка (Zn (C 2 H 5) 2, ДЕЗ), деионизированной воды (Н 2 O), 4% H 2 S в N 2 и аммиака (NH 3) 11. Храните барботера содерНин ДЕЗ при комнатной температуре. Используйте последовательность цикла [ДЕЗ-H 2 O-ДЕЗ-NH 3] 14 - [ДЕЗ-Н 2 S] 1, и повторите это супер цикл 12 раз. Убедитесь, что воздействие аммиака на 11 Торр второй.
    3. Убедитесь, что отношение сигнал / Zn в получаемой пленки составляет 0,14, как измерено с помощью спектроскопии резерфордовского обратного рассеяния 12, и что толщина пленки примерно 36 нм.
  2. Вырастить ZnO слой по ALD.
    1. Поддержание температуры подложки при 120 ° С.
    2. Растут ZnO с 50 циклов ALD в ДЭЗ-H 2 O.
      Примечание: Толщина полученной пленки ZnO составляет примерно 18 нм.

8. Нанесение Прозрачный проводящей окиси (ТШО), индия и олова Оксид (ИТО)

  1. Вырезать ITO теневые маски из 0,024 "(610 мкм) алюминиевых листов с помощью 6061 лабораторной лазерный резак.
    Примечание: маски определяют 11 прямоугольных устройства, которые 0,25 см 2плюс размер больше, прокладка в одном углу, который используется для измерения оптической отражательной способности, рисунок 4.
  2. Устанавливаются устройства и маски в маске выравнивателя.
    Примечание: Это алюминиевая пластина с вложенными карманами для подложки и маски и клипов для обеспечения маски на месте.
  3. Депозит ИТО по реактивного магнетронного напыления.
    1. Нагрейте субстрата примерно 80 - 90 ° С и позволяют вращение подложки.
    2. Используйте диаметр ITO цель 2-дюймовый (В 2 О 3 / SnO 2 90/10 мас.%, 99,99% чистоты) при 65 Вт РФ распыления власти с 40 / 0,1 SCCM потока 2 газа Ar / O на 4 мторр общего давления.
    3. Вырастить 240 нм ITO пленки.
      Примечание: С помощью этих параметров, темпы роста 0,5 Å / сек и листовых сопротивлений в диапазоне 40 - 60 Ω / кв достигнуты.

9. Металлизация

  1. Вырезать металлизации теневые маски из толстой Остин 127 мкмITIC лист из нержавеющей стали.
    Примечание: Эти маски вырезаны + 10 / -5 толерантности мкм коммерческой компанией. Рисунок металла состоит из 2-мя пальцами, разделенных 1,5 мм, каждый длиной 7 мм, и 1 х 1 мм 2 контактной площадки, рисунок 4.
  2. Устанавливаются устройства и маски в маске выравнивателя, как в шаге 8.2.
  3. Депозит Ag (для устройств TE) или Ni / Al (для ALD устройств) по электронно-лучевого испарения.
    1. Гора маска выпрямитель на подложки пластины электронно-лучевой системы металлы испарения. Откачка до давлени ниже 1 × 10 -6 Торр.
    2. Выпарить металла в размере 2 A / сек. Депозит 500 нм общую толщину металла.

Характеристика 10. Устройство

  1. Выполните ток-напряжение - измерения ("J V") на всех устройствах в темноте и в AM1.5 моделируется солнечного света.
    1. Калибровка солнечной тренажер, собирая J - V FR данныхом калиброванной кремния солнечного элемента и регулируя солнечной энергии симулятор лампы и высоту до достижения калиброванный текущее значение AM1.5 инсоляции.
    2. Свяжитесь с устройства в режиме четырехпроводной с помощью меди бериллия двойные зонд советы, чтобы связаться как с верхней (анод, Ag или Al) и нижней (катод, Mo) слоев. Контакты нижний слой по ковыряющих буфер и SNS слои скальпелем.
    3. Мера светлые и темные J - данные V, используя исходный метр за сорсинга напряжения и измерения тока.
      Примечание: Устройства, как правило, измеряется в диапазоне ± 0,5 В. Устройство не реагирует на направлении или скорости зачисток напряжения. Для обычного тестирования площадь определяющие свет диафрагмы не используется, см раздел Обсуждение дальнейших деталей.
  2. Произведите внешний квантовый выход (EQE) измерения на всех устройствах, с переменным светом и напряжения смещения.
    1. Калибровка системы EQE путем измерения RESPONSE калибровочной фотодиода Si.
      Примечание: программное обеспечение сравнивает эти данные измерений, выполненных с NIST-поддержке стандарта для регулировки уровня освещенности соответственно.
    2. Свяжитесь с устройства с помощью метода четыре провода, как в шаге 10.1.2.
    3. Измерить EQE использованием коммерческой системы, которая освещает образец монохроматическим светом нарезанный на частоте 100 Гц в течение диапазоне длин волн 270 нм и 1100 измеряет результирующего тока. Выполните это измерение в соответствии с стандартной операционной процедуры производителя.
    4. Повторите измерение EQE с переменным напряжением и белого уклоном света. Использование sourcemeter поставлять напряжения смещения и галогенной лампы на поставку светового смещения. Измерьте устройства в прямом и обратном смещении напряжения и при переменной интенсивности белого света до ~ 1 Солнц.
    5. Измерить оптическую отражательную способность (% R) верхней поверхности ITO с использованием спектрофотометра с интегрирующей сферой для того, чтобы преобразовать внешнего к внутреннемуквантовая эффективность (IQE). Выполните это измерение в соответствии с стандартной операционной процедуры производителя.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

В рисунках 6-8 Результаты показаны два представительных "базовый" ТЕ-выращенных образцов, как описано выше. Световой J - V данные для этих двух образцов приведены на рисунке 6 Первый образец ("SnS140203F") дает устройство с сертифицированным эффективности 3,88%, что было сообщено ранее 9 распределения представитель СП также показаны для каждого образца... Для заданного напряжения смещения, эти распределения вычисляется как Уравнение 1 где <J> это среднее плотности тока, измеренного для всех устройств, σ J это стандартное отклонение этих измерений, и N является общее число измерений. Другими словами, в среднем, и стандартная ошибка графически представлены. Это представление помогает сравнения результатов из разных образцов, а для визуальной оценкиВлияние изменений в производстве устройств на итоговую производительность устройства.

В J - видеоданные показывают, что образцы страдают от проблем с сопротивлением шунта, который изменяется между устройствами на образце. Этот вывод подкрепляется рисунках 7 и 8. На рисунке 7 стандартные параметры солнечных элементов построены - напряжение разомкнутой цепи (V OC), плотность тока короткого замыкания (J SC), коэффициент заполнения (FF), и эффективность преобразования энергии -. Для всех устройств, показанных же на рисунке 6 представление гистограмма помогает визуально определить корреляции между параметрами. Для этих образцов наиболее очевидной корреляции между эффективностью и FF, как и ожидалось для устройств, которые страдают от шунта или последовательное сопротивление потерь. Для второго устройства есть также очевидно корреляция между эффективностью и V OC,как и ожидалось потерь сопротивления шунта.

Эти корреляции были четко сформулированы в многомерных зависимостей, представленных на рисунке 8. Здесь V OC, J SC, и ФФ заговор против ряда С) и шунта (R ш) сопротивлений. Рассчитываются R S и R ш, используя линейную подходит к J - данные V вблизи 0,5 и 0 В, соответственно. Во многих случаях это было бы лучше, чтобы извлечь R S и R ш в качестве параметров в модели диода, которые могут быть пригодны для J - V данных. Тем не менее, для относительно низкой эффективности солнечных батарей Есть много источников потерь и модели диода, которые добились успеха на более высоких устройств эффективности не являются надежными. Поэтому предпочтительно, чтобы извлечь R S и R ш от более надежной техники. Хотя полученные значения не могут быть точными, тренDS по-прежнему поучительны и могут быть использованы, чтобы направлять развитие. Данные на рисунке 8, подтверждают, что сопротивления шунта является основным источником потерь. Это можно увидеть наиболее ярко в лучах восходящего тренда в FF Ш). Данные показывают, что, на данном этапе развития устройства, сопротивление шунта необходимо поддерживать больше, чем приблизительно 200 Ω см 2 для того, чтобы повышения эффективности других улучшений процесса, чтобы стать очевидным. R S появляется не ограничивать устройств сообщили здесь. Значения R, как правило, с 0,5 Ω см 2, и лишь в редких случаях предприятие свыше 1 Ω см 2.

Результаты для одного представителя "базового" ALD-взрослый образец, как описано выше, показаны на рисунке 9. В ALD устройства показывают лучшую производительность, чем устройства ТЕ, с лучшим прибором, показывающим эффективность 4,6%. Кроме различных методов роста SNS, тWO изготовления процедуры отличаются в пассивации поверхности SnS путем окисления. Кроме того, образцы TE подвергаются лабораторного воздуха между роста пленки и отжига, в то время как образцы отжигают ALD в ростовой камере без перерыва воздуха. Образцы ALD-видимому, выросли меньше страдают от потери сопротивления шунтирующих чем ТЕ, выращенных образцов. Причина этого различия не известно. Возможно, что ALD-выращивают SnS пленки более компактны, из-за Самоограничивающийся режиме роста и низкой скоростью роста, чем ТЕ-выращенных пленок.

В сертификационные испытания устройств воспроизводятся на рисунке 10. 9,10 Слева показан заверенную устройство записи, используя ALD выращенных слой SNS. Сертифицирован эффективность для этого образца был 4,36%, и устройства до 4,54% эффективного были измерены с помощью той же процедуры изготовления. Справа показано сертифицированный устройство записи, используя TE-выращенный слой SNS. Сертифицирована эффективность для данного образцабыл 3,88%, и устройства до 4,1% были измерены с той же процедурой. Обратите внимание, что 3,88% результат сертифицированный тест также в пределах, измеренной для того же образца, для которого средняя ± стандартное отклонение 3,5% ± 0,4%, как показано на рисунке 7.

На рисунке 11 показано результатов, демонстрирующих стабильность ТЕ, выращенных SNS солнечных батарей в условиях окружающей среды. Для некоторых образцов J - Тесты V проводились до и после хранения в течение одиннадцати месяцев. Образцы хранили на воздухе и подвергают воздействию окружающего света без инкапсуляции. Все четыре образца, показанные на рисунке 11 были обработаны несколько иначе, чем процедура сообщил здесь; это по историческим причинам, и нет никаких оснований думать, что устройства, описанные здесь, будут иметь различные характеристики стабильности. Различия обработки описаны в подписи к рисунку, и на их долю приходится различной ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕе устройств. Главное, что минимальное снижение наблюдается в течение года. Это еще предстоит выяснить, как SnS солнечные батареи выживет более ускоренное тестирование всю жизнь, например, влажного тепла или длительного полного освещения спектра.

Фигура 1
Рисунок 1. Устройство процесс изготовления. Перечень процессе изготовления устройства, от подложки (резки # 1, внизу) к металлизации (# 9, вверху).

Рисунок 2
Рисунок 2. осаждения слоя (ALD) Обзор по атомной системы. (Топ) ALD система схематический чертеж. (Внизу) система ALD фотография, с критическими компонентами пронумерованных и маркированных. Эта система может выполнить осаждение SnS, СНС отжиг, и буфер осаждения слоя и сидит в Gordпо группе в Гарвардском университете. Он состоит из трубки осаждения с горячими стенками, две печи, используемые для хранения предшественника, газ доставить и система управления, контроль температуры системы и роторный вакуумный насос механическая. Подложкодержатель можно поставить на самое восемь 1 "× 1" квадратных субстраты. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. термическое испарение (ТЕ) Обзор системы. Критические компоненты пронумерованы и помечены. Это система предназначена для осаждения SnS и сидит в группе Buonassisi в Массачусетском технологическом институте. Система состоит из технологической камеры и блокировки нагрузки. Камера процесс обычно хранится в условиях высокого вакуума (1 × 10 -8 Торр) и включает в себя этап заслонкой подложки сВращение образца и радиационный нагрев и ставнями выпот ячейка для источника испарения. Камера также имеет выдвижную кристалл кварца монитора (МККМ), расположенный непосредственно под подложки пластины для измерения скорости роста, и пирометр для измерения температуры подложки. Купленных SnS порошок используется для предшественника, с тепловой предварительной обработки, описанной выше. 9 подложки пластины имеет одну большую подложку устройства (1 × 1 в 2) и один меньше, субстрат (1 × 1/3 в 2), используется для измерения SNS кино. Расстояние от подложки к исходному отверстие 10 см. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Металлизация шаблон и образец фотография. & # 160; рисунок слева показывает образец для металлизации 0,25 см 2 устройств. Для ясности след ТШО изложил только на одном устройстве. Также показано расположение большей TCO площадку, которая используется для измерения оптических отражательной способности. Фотография справа показывает реальную образца с ТЕ-выращенных SnS. Поцарапан область слева обеспечивает контакт с лежащей в основе Mo слоя для тестирования. Фотография:. КДж Ван Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. Тестирование устройств с зонда карты. Это сверху вниз изображение показывает образец, установленный на испытательной станции патрон с несколькими устройствами одновременно контактирующих с пользовательской зонда карты. Только половина из образца видна на этом изображении.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "цель =" _ пустое "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6
Рисунок 6. J - V испытания для устройств на двух разных «базовых» образцов ТЕ. Для ясности, все 12 устройства в данном образце нанесены в тот же цвет (серый или красный). Кроме нанесены представительные J - конверты V (средние ± стандартная ошибка) для всех устройств на каждом образце, как описано в тексте. Эти измерения были выполнены без площади определяющие световой апертуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

. Рисунок 7. Солнечные параметры испытания ячейки для двух исходных образцов ТЕ Результаты испытаний приведены в одной строке для каждого устройства испытания - 11 устройств каждый для "SnS140203F" (вверху) и "SnS140306H" (внизу) - сделать более очевидной корреляции , Над каждым участок сообщается лучшее, среднее значение, стандартное отклонение (SD), и стандартная ошибка (SE) для каждого распределения. Следует отметить, что лучше V OC (например) является самой высокой измеряется V OC, не V OC наиболее эффективного устройства. Эти измерения были выполнены без площади определяющие световой апертуры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 8
Рисунок 8. S услуги родовспоможения и сопротивления шунта многомерные участки для двух исходных образцов ТЕ. Устройства, представленные в то же сообщалось в рисунках 6-7. Серия (R S) и шунт Ш) сопротивления рассчитываются, как описано в тексте. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 9
Рисунок 9. СП испытания и параметры испытаний для одного базового образца ALD. (Топ) Кривые СП показать хорошую пиковую производительность, но некоторые устройства явно страдают от низкого сопротивления шунта. (Внизу) Параметры испытаний показывают сильную корреляцию между эффективностью и FF, в соответствии с шунтирующих потерь сопротивления. Эти измерения были выполнены без площади определяющие световой апертуры..jove.com / файлы / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "цель =" _ пустое "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 10
Рисунок 10. Результаты сертификация для ALD- и ТЕ, выращенных устройств. Сертификация осуществляется характеристика группы П.В. спектакль в Национальном лаборатория возобновляемой энергии, США. (Левый) сертифицированы запись ALD является 4,36%, как сообщалось в Sinsermsuksakul др. 10 (справа) ТЕ сертифицирована запись 3,88%, как сообщалось в Стейнманн др. 9 Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 11
Рисунок 11. Давний STAность ОСН солнечных элементов J -. V испытания образцов, которые были многократно измеренных в течение почти года, при хранении на воздухе и подвергаются воздействию окружающего света без инкапсуляции. Для каждой панели черные кривые показывают первое измерение, красные кривые окончательное измерение, и пунктирные кривые показывают. Тонкие линии показывают лучшее устройство для каждого теста, и толстые кривые представитель J - конверты V (в среднем ± стандартная ошибка) для всех устройств на каждого образца, как описано в тексте. Все четыре панели показывают ТЕ выращенных образцов, которые были обработаны, как описано в этой рукописи для следующих отличий: () Нет Н 2 S отжига шаг. (Б) Разбавитель поглощающий слой, 650 нм; нет Н 2 S отжига шаг; воздействие воздуха осуществляется при 200 ° С в течение 30 мин. (С) Разбавитель поглощающий слой, 650 нм; нет Н 2 S отжига шаг; буферный слой жIth высоким содержанием серы и не допинг азота. (Г) от бликов на хранение в верхней части стека устройства. Время между измерениями составлял 50 недель, 48 недель, 48 недель и 28 недель для панелей A, B, C, D и, соответственно. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 12
Рисунок 12. Визуализация пространственной неоднородности на двух базовых образцов ТЕ. Результаты такие же, как указано в Рисунок 6-8. Есть 11 устройств на каждом образце, и каждое устройство имеет свой цвет, к измеренной эффективности; Цветовая является одинаковым для обоих образцов. Черно-белый штриховкой указывает, что либо устройство не измерялась, или устройство не присутствовал (как одном углу каждого образца).

Рисунок 13
Рисунок 13. Иллюстрированный пример проверки гипотез в присутствии распространенной причиной дисперсии. Вымышленные персонажи Анжела и Несси отдельно проверить гипотезу, что процесс B Доходность выше эффективности солнечных батарей, чем процесс А. Анджела превосходный контроль процесса, но немного ниже базовой эффективность, чем Несси. (А, D, G) Истинные распределения вероятностей для результатов Angela и Несси годов. (В, Е, Н) Отдельные измерения. (С, F, I) измеренных распределений. С только 6 образцов, Анжела может отвергнуть нулевую гипотезу, но Несси не может. См текст для полного описания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотретьувеличенная версия рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Субстрат очистки выбор

Окисленные Si пластины используются в качестве субстратов. Подложки механической поддержки в результате солнечных батарей, и их электрические свойства не важны. Si пластины являются предпочтительными для стекла, потому что купленных Si пластины, как правило, чище, чем коммерчески приобретенных стеклянных пластин, и это экономит время очистки подложки. Кремниевых подложках также имеют высокую теплопроводность, чем стекло, что приводит к более равномерный нагрев в процессе роста и отжига. С коммерчески приобретаемых стеклянных пластин было установлено, что это было необходимо для очистки субстратов с моющим средством, в том числе ручной руб с пальцев в перчатках, после чего теплой ультразвуковой ванне, чтобы удалить все видимые следы загрязнения, и даже тогда субстрат чистотой не мог быть гарантирована. Это было экспериментально подтверждено, что выбор из стекла или Si подложках не имеет никакого влияния на производительность устройства. Howevэ-э, это сравнение было проведено с устройства были в 2% - 3% эффективного диапазона, и повторные сравнения будут стоит, как базовая эффективность улучшается.

Обычно 10 или более подложек очищается одновременно с использованием специально созданных носитель кварца пластины. Это дает более воспроизводимые результаты, чем обработки пластин по отдельности с помощью пинцета.

Мо распыление

Было принято решение внести в Мо назад контакт (катод) в доме, а не на покупку Пн-покрытием подложки после неутешительные результаты были получены с подложками, доступных из нескольких различных поставщиков. С приобретаемых субстратов (распыленных Mo на стекло) проблемы возникли с чистотой, расслаивания, или обоих. Пленка Мо осаждают DC магнетронным распылением в два слоя, по одному для сцепления с Si / SiO 2 подложке и один для высокой проводимостью, в соответствии с результатами опубликованныхСкофилд электронной т др. 13

Типичные пленки Мо 720 нм с листовым сопротивлением приблизительно 1 Ω / кв. Поверхностное сопротивление измеряется на жертвенный подложки с использованием системы зонд четыре точки после каждого прогона роста Мо. Кроме того, сцепление с субстратом испытывают, используя лезвие скальпеля. Ну-придерживались фильмы могут противостоять царапинам вручную с помощью скальпеля при умеренном давлении без де-ламинирования. Плохо придерживались фильмы будут де-ламинат только небольшим давлением. Было отмечено, что один шаг очистки подложки в плазме в камере напыления перед роста Мо важно, чтобы получить хорошую адгезию. Типичные параметры для этой операции очистки составляет 20 мТорр Ar, 20 Вт ВЧ и 60 сек.

Рост SnS термическим испарением

SnS испаряется из исходного порошка с помощью купленных низкой температуре выпот клетки с пиролитического нитрида бора тигле с võluмне 32 см 3. Когда источник первой загрузке это мелкий порошок и темно-серый цвета. Обычно 3 4 г порошка загружается. С новым порошком источника, температура источника составляет примерно 540 ° C для того, чтобы поддерживать скорость роста 1 A / сек на подложку, нагретую до 240 ° С. С увеличением числа запусков роста, температура источника должна быть увеличена для поддержания постоянной скорости роста. Когда требуемая температура достигает 610 источник ° C порошок обмен.

Тесно связана с температурой источника вопрос SNS хлопьев. Когда скорость роста возрастает до более чем 10 А / сек, большие хлопья SnS можно наблюдать в растущей пленки. Неизвестно, является ли это происходит из основного источника или из вторичных источников, таких как выпот клеток чехла или исходного затвора.

Один замечательное наблюдение, что, когда партия исходного порошка исчерпали оставляет за белым пористым остаткав нижней части тигля. Рентгеновский дифракционный подтверждает, что это SnO 2. Вес этого остатка, как правило, 0,01 г.

Рост SnS по ALD

Критическим параметром в этом процессе давление газа-носителя азота, который течет в Sn (AMD) 2 предшественника. Давление поддерживают около 250 Торр, но может изменяться немного время от времени. Учитывая, что объемное соотношение Sn (AMD) 2 барботер предшественника и газа N 2 ловушки 5: 1, давление внутри барботер около 50 торр. Если это значение становится слишком большим, испарение Sn предшественника будет значительно подавлена. С другой стороны, если давление внутри барботер слишком мал, то не было бы достаточно, падение давления между барботером и реакционной печи (который имеет давление ~ 10 тор), чтобы обеспечить плавный поток газа. Любой из этих сценариев приведет к недостаточной предшественника Sn в ALD реакции. Признаком этой проблемы является то, что толщина пленки вблизи выхода реакционной печи намного тоньше, чем вблизи входного отверстия. Во время каждого осаждения, давление внутри реактора контролируется, чтобы убедиться, что давление системы сидеть в правильном диапазоне.

Для обеспечения равномерного распределения температуры в реакционной зоне, на входе и выходе из трубки осаждения с горячими стенками обернуты нагревательных лент. Под нагревательных лент, пара термопар вставлены для измерения температуры. Распределение температуры неравномерное внутри реакционной зоны приведет к различным SNS пленки морфологии в различных регионах. При более высокой температуре осаждения, пленки, как правило, грубее и имеет более светлый цвет. При низких температурах ниже 200 ° С, пленки имеют более высокую отражательную способность, а может быть рассмотрен на глаз.

SnS отжига в H 2 S трубчатой ​​печи </ P>

Цель отжига является оптимизация морфологии, кристалличности и электрические свойства пленок SNS. Для ТЕ-выращенных солнечных батарей, стадию отжига выполняется в выделенном трубчатой ​​печи. Это "диаметром 2 кварцевая трубка печь способна течь смеси 4% H 2 S (баланс N 2), 4% Н 2 (баланс N 2), чистый N 2 и Ar чистый. Температура контролируется внешними Нихром нагревательных элементов и контролироваться с использованием кварцевого заключенная термопары, расположенной в горячей зоне. Газ откачивается с помощью масляного насоса, заполненный инертным маслом. Уплотнения изготавливаются с использованием H 2 S, устойчивых эластомеров. Обычное давление база 8 20 мТорр.

Температура отжига 400 ° С равновесие между вторичного роста зерен и пленки повторного испарения. В принципе, более высокая температура отжига может быть полезным для работы устройства, и может быть достигнуто без существенного FiПотеря лм с помощью более высокое давление в печи. Это при условии активного расследования.

SnS пассивации поверхности с родной оксида

Цель этапа пассивации, чтобы уменьшить плотность электронных состояний Ловушка при соединении между абсорбером и буферных слоев, и служить в качестве диффузионного барьера, чтобы предотвратить нежелательное смешивание составных элементов абсорбера и буферных слоев. Он имеет 14 Было отмечено, что образцы, обработанные этой стадии окисления имеют более высокие значения V OC чем образцов, обработанных снаружи.

В это время, стадия окисления не были широко изучены и, вероятно, не оптимизированы. Использование рентгеновских результаты фотоэлектронной спектроскопии (не показаны), по оценкам, оксид должен быть толщиной не менее 1 нм для хорошей производительности и во избежание тока блокирование.

Нанесение прозрачного проводящимиоксид ка (ТШО), оксид индия и олова (ITO)

До этого ухода точки берется контролировать общее воздействие воздуха из образцов при каждом шаге. Тем не менее, после того, как буферный слой воздействие осаждения воздух больше не ограничивается, и образцы хранят и транспортируют в окружающем воздухе.

До этого момента, все показания были "одеяло" фильмы, охватывающие весь субстрат. С этой точки зрения отложений по образцу, чтобы определить отдельные устройства. Для обоих ИТО и металлизации шагов показания определяются с помощью лазерной резки металла теневые маски. Для осаждения ITO очень важно, чтобы область осажденного площадки резко определяется теневой маске. Если площадь не резко определены, например из-за изгиба маски в маске выравнивателя, то активная область из полученных устройств может быть значительно больше, чем номинальный размер 0,25 см 2. Это может привести к ошибочному над-репоrting плотности тока.

Металлизация

Рисунком металлизации предназначен для включения подсветки место квантовой инструмента измерения эффективности падать полностью на ITO без перекрытия с металлом. Это ограничение приводит к 2-мя пальцами отделяют на 1,5 мм, длиной по 7 мм и 1 х 1 мм 2 контактная площадка, рисунок 4. Эта модель является менее оптимальных из устройства точки зрения производительности. Шаблон оптимизирован для работы устройства будет использовать несколько пальцев с меньшим интервалом.

Ag был использован для ТЕ, выращенных клеток и Ni / Al была использована для ALD выращенных клеток. Это разделение является историческим и не основаны на экспериментальной исходом. Вполне возможно, что Ni / Al обеспечивает превосходную стойкость к коррозии при длительных сроков хранения. В самом деле, было обнаружено, что Ag контакты имеют тенденцию вызвать коррозию при длительном хранении на воздухе (на exampле, больше, чем год).

Характеристика устройства

Готовые устройства характеризуются использованием ток-напряжение ("J - V") измерения, собранные и внешний квантовый выход (EQE) измерения, полученные с и без белого света и напряжения смещения. На сегодняшний день солнечные элементы были измерены связавшись отдельных устройств одн-на-времени, с помощью зондовых микроманипуляторами в типичной конфигурации зонда станции. В имитатора солнечного и EQE системы были физически отсоединен, так что образец необходимо повторно связаться для каждого измерения. В результате, это займет примерно 4 - 5 ч для измерения J - V и EQE на всех 11 устройств.

Комплексная программа испытаний станция высокой пропускной который сочетает в себе J - V и EQE с помощью одного образца патрона и зондирования карты, что контакты всех устройств одновременно был недавно установлен в Массачусетском технологическом институте, смЮр 5. Электрические соединения контролируются программируемым мультиплексор, и моторизованный этап XY патрон управляется компьютером. Таким образом, J - V и измерений EQE могут быть выполнены последовательно на всех устройствах 11 в соответствии 1 часа.

Для обычного устройства тестирования площадь определяющие световое отверстие не используется. Поэтому активная площадь устройство может быть недооценена, в результате чего более-оценки плотности тока. Однако диафрагмы используется сертификационных лабораторий, что часто приводит к снижению эффективности (CF фиг.7, 9 и 10). Использование площади определяющие световое отверстие всегда желательно, но для обычного тестирования часто пренебрегают из-за практических проблем, таких как свести к минимуму физический контакт с верхней части образца. Систематическая ошибка из-за недооценки площадь активной устройства могут быть смягчены с помощью больших площадей устройств. Для работы, описанной здесь, достаточно мала (0,25 см 2) Размер был выбран в качестве подходящей для раннего развития технологий этап (на ранних стадиях был использован даже меньше устройство 0,03 см 2 без металлизации). Теперь, когда устройства находятся в диапазоне от 4% эффективной и повторяются, стоит увеличение до размера 1 см 2 или более.

В дополнение к стандартным методам характеристика, описанных выше, на образцах случаю также тестировали с помощью методов, включая в зависимости от температуры J - V, V Suns- разгона, профилирования емкость-напряжение, и замок в термографии. Эти методы используются, чтобы понять и количественно определенные механизмы потери, такие как интерфейс рекомбинации и потери сопротивления серии.

Значение протоколов обмена изготовления устройств

В публикациях по неорганической тонкой пленки PV результаты испытаний устройств никогда не (с опытом) в сопровождении сufficient экспериментальные детали, чтобы воспроизвести эксперимент. Эта ситуация приводит к ненужному разочарования среди отдельных исследователей, и препятствует прогрессу всей области. Эта ситуация также затрудняет сравнение процедуры, описанные в данном документе, чтобы те, которые используются другими исследовательскими группами. Методы, описанные в этой рукописи были разработаны с помощью многочисленных бесед с исследователями в тонкопленочной PV (в основном в Соединенных Штатах), и много проб и ошибок. Авторы надеются, что эта работа помогает другим избежать ненужных разочарований, и устанавливает прецедент для деталей отчетности экспериментальных методов в тонкопленочной PV.

Будущие приложения описанного протокола

Протокол, описанный здесь, будет использоваться для установления "базовый" SNS солнечных батарей. Наиболее важной особенностью базового протокола изготовления является повторяемость; абсолютное число эффективность менее важно. Ян опыт авторов, повторяемость ключевой атрибут, который позволит проводят исследования для повышения эффективности, например, путем улучшения пассивации поверхности или уменьшения объемной плотности дефектов. Без повторяемой протокола базового чрезвычайно трудно судить последствия изменений в протокол изготовления. Это подробно описано в разделе ниже по проверке гипотез.

Текущая и будущая работа на SNS солнечных батарей будет использовать протокол, описанный здесь базовой для оптимизации отдельных шагов изготовления с целью повышения эффективности устройства. Особый интерес представляют Н 2 S отжига и поверхностного шаги пассивации, так как они непосредственно влияют на плотность дефектов в объеме поглотителя, и в р - п-перехода.

Ансамбли данных позволяют гипотезы тестирование

В поле, что боготворит эффективности чемпион, это заманчиво напосмотреть ансамбль -> 99% (не чемпион) устройств - и полезную информацию он предоставляет. В этом разделе мотивирует ансамбль анализа данных, и представляет легкое подходы к визуализации и извлечения полезную информацию из ансамбля данных. Он предполагает, что читатель имеет рабочую понимание экспериментальной статистики (гипотеза тестирования), и удобно расчета гауссово распределение, стандартное отклонение, стандартная ошибка, и 95% доверительные интервалы для данного набора данных.

Проще говоря, анализ ансамбль данные исследования изменчивости, которая при восстановлении, позволяет лучше проверки гипотез. Изменчивость, в просторечии "шум", запутывает "сигнал" в течение обусловленного гипотезами процесса проектирования и научных исследований. Как шума увеличивается, больше экспериментов оказываются неубедительными. Спорные эксперименты трата времени, ресурсов и оптимизма. Ансамбль данные могут помочь уменьшить изменчивость в двух направлениях:

Во-первых, ансамбль данные показывают процесса неоднородностей в пространстве и времени. Этот тип изменчивости является систематическим (например., Вызванные температурно или расход градиентов в данной тонкопленочной камеры осаждения), получая прозрачную пространственным разрешением шаблон вариации производительности, примером на рис 12. Пространственное или временное изменение воплощает "отпечатки пальцев" в шаге процесса оскорбления. В месте метрологии и управления образцы могут помочь выявить и устранить источники изменчивости систематического процесса.

Во-вторых, ансамбль данные показывают, "удача-оф-дро" или "общего" вызывают дисперсии, т.е. изменчивость статистической что влияет на все элементы ансамбля в равной степени. Эта изменчивость является более трудным для устранения, потому что это совокупный результат нескольких связанных шагов обработки. Общие-причина отклонения может быть лучше свести к минимуму строгим контролем процессаи стандартные операционные процедуры на каждом этапе - по общему признанию, сложные предложения в быстро меняющемся и укомплектованы минимально академическая среда. Тем не менее, следующие упражнения показывает, почему снижение общего причина дисперсию имеет важное значение.

Влияние общего вызывают дисперсии примера: дружелюбный, вымышленный научно конкуренция между доктором дотошные и д-р Messy: Анжела и Несси являются исследователи из двух разных лабораториях. Они занимаются в товарищеском соискание ученой проверить гипотезу, что процесс B создает лучшие устройства, чем хорошо принятой базовой процесса А. Оба исследователя нанимать стандартную процедуру тестирования гипотез, которая предполагает, что причиной общего дисперсия приводит гауссовских распределений эффективности ( Более представительные статистические функции распределения включают логнормальное для распределений без выбросов и статистически более надежные лог-Коши-Lorenzian для распределений с сильным Outliers).

Ангела, как известно, своих коллег, как "Dr. Тщательная. "Она стремится уменьшить изменчивость процесса. Ангела не разделяет ее beakerware с другими, работают камеры процедуры предварительного кондиционирования перед нанесением тонкопленочных, включает контрольные образцы с каждым изготовления перспективе и предпочитает ИК-класса кремниевых подложках с тепловыми поверхностей оксида вместо более переменных стеклянных поверхностей. Она производит базовые (процесс А) устройства с "истинным" (т.е.., Фактическая) означает эффективность 10% и стандартное отклонение σ (истинное истинное) 0,5%. Изготовление устройств и измерения времени, и она может только в изготовлении и измерения шести устройств (N = 6) на процесс.

В другой лаборатории, Несси трудно на работе. Для своих коллег, Несси известен как "Dr. Грязные "Ее изготовление и метрология инструментов. Находятся в коллективного пользования объекта. Когда это ее очередьиспользовать их, она не принять необходимые меры предосторожности, чтобы обеспечить низкую общего причина дисперсию. Но из-за ее небрежности, ее истинный стандартное отклонение 1,5% абсолютной (3 × больше, чем Анджела). Это выше, σ верно отражает менее хорошо контролируемых экспериментальных условиях. Тем не менее, из-за Несси использует исходного сырья повышенной чистоты, ее базовый процесс достигает истинного среднего 10,6%. Несси изготавливает и меры N = 6 устройств на процесс.

Давайте предположим, что процесс B улучшает "истинную" эффективность устройства на 10% по отношению (то есть, 10% улучшается до 11%;. 10,6% улучшает до 11,7%). И Анджела и Несси применить центральную предельную теорему для N = 6 устройств каждый из них фабрикуют, как показано на рисунке 13 Обратите внимание, что "настоящие" дистрибутивы (рис 13А, D, G) скрыты исследователей. они только наблюдать свои экспериментальные данные (рис13B с, Е, Н), и полученную Гаусса припадки, стандартные ошибки и доверительные интервалы (Фигуры 1C, F, I).

С одной стороны, жесткий контроль процесс Анжелы (меньшая вариабельность, меньше σ правда) позволяет ей отвергнуть нулевую гипотезу, заключив с> 95% уверенностью, что процесс B превосходит обработать (рис 13С). С другой стороны, Несси, который имеет более высокую σ правда, не можем заключить, что процесс B лучше, чем процесс А (рис 13F) с N = 6. Несмотря на то, Несси повезло сделать два устройства с КПД, которые выше, чем любой из Анжелы (Цифры 13В, Е), Анжела выиграв гонку, чтобы опубликовать научную статью, которая будет революционизировать способ ее поле думает о Процессе B.

Несси понимает, что она нуждается в увеличении ее доверительные интервалы, которые требуется ее, чтобы уменьшить еестандартная ошибка измерения (SE), то есть.,

Уравнение 2 , [1]

Несси может преследовать одну из двух подходов, чтобы соответствовать Анжелы 3 × меньше SE: Несси может уменьшить ее истинный изменчивость O) на коэффициент 3, или увеличить N на коэффициент 3 2 = 9. Несси получает доступ к высоко- Пропускная устройства Устройство для измерения, увеличения N от 9 ×. Это улучшение компенсирует ее 3 × больше изменчивость процесса, и она в состоянии обнаружить статистически значимую разницу между процессами А и В, отвергая нулевую гипотезу с> 95% уверенностью (рис 13i). Она вернулась в гонки для публикации.

Более высокие эффективности базовых увеличить шансы успешного тестирования гипотез: Фокусировка на уравнении для SE (уравнение 1), то можно увидетькак увеличение базовых характеристик увеличивает шансы успешного тестирования гипотез. Если вышеупомянутый процесс B были испытаны на 5% -efficient базового устройства вместо 10%, улучшение абсолютная эффективность будет лишь 0,5%, а не 1%. Предполагая, σ вывода неизменной, минимальное количество образцов, необходимых для отвергают нулевую гипотезу увеличивается 4 ×. Таким образом, повышение производительности базовой устройства имеет тот же эффект, как математическую снижения σ, то есть., Улучшение доверительных интервалов 1-к-1.

Заключительное слово: Снижение стандартную ошибку необходимо свести к минимуму риск безрезультатных испытаний гипотез. Стандартная ошибка может быть уменьшен путем уменьшения общего причина ссоры, проявляется в σ O, что приводит к снижению SE 1-к-1. Повышение базовой производительности имеет эквивалентный эффект. Можно также увеличить размер выборки N, но это будет иметь слабыйВлияние на э SE из-за квадратного корня (увеличение N также увеличивает риск систематической вариации).

Важность применения экспериментальных статистических данных широко применяется в биологии и физике (CF стоячие Статистика комитеты вообще высокие экспериментов энергии). 15 Для повышения качества представления данных в PV, то рекомендуется, что исследователи обращают внимание на 99% устройств они изготовления, и принять гипотезу тестирования с ансамблями данных.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы хотели бы поблагодарить Пола Ciszek и Кейт Эмери из Национального лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) для сертифицированных измерений СП, Райли Брандт (MIT) для измерения спектроскопии фотоэлектронных и Джефф Коттер (АСУ) для вдохновения для раздела проверки гипотезы. Эта работа поддерживается Министерством энергетики США в рамках Инициативы SunShot по контракту DE-EE0005329, и Bosch LLC Роберт через научно-исследовательской сети Bosch энергии в рамках гранта 02.20.MC11. В. Стейнманн, Р. Харамильо, и К. Хартман отметить поддержку, фундамент Александр фон Гумбольдт, лань EERE Докторантура научный премию, и Intel кандидатскую стипендий, соответственно. Эта работа сделана использование Центра наноразмерных систем Гарвардского университета, который при поддержке Национального научного фонда премии ECS-0335765.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Quartz wafer carrier AM Quartz, Gainesville, TX bespoke design
Sputtering system PVD Products High vacuum sputtering system with load lock
4% H2S in N2 Airgas Inc. X02NI96C33A5626
99.5% H2S Matheson Trigas G1540250
SnS powder Sigma Aldrich 741000-5G
Effusion cell Veeco 35-LT Low temperature, single filament effusion cell
diethylzinc (Zn(C2H5)2) Strem Chemicals 93-3030
Laser cutter Electrox Scorpian G2 Used for ITO shadow masks
ITO sputtering target (In2O3/SnO2 90/10 wt.%, 99.99% pure) Kurt J. Lesker EJTITOX402A4
Metallization shadow masks MicroConnex bespoke design
Electron Beam Evaporator Denton High vacuum metals evaporator with load-lock
AM1.5 solar simulator Newport Oriel 91194 1,300 W Xe-lamp using an AM1.5G filter
Spectrophotometer Perkin Elmer Lambda 950 UV-Vis-NIR 150 mm Spectralon-coated integrating sphere
Calibrated Si solar cell PV Measurements BK-7 window glass
Double probe tips Accuprobe K1C8C1F
Souce-meter Keithley 2400
Quantum efficiency measurement system PV Measurements QEX7
Calibrated Si photodiode PV Measurements
High-throughput solar cell test station PV Measurements bespoke design
Inert pump oil DuPont Krytox PFPE oil, grade 1514; vendor: Eastern Scientific
H2S resistant elastomer o-rings DuPont Kalrez compound 7075; vendor: Marco Rubber
H2S resistant elastomer o-rings Marco Rubber Markez compound Z1028
H2S resistant elastomer o-rings Seals Eastern, Inc. Aflas vendor: Marco Rubber

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Woodhouse, M., Goodrich, A., et al. Perspectives on the pathways for cadmium telluride photovoltaic module manufacturers to address expected increases in the price for tellurium. Solar Energy Materials and Solar Cells. 115, 199-212 (2013).
  2. Bloomberg New Energy Finance University 2013 - renewable energy, CCS, EST. Available from: http://about.bnef.com/presentations/bnef-university-renewable-energy-ccs-est/ (2013).
  3. Ramakrishna Reddy, K. T., Koteswara Reddy, N., Miles, R. W. Photovoltaic properties of SnS based solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, (18-19), 3041-3046 (2006).
  4. Sinsermsuksakul, P., Heo, J., Noh, W., Hock, A. S., Gordon, R. G. Atomic Layer Deposition of Tin Monosulfide Thin Films. Advanced Energy Materials. 1, (6), 1116-1125 (2011).
  5. Noguchi, H., Setiyadi, A., Tanamura, H., Nagatomo, T., Omoto, O. Characterization of vacuum-evaporated tin sulfide film for solar cell materials. Solar Energy Materials and Solar Cells. 35, 325-331 (1994).
  6. Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519, (21), 7421-7424 (2011).
  7. Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18, (6), 501 (2003).
  8. Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7, (3), 269-273 (1986).
  9. Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26, (44), 7488-7492 (2014).
  10. Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4, (15), 1400496 (2014).
  11. Hejin Park, H., Heasley, R., Gordon, R. G. Atomic layer deposition of Zn(O,S) thin films with tunable electrical properties by oxygen annealing. Applied Physics Letters. 102, (13), 132110 (2013).
  12. Palmetshofer, L. Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS). Surface and Thin Film Analysis. Available from: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9783527636921.ch11/summary 191-202 (2011).
  13. Scofield, J. H., Duda, A., Albin, D., Ballard, B. L., Predecki, P. K. Sputtered molybdenum bilayer back contact for copper indium diselenide-based polycrystalline thin-film solar cells. Thin Solid Films. 260, (1), 26-31 (1995).
  14. Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
  15. Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492, (7428), 180-181 (2012).
Создание Записать-эффективность SNS солнечных батарей методом термического испарения и осаждения атомного слоя
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter