Waiting
Login processing...

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

Engineering

Göra Record-effektivitet SNS solceller genom termisk avdunstning och Atomic Layer Deposition

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Tin sulfid (SNS) är en kandidat absorbatormaterial efter jord riklig, giftfria solceller. SnS erbjuder enkel kontroll fasen och snabb tillväxt av kongruent termisk indunstning, och den absorberar synligt ljus starkt. Men under en lång tid posten effektivitet SNS solceller Power Conversion kvar under 2%. Nyligen visade nya certifierade rekord effektivitet på 4,36% använder SnS deponerats av atomlager nedfall, och 3,88% med hjälp av termisk förångning. Här tillverkningsproceduren för dessa skiv solceller beskrivs, och den statistiska fördelningen av tillverkningsprocessen har rapporterats. Standardavvikelsen för effektivitet mättes på ett enda substrat är typiskt över 0,5%. Alla steg inklusive substrat val och rengöring, Mo sputtring för den bakre kontakten (katod), SNS nedfall, glödgning, ytpassivering, Zn (O, S) val buffertlagret och nedfall, transparent ledare (anod) nedfall, och metallisering beskrivs. På varje substrat tillverka vi 11 olika enheter, var och en med aktiv area 0,25 cm 2. Vidare är ett system för hög genomströmning mätningar av strömspänningskurvor under simulerade solljus, och extern mätning DQE med variabel ljus partiskhet beskrivs. Med detta system kan vi mäta fulla datauppsättningar på samtliga 11 enheter på ett automatiserat sätt och på minimal tid. Dessa resultat visar värdet av att studera stora provmängder, snarare än att fokusera snävt på de högsta enheterna prestanda. Stora datamängder hjälper oss att urskilja och åtgärda enskilda förlustmekanismer som påverkar våra enheter.

Introduction

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

Tunnfilms solceller (PV) fortsätter att öka intresset och betydande forskningsverksamhet. Men de ekonomiska aspekterna av PV marknaden skiftar snabbt och utveckla kommersiellt framgångsrika tunn film PV har blivit en mer utmanande utsikter. Tillverkningskostnadsfördelar över skivbaserade teknik kan inte längre tas för givet, och förbättringar i både effektivitet och kostnader måste sökas på lika villkor. 1,2 Mot bakgrund av denna verklighet har vi valt att utveckla SnS som ett absorberande material för tunn film PV. SnS har inneboende praktiska fördelar som kan översätta till låg tillverkningskostnad. Om hög verkningsgrad kan påvisas, kan det betraktas som en drop-in ersättning för CdTe i kommersiell tunnfilms PV. Här är tillverkningsproceduren för en tid sedan rapporterade rekord SNS solceller påvisats. Vi fokuserar på praktiska aspekter som substrat val, deponeringsförhållanden enhet layout och mätprotokoll.

SnS består av icke-giftiga, jord rikliga och billiga element (tenn och svavel). SnS är en inert och olösligt halvledande fast (mineral namn Herzenbergite) med en indirekt bandgap på 1,1 eV, starkt ljus absorption för fotoner med energi över 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), och inneboende p -typ ledningsförmåga med bärarkoncentration . i intervallet 15 oktober - 17 OKTOBER cm -3 3 - 7 Viktigt avdunstar SnS kongruent och fas-stabil upp till 600 ° C 8,9 Detta innebär att SnS kan avsättas genom termisk förångning (TE) och dess höga. -växlad kusin, slutet utrymme sublime (CSS), som användes vid framställning av CdTe solceller. Det innebär också att SnS fasstyming är mycket enklare än för de flesta tunn film PV material, i synnerhet inklusive Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) och Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Därför cell efvitet står som främsta hinder för kommersialisering av SnS PV, och SNS kan betraktas som en drop-in ersättning för CdTe gång höga effektivitet demonstreras på laboratorieskala. Men denna effektivitet hinder kan inte överskattas. Vi bedömer att effektiviteten posten måste öka med en faktor fyra, från ~ 4% till ~ 15%, i syfte att stimulera kommersiell utveckling. Utveckla SnS som en drop-in ersättning för CdTe kommer också att kräva tillväxt av högkvalitativa SNS tunna filmer av CSS, och utvecklingen av en n -typ partner material som SnS kan odlas direkt.

Nedan beskrivs steg-för-steg-förfarande för framställning av skiv SnS solceller användning av två olika avsättningstekniker, atomlager deponering (ALD) och TE. ALD är en långsam tillväxt metod men hittills har gett den högsta effektiviteten enheter. TE är snabbare och industriellt skalbar, men släpar ALD effektivitet. Förutom de olika SnS deponeringsmetoder, TEoch ALD solceller skiljer sig något under glödgning, ytpassivering och metallise steg. De anordning tillverkningssteg är uppräknade i fig 1.

Efter beskriver förfarandet är testresultaten för de certifierade rekord enheter och tillhörande prov presenteras. De rekordresultat har tidigare rapporterats. Här ligger fokus på fördelningen av resultaten för en typisk pågående körning.

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. Substrate Urval och skärning

  1. Köp polerad Si wafers med en tjock termisk oxid. För enheterna redovisas här använder 500 um tjocka skivor med en 300 nm eller tjockare termisk oxid. Kriterier substrat val De diskuteras i diskussionsavsnittet.
  2. Spin belägga den polerade sidan av skivan med en typisk positiv fotoresist (SPR 700 eller PMMA A. 495) och mjuka baka (30 s vid 100 ° C).
    Anmärkning: Detta är ett skyddsskikt för att förhindra skada eller kontaminering under efterföljande skärningssteget.
  3. Använd ett munstycke att såga skivan i 1 "x 1" (25,4 x 25,4 mm 2) kvadratiska substrat.

2. Substrat Rengöring

  1. Avlägsna partiklar och andra rester som resulterar från att skära steg med användning av ett komprimerat kväve pistol, följt av ett ultraljudsbad i avjoniserat (DI) vatten under 5 min vid 45-60 ° C.
  2. Ta fotoresistskiktet med en ultraljuds bath i aceton under 5 min vid 45-60 ° C.
  3. Rengör exponerade substratet med tre efterföljande ultraljudsbad, alla under 5 min vid 45 till 60 ° C: aceton, etanol och isopropylalkohol. Avsluta med att torka med en komprimerad kväve pistol, medan substrat kvar i kvartsbärare.

3. Mo Sputtring

  1. Ladda rena Si / SiO 2 substrat i en högvakuum förstoftningssystem. Se till att substratplattan är ouppvärmd och substratrotation är aktiverad. För enheter som redovisas här, process i ett kommersiellt system med lutande magne vapen med 2 "mål och en kastavstånd på cirka 4".
  2. Deponera det första skiktet (adhesionsskiktet) vid relativt hög bakgrund tryck, såsom 10 mTorr i Ar. För enheter som redovisas här, process med sputtringseffekt på 180 W (DC), vilket ger en tillväxt på 2,6 Å / sek, och en första Mo lager som är 360 nm tjockt.
  3. Deponera den andraskikt (det ledande skiktet) vid ett relativt lågt bakgrundstryck, såsom 2 mTorr av Ar. Använd samma sputtringseffekt som det första skiktet (180 W) och deponera samma tjocklek.
    Anm: De anordningar som rapporteras här hade ett andra Mo skikt som var 360 nm tjockt, samma som det första skiktet.
  4. Efter Mo nedfall, lagra substraten under vakuum tills SNS avsättningssteg.

4. SnS Avlagring

Obs! ALD nedfall teknik beskrivs i underavsnitt 4.1, och TE deponering beskrivs i underavsnitt 4.2. ALD avsättningssystem visas i fig 2, och TE-avsättningssystem visas i fig 3.

  1. Insättnings SnS från ALD
    1. Innan du laddar in i reaktorn, sätta Mo substrat i en UV-ozon renare under 5 minuter för att avlägsna organiska partiklar. Placera sedan substraten på substrathållaren och sätt in i avsättningszonen.
    2. Stabilisera ugnen tempeperatur vid 200 ° C innan deponering.
    3. Odla SnS tunna filmer från reaktionen av bis (N, N '-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -iPr) 2) 2, som här kallas Sn (AMD) 2] och vätesulfid (H 2 S) 4.
      1. Håll Sn (AMD) 2-prekursorn vid en konstant temperatur av 95 ° C. Använda ren N2-gas för att bistå leveransen av Sn (AMD) 2 ånga från behållaren i ugnen till deponeringszonen. Under varje ALD cykel, försörjnings tre doser av Sn (AMD) 2 föregångare för total exponering på 1,1 Torr sekund.
      2. Använd en gasblandning av 4% H2S i N 2 som svavelkälla. Säkerställ att exponering för vätesulfid ånga är 1,5 torr sekund per dos. Se till att det partiella trycket av ^ H 2 S och det totala trycket av H2S i N 2 är 0,76 torr och 19 Torr, respektive.
    4. Set than pumpa tid mellan Sn föregångare dos och H2S dos för att vara endast 1 sek (kort jämfört med de flesta andra konventionella ALD procedurer) i syfte att påskynda avsättningen.
      Obs: Eftersom Sn föregångare inte helt avlägsnas genom denna korta pump tid, fortfarande några kvarvarande Sn föregångare när H 2 S anländer. Sålunda kan förfarandet kan beskrivas som en pulsad CVD-process. Tillväxttakten SNS filmen är 0,33 Å / cykel, eller 0,04 Å / sek.
  2. Insättnings SnS enligt TE
    1. Se till att processen kammartrycket är 2 x 10 -7 Torr eller lägre. Last substrat in i kammaren genom lasten låset. Håll substraten till plattan antingen med ett enda klipp, eller med en anpassad substrathållare med lämplig storlek fickor som skruvas ned till substratskivan.
    2. Ramp källan och substratvärmare till sina börvärden. För anordningen rapporteras här substrattemperaturen är 240 ° C och tillväxthastigheten är en7; / sek; att uppnå denna tillväxttakt ställa käll temperatur inom intervallet 550-610 ° C (de nödvändiga källtemperaturen ökar med tiden för en enda last av käll pulver). Målet filmtjockleken är 1000 nm.
    3. Mät avsättningshastighet med hjälp av kvartskristall monitor (QCM) före och efter SnS filmavsättningen genom att flytta QCM armen in i processkammaren. För denna mätning substratet höjs så att QCM kan flyttas in i substratet tillväxtpositionen.
      Obs: Avsättningshastigheten förblir tämligen konstant under en avsättningstid av 3 h (± 0,05 Å / sek avvikelsen).
    4. Efter avsättning, överföra prover tillbaka till sluss innan ventilering till luften. Snabbt transportera proverna genom luften in i lager, antingen i vakuum eller i en inert atmosfär handskfacket innan nästa behandlingssteg.
      Obs: Den typiska oavsiktlig luftexponeringstiden är ca 3 min. Den typiska lagringstiden är mellan en dag och aweek.

5. SnS Glödgning

Obs: Detta steg utförs något annorlunda för ALD och TE solceller. Den glödgning förfarande för ALD solceller beskrivs i underavsnitt 5.1, och förfarandet för TE solceller beskrivs i underavsnitt 5.2. Syftet med glödgningen diskuteras i diskussionsavsnittet.

  1. Glödga ALD odlade SNS filmer i H2S gas.
    Obs: Detta steg utförs i samma system som används för ALD tillväxt.
    1. Använda ren H2S-gas (99,5% ren) vid en flödeshastighet av 40 sccm och ett tryck av 10 torr.
    2. Värm SnS filmen till en temperatur på 400 ° C och håll under 1 timme i H2S gas miljö. Säkerställa att gasen flödar genom hela processen, inklusive temperatur ramping upp och ned.
  2. Glödga TE-odlade SNS filmer i H2S gas. Utför detta steg i en särskild rörugn.
    1. Last: tee prover på en ren kvartsplatta och glider in i den heta zonen område av ugnen.
    2. Efter det att ugnen är förseglad, spola tre gånger med ren N 2 och tillåta att pumpa ned till bastryck.
    3. Etablera gasflödet vid 100 sccm av 4% H 2 S vid 28 torr.
    4. Ramp temperaturen till 400 ° C under 10 minuter. Håll vid 400 ° C under en timme, låt sedan proverna svalna utan hjälp i varmzonen. Upprätthålla konstant H2S gasflödet och tryck tills proverna svalna under 60 ° C. Ta bort proverna och antingen gå direkt till nästa steg, eller placera dem i lager i en inert gas handskfacket.

6. SnS ytpassivering med en Native Oxide

Obs: Detta steg utförs något annorlunda för ALD och TE solceller. I underavsnitt 6.1 ytpassivering förfarandet för ALD solceller beskrivs och förfarandet för TE solceller beskrivs i underavsnitt6.2. Funktionen för detta steg diskuteras vidare i diskussionsavsnittet.

  1. För ALD odlade prover, växer ett tunt lager av SnO 2 av ALD.
    Obs: Vi använder en annan reaktor än den som används för SnS tillväxt.
    1. Grow SnOa 2 genom reaktion av cyklisk amid av tenn [(1,3-bis (1,1-dimetyletyl) -4,5-dimetyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-yliden) Sn (II)] och väteperoxid (H 2 O 2). Förvara den cykliska amiden tenn prekursor i en ugn vid 43 ° C, och H2O 2 i en bubblare vid RT.
    2. Upprättsubstrattemperatur vid 120 ° C under avsättningen.
    3. Exponera tin prekursorn och H2O 2 med användning av 0,33 och 1,5 torr sekund per cykel, respektive, för totalt fem cykler. Kontrollera att tjockleken hos den resulterande SnOj 2 är 0,6 0,7 nm, mätt med röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) analys 10.
  2. För TE-odlade prover, bildar en thin skikt av SnOa 2 genom luftexponering.
    1. Exponera proverna till labbet omgivande luft under 24 timmar. Kontrollera att tjockleken hos den resulterande SnOj 2 är approximativt 0,5 nm, uppmätt genom XPS-analys.
      Obs: Den typiska RT är 24 ± 1 ° C, och den typiska fuktigheten är 45% ± 13% (högre på sommaren); för enheterna redovisas här, var värdena 24,6 ˚C och <30%, respektive.

7. Deponering av Zn (O, S) / ZnO Buffertskikt

Obs: Detta steg utförs i samma ALD kammare som används för SnS tillväxt genom ALD.

  1. Väx en Zn (O, S): N-skiktet av ALD.
    1. Bibehåll substrattemperaturen vid 120 ° C.
    2. Grow Zn (O, S): N med ALD från reaktionen av dietylzink (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), avjoniserat vatten (H2O), 4% H2S i N 2, och ammoniak (NH 3) 11. Förvara bubbel Containing DEZ vid RT. Använd en cykel sekvens av [DEZ-H2O-DEZ-NH3] 14 - [DEZ-H2 S] 1, och upprepa denna super cykel 12 gånger. Se till att exponeringen av ammoniak är 11 torr sekund.
    3. Kontrollera att S / Zn-förhållandet i den erhållna filmen är 0,14, mätt genom Rutherford backscatte spektroskopi 12, och att tjockleken av filmen är ungefär 36 nm.
  2. Odla en ZnO-skikt genom ALD.
    1. Bibehåll substrattemperaturen vid 120 ° C.
    2. Väx ZnO med 50 ALD cykler av DEZ-H2O
      Obs: Tjockleken hos den resulterande ZnO-filmen är ca 18 nm.

8. Deponering av transparent ledande oxid (TCO), indium-tennoxid (ITO)

  1. Klipp ITO skuggmasker från en 0,024 "(610 nm) aluminium 6061 ark med hjälp av en laboratorielaserskärare.
    Obs: Maskerna definierar 11 rektangulära enheter som är 0,25 cm 2 istorlek plus en större dyna i ett hörn som används för optiska mätningar reflektivitet, se figur 4.
  2. Montera enheterna och masker i en mask Aligner.
    Obs: Detta är en aluminiumplåt med kapslade fickor för underlaget och masker och klämmor för att fästa maskerna på plats.
  3. Värde ITO genom reaktiv magnetronförstoftning.
    1. Värm substratet till cirka 80-90 ˚C och aktivera substrat rotation.
    2. Använd en 2-tums ITO diameter mål (I 2 O 3 / SnOa 2 90/10 vikt.%, 99,99% ren) vid 65 W RF sputtringseffekt med 40 / 0,1 sccm Ar / O 2 gasflöde vid 4 mTorr totalt tryck.
    3. Odla en 240 nm tjock ITO-film.
      Obs: Med dessa parametrar, tillväxttakt på 0,5 A / s och skivmotstånd i intervallet 40-60 Ω / kvm uppnås.

9. Metallise

  1. Klipp metalliseskuggmasker från en 127 | im tjock AustenITIC rostfri plåt.
    Obs: Dessa masker skärs med + 10 / -5 pm tolerans genom ett kommersiellt företag. Metall Mönstret består av två fingrar separerade med 1,5 mm, var och en 7 mm lång, och en 1 x 1 mm 2 kontaktdynan, se figur 4.
  2. Montera de anordningar och maskerna i en mask aligner, som i steg 8.2.
  3. Värde Ag (för TE-enheter) eller Ni / Al (för ALD-enheter) av elektronstråle avdunstning.
    1. Mount mask Aligner på substratplattan av en elektronstråle metaller indunstningssystem. Pumpa ner till ett bastryck under 1 x 10 -6 Torr.
    2. Avdunsta metall med en hastighet av 2 Å / sek. Insättning 500 nm totala metalltjocklek.

10. Enhets Karakterisering

  1. Utför strömspänning ("J - V") mätningar på samtliga enheter i mörker och i AM1.5 simulerade solljus.
    1. Kalibrera solsimulator genom att samla J - V-data frOm en kalibrerad kisel solcell och justera solsimulator lampeffekt och höjd tills de når kalibrerade aktuellt värde för AM1.5 solinstrålning.
    2. Kontakta enheterna i fyra-wire-läge genom att använda koppar beryllium dubbla prob tips för att kontakta både toppen (anoden, Ag eller Al) och botten (katod, Mo) skikt. Kontakt med bottenskiktet genom att skrapa bort buffert och SNS skikt med ett skalpellblad.
    3. Mät ljusa och mörka J - V data med hjälp av en källa meter från sourcing spänning och mäta ström.
      Not: Anordningar typiskt mätas inom området ± 0,5 V. anordningar inte reagerar på riktningen eller hastigheten av spänningssvep. För rutintestning ett område-definierar ljusöppning inte används, se diskussion avsnitt för ytterligare information.
  2. Utför extern DQE (EQE) mätningar på alla enheter, med variabel ljus och förspänningen.
    1. Kalibrera EQE systemet genom mätning av RespoNSE i ett Si kalibreringsfotodiod.
      Obs: Programmet jämför dessa data till mätningar som utförs med en NIST-backed standard för att justera ljusnivån i enlighet därmed.
    2. Kontakta enheter med fyra-trådsmetoden, som i steg 10.1.2.
    3. Mät EQE med användning av ett kommersiellt system, som belyser provet med monokromatiskt ljus hackad vid 100 Hz över ett våglängdsområde på 270 1100 nm och mäter den resulterande strömmen. Utför denna mätning enligt standardförfarande tillverkarens.
    4. Upprepa EQE mätning med variabel spänning och vitt ljus förspänning. Använd en sourcemeter att förse förspänningen, och en halogenlampa för drift av ljus förspänningen. Mät enheter i både framåt och bakåt förspänning, och under variabel vitt ljusintensitet upp till ~ 1 Suns.
    5. Mät den optiska reflektansen (% R) av ITO toppyta med användning av en spektrofotometer med en integrerande sfär för att omvandla yttre till inrekvantverkningsgrad (IQE). Utför denna mätning enligt standardförfarande tillverkarens.

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

I figurerna 6-8 resultaten visas för två representativa "baseline" TE-odlade prover, såsom beskrivits ovan. Upplyst J - V-data för dessa två prover är avsatt i figur 6 Det första provet ("SnS140203F") gav enheten med certifierad effektivitet 3,88% som tidigare rapporterades 9 representant JV distributioner visas också för varje prov... För en given förspänning, dessa distributioner beräknas som Ekvation 1 där <J> är medelvärdet av strömtätheten uppmätts för alla enheter, σ J är standardavvikelsen för dessa mätningar, och N är det totala antalet mätningar. Med andra ord är den genomsnittliga och standardfelet grafiskt. Denna representation hjälper till med att jämföra resultat från olika prover, och för att visuellt bedömaeffekten av förändringar i anordningstillverkning på den resulterande enhetens prestanda.

J - V data tyder på att proven lider av problem med shunt motstånd som varierar mellan olika enheter på ett prov. Denna slutsats förstärks ytterligare av figurerna 7 och 8. I fig 7 standardsolcellsparametrar plottas - tomgångsspänningen (V OC), kortslutningsströmtäthet (J SC), fyllnadsfaktom (FF), och effektiviteten effektomvandlings -. För alla samma anordningar som visas i fig 6 Den stapeldiagram representation hjälper till att visuellt identifiera korrelationer mellan parametrar. För dessa prover mest uppenbar korrelation mellan effektivitet och FF, som förväntat för enheter som lider av shunt eller serie motståndsförluster. För den andra anordningen finns det också en uppenbar korrelation mellan effektivitet och V OC,som förväntat för shunt resistansförluster.

Dessa korrelationer görs explicita av multivariata tomter som visas i figur 8. Här används V OC, J SC, och FF plottas mot serien (Rg) och shunten (R sh) resistanser. R och R, sh beräknas med användning av linjär passar till J - V uppgifter nära 0,5 och 0 V resp. I många fall skulle det vara bättre att utvinna R s och R sh som parametrar i en diodmodell som kan vara lämpligt att J - V-data. Men för en relativt låg verkningsgrad solceller finns många källor till förlust, och diod modeller som lyckas för högre effektivitet enheter inte är tillförlitliga. Det är därför föredraget att extrahera Rg och R sh av en mer robust teknik. Även de erhållna värdena inte kan vara korrekt, det trends är fortfarande lärorikt och kan användas för att styra utvecklingen. Data i figur 8 bekräftar att shuntmotstånd är en stor källa till förlust. Detta kan ses tydligast i den uppåtgående trenden i FF (R sh). Data visar att i detta skede av enhet utveckling, måste shunt motstånd upprätthållas mer än cirka 200 Ω cm 2 för att effektivitetsvinster från andra processförbättringar för att bli uppenbara. R s tycks inte begränsa enheter som redovisas här. Värdena för R s är typiskt 0,5 Ω cm 2, och endast sällan vågar över 1 Ω cm 2.

Resultat för en representant "baseline" prov ALD-odlades såsom beskrivits ovan visas i figur 9. ALD enheter visar bättre prestanda än TE-enheter, med den bästa enheten visar 4,6% effektivitet. Förutom de olika SNS tillväxttekniker, two tillverkningsprocedurer skiljer sig SNS ytpassivering genom oxidation. Dessutom är de TE proverna exponerades för laboratorieluft mellan filmtillväxt och glödgning, medan ALD proverna glödgades i tillväxtkammaren utan en luft brytning. ALD odlade prover verkar lida mindre av shunt resistansförluster än TE-odlade prover. Anledningen till denna skillnad är inte känd. Det är möjligt att de ALD odlade SNS filmer är mer kompakt, på grund av självbegränsande tillväxt läge och långsam tillväxt, än TE-odlade filmer.

De certifierade tester enhets återges i figur 10. 9,10 Till vänster visas den certifierade posten enheten med en ALD odlade SnS skikt. Den certifierade effektivitet för detta prov var 4,36%, och enheter upp till 4,54% effektiv har mätts med hjälp av samma tillverkningsproceduren. Till höger visas den certifierade posten enheten med en TE-odlade SnS skikt. Den certifierade effektivitet för detta provvar 3,88%, och enheter upp till 4,1% har uppmätts med samma förfarande. Notera att certifierat testresultatet den 3,88% är väl inom området mäts för samma prov, för vilka den genomsnittliga ± standardavvikelse är 3,5% ± 0,4%, såsom visas i fig 7.

Figur 11 visar resultat som visar stabiliteten hos TE-odlade SnS solceller i omgivningsförhållanden. För utvalda prov J - V tester utfördes före och efter lagring i upp till elva månader. Proven lagrades i luft och exponerades för omgivande ljus utan inkapsling. Alla fyra prover visas i fig 11 behandlades lite annorlunda än det förfarande som redovisas här; Detta är av historiska skäl, och det finns ingen anledning att tro att anordningarna som redovisas här skulle ha olika stabilitetsegenskaper. Skillnaderna bearbetnings beskrivs i figuren bildtext, och de står för varierande trädane av enheterna. Den viktigaste punkten är att minimal nedbrytning observeras över ett år. Det återstår att se hur SnS solceller skulle överleva mer accelererad livstidstestning, såsom fuktig värme eller långvarig hela spektrumet belysning.

Figur 1
Figur 1. Enhets tillverkningsprocessen. Räkning av enheten tillverkningsprocessen, från substratskär (# 1, botten) till metallisering (# 9, överst).

Figur 2
Figur 2. atomlager nedfall (ALD) Systemöversikt. (Top) ALD systemet schematisk ritning. (Längst ned) ALD systemet fotografi, med kritiska komponenter numrerade och märkta. Detta system kan utföra SnS nedfall, SNS glödgning, och buffertlager nedfall och sitter i Gordpå grupp vid Harvard University. Den består av en het-vägg avsättningsröret, två ugnar som används för att lagra prekursor, gas levererar och styrsystem, temperaturregleringssystem och en roterande skovel mekanisk vakuumpump. Substrathållaren kan sätta högst åtta 1 "x 1" kvadrat substrat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Termisk avdunstning (TE) Systemöversikt. Kritiska komponenter är numrerade och märkta. Detta system är tillägnad SnS avsättning och sitter i Buonassisi grupp vid MIT. Systemet består av en processkammare och en sluss. Processkammaren är normalt hålls under höga vakuum (1 × 10 -8 Torr) och inkluderar en slutare substrat scen medprov rotation och strålningsuppvärmning, och en slutare effusionscell för käll avdunstning. Kammaren har också en infällbar kvartskristall monitor (QCM) ligger direkt under substratplattan för att mäta tillväxt och en pyrometer för att mäta substrattemperaturen. Kommersiellt köpt SnS pulver används för prekursorn, med en termisk förbehandling som beskrivs tidigare. 9 Substratplattan håller en stor enhet substrat (1 x 1 i 2) och ett mindre substrat (1 x 1/3 i 2), som är används för sns filmmätningar. Avståndet från underlaget till källöppningen är 10 cm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Metallise mönster och prov fotografi. & # 160; Ritningen till vänster visar metalliseringsmönstret för 0,25 cm 2 enheter. För tydlighetens skull TCO fotavtryck beskrivs på endast en enhet. Vidare visas läget av större TCO dynan som används för optiska mätningar reflektivitet. Bilden till höger visar en verklig prov med TE-odlade SnS. Den skrapat området till vänster ger kontakt med underliggande Mo lagret för att testa. Foto:. KJ Wang Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. Anordning testning med sondkort. Denna top-down bilden visar ett exempel på monterad på teststation chuck med flera enheter kontaktade samtidigt med anpassad sond kortet. Endast hälften av provet är synliga i denna bilden.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6
Figur 6. J - V test för enheter på två olika "grundläggande" TE prover. För tydlighets skull är alla 12 enheter i ett givet prov plottas i samma färg (grå eller röd). Dessutom ritas är representativa J - V kuvert (genomsnitt ± standardfel) för alla enheter på varje prov, som beskrivs i texten. Dessa mätningar utfördes utan områdes definierar ljusöppning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

. Figur 7. Solcell testparametrar för två grundläggande TE prover Testresultaten plottas på en enda rad för varje enhet testas - 11 enheter vardera för "SnS140203F" (överst) och "SnS140306H" (botten) - för att göra korrelationer tydligare . Ovanför varje kurva rapporteras de bästa, medelvärde, standardavvikelse (SD), och standardfel (SE) för varje fördelning. Observera att det bästa V oc (till exempel) är det högsta uppmätta V oc, inte V oc av de mest effektiva enheten. Dessa mätningar utfördes utan områdes definierar ljusöppning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8
Figur 8. S ranser och shunt motstånd multivariata tomter för två grundläggande TE prover. Enheterna representeras är desamma redovisas i figurerna 6-7. Serien (R s) och shunt (R SH) motstånd beräknas som beskrivs i texten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9
Figur 9. JV tester och testparametrar för en baslinje ALD prov. (Top) De JV kurvorna visar god topprestanda, men vissa enheter lider tydligt låg shunt motstånd. (Nederst) De testparametrar visar ett starkt samband mellan effektivitet och FF, i linje med shuntmotstånd förluster. Dessa mätningar utfördes utan ett område avgränsande ljusöppningen..jove.com / filer / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 10
Figur 10. Certifierings resultat ALD- och TE-odlade enheter. Certifiering utförs av PV Performance karakterisering Team vid National Renewable Energy Laboratory, USA. (Vänster) Den ALD certifierade rekord är 4,36%, som rapporterats i Sinsermsuksakul et al. 10 (höger) TE certifierad rekord är 3,88%, som rapporterats i Steinmann et al. 9 Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 11
Figur 11. Lång tid staheten av SNS solceller J -. V tester av prover som upprepade gånger mättes under en period på nästan ett år, samtidigt som lagras i luft och utsätts för omgivningsljus utan inkapsling. För varje panel svarta kurvorna visar den första mätningen, de röda kurvorna visar den slutliga mätningen, och streckade kurvorna visar. De tunna linjerna visar den bästa enheten för varje test, och de tjocka kurvorna är representativa J - V kuvert (genomsnitt ± standardfel) för alla enheter på varje prov såsom beskrivs i texten. Alla fyra fälten visar TE-odlade prover som behandlats såsom beskrivits i detta manuskript med undantag för följande skillnader: (a) nr H2S glödgningssteg. (B) Thinner absorbentskikt, 650 nm tjockt; ingen H2S glödgningssteg; luftexponering utfördes vid 200 ° C under 30 minuter. (C) Thinner absorbentskikt, 650 nm tjockt; ingen H2S glödgningssteg; buffertskikt wed högre svavelhalt och ingen kväve dopning. (D) antireflektionsbeläggning avsatt på toppen av anordningen stacken. Tiden mellan mätningarna var 50 veckor, 48 veckor, 48 veckor och 28 veckor för paneler a, b, c och d, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 12
Figur 12. Visualisering av rumslig olikformighet över två utgångs TE prover. Resultaten är desamma som rapporteras i fig 6-8. Det finns 11 enheter på varje prov, och varje enhet är färgkodade enligt den uppmätta effektivitet; färgkartan är densamma för båda proven. Svart-vit kläckning anger antingen att enheten inte mättes, eller ingen enhet var närvarande (som ett hörn av varje prov).

Figur 13
Figur 13. Illustrerad exempel på hypotesprövning i närvaro av gemensam sak varians. Fiktiva karaktärer Angela och Nessi separat testa hypotesen att förfarande B ger högre verkningsgrad solceller än Process A. Angela har överlägsen processtyrning men en något lägre utgångs effektivitet än Nessi. (A, D, G) Sanna sannolikhetsfördelningar för Angela och Nessi resultat. (B, E, H) Enskilda mätningar. (C, F, I) Uppmätta distributioner. Med endast 6 prover, kan Angela förkasta nollhypotesen men Nessi kan inte. Se text för fullständig beskrivning. Klicka här för att seen större version av figuren.

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

Substrat val rengöring

Oxiderade Si wafers används som substrat. Substraten är de mekaniskt stöd för de erhållna solceller, och deras elektriska egenskaper är inte viktiga. Si wafers är att föredra framför glas eftersom kommersiellt inköpta Si wafers är typiskt renare än kommersiellt inköpta glasskivor, och detta sparar tid i substrat rengöring. Si-substrat också har högre värmeledningsförmåga än glas, vilket leder till en jämnare uppvärmning under tillväxt och glödgning. Med kommersiellt köpt glasskivor det konstaterades att det var nödvändigt att rengöra substrat med tvättmedel, inklusive en manuell gnugga med handskar fingrar följt av en varm ultraljudsbad, för att avlägsna alla synliga spår av föroreningar, och även då substrat renlighet kunde inte garanteras. Det var experimentellt bekräftade att valet av glas eller Si substrat har ingen inverkan på enhetens prestanda. However, var denna jämförelse utföras med enheter var 2% - 3% effektiv räckvidd, och upprepade jämförelser blir meningsfullt som baslinje effektivitet förbättras.

Typiskt 10 eller flera substrat rengörs åt gången med hjälp av en specialdesignad kvartsskivbäraren. Detta ger mer reproducerbara resultat än att hantera rån individuellt med pincett.

Mo förstoftning

Det beslutades att deponera Mo tillbaka kontakten (katoden) internt snarare än inköps Mo-substrat efter nedslående resultat erhölls med substraten tillgängliga från flera olika leverantörer. Med köpta substrat (sputteras Mo på glas) problem uppstod med renlighet, delaminering, eller bådadera. Mo film avsattes medelst magnetronförstoftning med likström i två lager, ett för vidhäftning till Si / SiOa två substrat och en för hög ledningsförmåga, i enlighet med de resultat som publicerats avScofield e t al. 13

Typiska Mo filmer är 720 nm tjockt med en ytresistans av ca 1 Ω / kvm. Motståndet arket mäts på en offer substrat med användning av ett fyrapunkts probsystem efter varje Mo tillväxt körning. Dessutom är vidhäftningen till substratet testades med användning av ett skalpellblad. Väl vidhäftade filmerna kan motstå repning för hand med en skalpell vid moderat tryck utan de-laminering. Dåligt vidhäftade filmerna kommer de-laminat med endast lätt tryck. Det observerades att en kort substrat plasmarengöringssteg i förstoftningskammaren före Mo tillväxt är viktig för att erhålla god vidhäftning. Typiska parametrar för detta rengöringssteg är 20 mTorr Ar, 20 W RF, och 60 sek.

SnS tillväxt genom termisk förångning

SnS förångas från källpulvret med hjälp av en kommersiellt köpt låg temperatur effusionscell med en pyrolytisk bornitrid degeln med VOLUmig 32 cm 3. När källan först laddas det är ett fint pulver och mörkgrå färg. Typiskt 3 4 g pulver är laddad. Med ny källa pulver, är källtemperaturen ca 540 ° C i syfte att upprätthålla en tillväxthastighet av 1 Å / sekund på ett substrat upphettades till 240 ° C. Med ett ökande antal tillväxt körningar måste källtemperaturen ökas för att bibehålla en konstant tillväxthastighet. När önskad källa temperaturen når 610 ° C pulvret byts ut.

Nära ansluten till källtemperaturen är frågan om SNS flingor. När tillväxttakten ökas till över 10 Å / sekund, kan observeras stora SNS flingor i den växande filmen. Det är okänt om dessa härrör från den huvudsakliga källan, eller från sekundära källor såsom effusionscellen hölje eller käll slutare.

En anmärkningsvärd iakttagelse är att när ett parti av källpulvret är slut lämnar bakom en vit, porös återstodvid botten av degeln. Röntgendiffraktion bekräftar att detta är SnOa 2. Vikten av denna återstod är typiskt 0,01 g.

SnS tillväxt genom ALD

En kritisk parameter i denna process är trycket av kvävgas bärargas som strömmar till Sn (AMD) 2-prekursorn. Trycket bibehålls nära 250 Torr, men kan variera lite från gång till gång. Med tanke på att volymförhållandet mellan Sn (AMD) 2 prekursor bubblare och N 2 gasfälla är 5: 1, är trycket inuti bubbelenheten runt 50 Torr. Om detta värde blir för stor, kommer förångningen av Sn-prekursor avsevärt undertryckas. Å andra sidan, om trycket inuti bubbelenheten är alltför liten, det skulle inte vara ett tillräckligt tryckfall mellan bubbel och reaktionsugnen (som har ett tryck av ~ 10 torr) för att möjliggöra en smidig gasflöde. Båda dessa scenarier kommer att leda till bristande Sn föregångare i ALD-reaktionen. En indikation på detta problem är att filmtjockleken nära utloppet av reaktionsugnen är mycket tunnare än den nära inloppet. Under varje avsättning, är trycket inuti reaktorn övervakas för att se till att systemtrycken sitter i rätt intervall.

För att säkerställa en likformig temperaturfördelning i reaktionszonen, är inloppet och utloppet av den heta väggen avsättningsröret lindade med värmeband. Under värmetejperna, är ett par termoelement insatt att mäta temperaturen. En icke-likformig temperaturfördelning inuti reaktionszonen kommer att leda till olika SNS film morfologier vid olika regioner. Vid högre avsättningstemperaturen, filmer tenderar att vara grövre och har en ljusare färg. Vid låga temperaturer under 200 ° C, filmer har en högre reflexionsförmåga, som kan undersökas med ögat.

SnS glödgning i en H 2 S rörugn </ P>

Syftet med härdningssteget är att optimera morfologi, kristallinitet och elektriska egenskaperna hos SNS filmerna. För TE-odlade solceller, är härdningssteget utförs i en dedikerad rörugn. Detta 2 "diameter kvarts rörugn kan flödande blandningar av 4% H 2 S (balans N 2), 4% H 2 (balans N 2), ren N2 och ren Ar. Temperaturerna styrs av externa Nichrome värmeelement och övervakas med hjälp av en kvartsinnesluten termo ligger i den heta zonen. Gas evakueras med användning av en oljepump fylld med inert olja. Sälar görs med H 2 S resistenta elastomerer. Typiska bastryck är 8 20 mTorr.

Glödgningstemperaturen av 400 ° C är en balans mellan sekundär korntillväxt och film återindunstning. I princip kan högre glödgningstemperatur vara till nytta för enhetens prestanda och kan uppnås utan betydande film förlust genom att använda högre ugnstrycket. Detta är föremål för aktiv utredning.

SnS ytpassivering med en infödd oxid

Syftet med passive steget är att minska tätheten av elektroniska fälla stater vid korsningen mellan absorbatorn och buffertlager, och att fungera som en diffusionsbarriär för att förhindra oönskad blandning av beståndsdelarna i absorbatorelementen och buffertlager. 14 Det har observerats att prover behandlats med detta oxidationssteg har högre V OC värden än prover som bearbetats utan.

Vid denna tidpunkt, oxidationssteget har inte studerats i stor omfattning och är förmodligen inte optimerad. Med användning av röntgenfotoelektronspektroskopi Resultaten (ej visade) Det uppskattas att oxiden bör vara mindre än 1 nm tjockt för bra prestanda och för att undvika strömspärr.

Avsättning av den transparenta conducTing oxid (TCO), indium-tennoxid (ITO)

Före denna punkt försiktighet vidtas för att kontrollera den totala luftexponering av proverna vid varje steg. Men efter buffertlager nedfall luftexponering är inte längre begränsad och proverna lagras och transporteras i luften.

Före denna punkt har alla vittnesmål varit "filt" -filmerna, som täcker hela substratet. Från denna punkt på nedfallet är mönstrade för att definiera enskilda enheter. För både ITO och metallise steg nedfall definieras med hjälp av laserskurna metallskuggmasker. För ITO avsättning är det mycket viktigt att arean av det avsatta dynan skarpt definierad av skuggmasken. Om området inte är skarpt definierade, till exempel på grund av böjning av masken i masken riktaren, då den aktiva delen av de resulterande anordningarna kan vara betydligt större än den nominella storleken på 0,25 cm 2. Detta kan leda till en felaktig över reparting av strömtätheten.

Metallisering

Den metalliseringsmönster är utformad så att belysningspunkten av kvanteffektivitetsmätning verktyg för att helt och hållet faller på ITO utan överlappning med metallen. Denna begränsning resulterar i två fingrar åtskilda av 1,5 mm, var och en 7 mm lång, och en 1 x 1 mm 2 kontaktplatta, se figur 4. Detta är mönstret mindre än optimal från en enhet-prestandasynpunkt. Ett mönster optimerad för enhetens prestanda skulle använda fler fingrar med mindre mellanrum.

Ag har använts för TE-odlade celler och Ni / Al har använts för ALD-odlade celler. Denna uppdelning är historiska och inte förankrad i en experimentell resultat. Det är möjligt att Ni / Al ger överlägsen beständighet mot korrosion under långa lagringstider. I själva verket har det observerats att Ag kontakter har en tendens att korrodera under långvarig lagring i luft (för example, längre än ett år).

Enhets karakterisering

Färdiga enheter kännetecknas med hjälp av ström-spänning ("J - V") mätningar insamlade och externa DQE (EQE) mätningar insamlade med och utan vitt ljus och förspänningen. Till aktuell solceller har mätts genom att kontakta enskilda enheter en-at-a-tid, med hjälp av sond mikromanipulatorer i en konfiguration typisk sond station. De solsimulator och EQE system var fysiskt bortkopplad, så att provet som behövs för att åter bringas i kontakt för varje mätning. Som ett resultat, skulle det ta cirka 4-5 timmar för att mäta J - V och EQE på alla 11 enheter.

En integrerad hög genomströmning teststation som kombinerar J - V och EQE använder ett enda prov chuck och en sonderings kort som kontakter alla enheter samtidigt har nyligen installerat på MIT, se figure 5. De elektriska anslutningarna styrs av en programmerbar multiplexor, och den motoriserade XY-chucken steget är datorstyrd. På detta sätt, J - kan utföras V och EQE mätningar i följd på alla 11 enheter på under en timme.

För rutinmässig enhet testa ett område-definierar ljusöppning används inte. Den aktiva enheten området kan därför vara underskattad, vilket resulterar i över uppskattningar av strömtätheten. En öppning Emellertid används av certifieringslaboratorier, vilket ofta resulterar i lägre effektivitet (jfr figurerna 7, 9 och 10). Med användning av ett område avgränsande ljusöppning är alltid önskvärt, men för rutintestning det ofta försummas på grund av praktiska problem, såsom att minimera fysisk kontakt med toppen av provet. Systematiska fel på grund av underskattar den aktiva enheten området kan mildras genom att använda större enhets områden. För det arbete som beskrivs här, ganska liten (0,25 cm 2) storlek valdes som lämpligt för tidigt teknikutveckling (i tidigare skeden en ännu mindre enhet av 0,03 cm 2 utan metallisering användes). Nu när enheterna är inom området från 4% effektiv och är repeterbara, är det värt att öka till en storlek på 1 cm 2 eller mer.

Förutom standardkarakteriseringstekniker som beskrivs ovan, på tillfälle prover testas också med hjälp av tekniker inklusive temperaturberoende J - V, Suns- V OC, kapacitans-spännings profilering, och låsnings i termografi. Dessa tekniker används för att förstå och kvantifiera specifika förlustmekanismer, såsom gränssnitt rekombination och serieresistans förlust.

Betydelsen av att dela enhetstillverkningsprotokoll

I publikationer om oorganisk tunnfilms PV resultaten av enhetstester är aldrig (med erfarenhet) tillsammans med sufficient experimentella detaljer att reproducera experimentet. Denna situation leder till onödig frustration bland enskilda forskare, och försvårar utvecklingen av hela området. Denna situation gör det också svårt att jämföra de förfaranden som beskrivs häri för att de som används av andra forskargrupper. De tekniker som beskrivs i detta manuskript har utvecklats med hjälp av ett stort antal samtal med forskare inom tunnfilms PV (främst i USA), och en hel del trial-and-error. Författarna hoppas att detta arbete hjälper andra att undvika onödiga frustrationer och skapar ett prejudikat för mer information rapportering av experimentella metoder i tunnfilms PV.

Framtida tillämpningar av den beskrivna protokollet

Protokollet som beskrivs häri används för att upprätta en "baslinje" SnS solcell. Den viktigaste egenskapen hos en baslinje tillverkningsprotokoll är repeterbarhet; det absoluta effektiviteten numret är mindre viktigt. Jagn författarnas erfarenheter är repeterbarhet den nyckelattribut som gör det möjligt för pågående forskning för att förbättra effektiviteten, till exempel genom att förbättra ytpassivering eller reducera bulkdefektdensitet. Utan en repeterbar baslinje protokoll är det oerhört svårt att bedöma effekterna av förändringar i tillverknings protokollet. Detta beskrivs utförligt i avsnittet nedan om hypotesprövning.

Pågående och framtida arbete på SNS solceller kommer att utnyttja baslinjen protokoll som beskrivs här för att optimera de enskilda tillverkningssteg med målet att öka enhet effektivitet. Av särskilt intresse är den H2S-annealing och ytpassivering steg, eftersom dessa direkt påverka defektdensiteten i bulken av absorbatorn och vid p - n-övergången.

Data ensembler möjliggör hypotesprövning

I ett fält som idolizes mästare effektiviteter, är det frestande att överser ensemblen - den> 99% av (icke-mästare) enheter - och användbar information som tillhandahålls. I det här avsnittet motiverar ensemble dataanalys, och presenterar facile metoder för att visualisera och utvinna nyttiga insikter från ensemble uppgifter. Det förutsätts att läsaren har en fungerande förståelse för experimentella statistik (hypotesprövning), och är bekvämt att beräkna en Gaussfördelning, standardavvikelse, standardfel, och 95% konfidensintervall för en given datamängd.

Enkelt uttryckt, är ensembledataanalys studiet av variationer, som då reduceras möjliggör bättre hypotesprövning. Variability, i dagligt tal "brus" obfuscates den "signal" under hypotesdriven processteknik och vetenskaplig forskning. Som buller ökar, fler experiment återges övertygande. Tveksam experiment är ett slöseri med tid, resurser och optimism. Ensemble uppgifter kan bidra till att minska variationen på två sätt:

Först ensemble data visar process ojämnheter i tid och rum. Denna typ av variation är systematisk (t.ex.., Som orsakas av temperatur- eller flödeshastighet-gradienter inom en viss tunnfilmsavsättningskammare), vilket ger en tydlig spatialt upplöst mönster prestandavariation, exemplifierat av figur 12. Den rumsliga eller tidsmässiga variation förkroppsligar "fingeravtryck" av den felande processteg. In-situ metrologi och kontrollprover kan hjälpa till att identifiera och felsöka källor systematisk process variation.

För det andra, ensemble data visar "tur-of-the-draw" eller "vanlig orsak" varians, det vill säga statistisk variabilitet som påverkar alla ensemble delar lika. Denna variation är svårare att felsöka, eftersom det är den sammanlagda resultatet av flera kopplade processteg. Vanliga orsaker variansen bäst kan minimeras genom stränga processkontrolleroch standardrutiner vid varje steg - visserligen en utmanande förslag i en snabbt föränderlig och minimalt bemannad akademisk miljö. Ändå visar följande övning varför minska vanlig orsak variansen är viktigt.

Effekterna av gemensamma orsaker varians exemplifieras: En vänlig, fiktiv vetenskaplig konkurrens mellan Dr Noggrann och Dr. Messy: Angela och Nessi är forskare från två olika laboratorier. De är engagerade i en vänlig vetenskaplig tävling för att testa hypotesen att Process B genererar bättre enheter än en väl accepterad baslinjen Process A. Båda forskarna använder en vanlig hypotes-testprocedur, vilket förutsätter att gemensamma orsaker variationen resulterar i gaussiska effektivitets distributioner ( mer representativa statistiska fördelningsfunktioner inkluderar log-normal för distributioner utan extremvärden, och ju mer statistiskt robust log-Cauchy-Lorenzian för distributioner med stark outliers).

Angela är känd för sina kollegor som "Dr. Noggrann. "Hon strävar efter att minska process variation. Angela delar inte hennes beakerware med andra, använder kammar prekonditionerade rutiner innan tunnfilmsavsättning, innehåller kontrollprov med varje tillverkningskörning, och föredrar IC-grade kiselsubstrat med termiska oxidytor i stället för de mer rörliga glasytor. Hon producerar baslinje (förfarande a) enheter med en "sann" (dvs., Aktuellt): effektiviteten av 10% och en sann standardavvikelse sant) av 0,5%. Device tillverkning och mätningar är tidskrävande, och hon är bara kan tillverka och mäta sex enheter (N = 6) per process.

I en annan labb, är Nessi hårt arbete. Till sina kollegor, är Nessi känd som "Dr. Rörigt. "Her tillverknings- och mätverktyg är belägna i en delad-användning anläggning. När det är hennes turatt använda dem, hon inte vidta nödvändiga försiktighetsåtgärder för att säkerställa låg gemensam orsak varians. Men på grund av hennes slarv, är hennes sanna standardavvikelse 1,5% absolut (3 x större än Angela). Denna högre σ sant speglar mindre välkontrollerade experimentella betingelser. Men eftersom Nessi använder högre renhet råmaterial material, uppnår sin baslinje Process A en sann medelvärde på 10,6%. Nessi tillverkar och åtgärder N = 6 enheter per process.

Låt oss anta att Process B förbättrar "sant" enhet effektiviteten med 10% relativ (dvs, förbättrar 10% till 11%,. 10,6% förbättras till 11,7%). Både Angela och Nessi tillämpa centrala gränsvärdessatsen till N = 6 enheter de var fabricera, som visas i Figur 13 Observera att den "sanna" distributioner (figurerna 13A, D, G) är dolda för forskarna. de bara iaktta sina experimentella data (Figurs 13B, E, H) och den resulterande Gaussian passar, standardavvikelser och konfidensintervall (figurerna 1C, F, I).

Å ena sidan, Angela hårdare processtyrning (lägre variabilitet, mindre σ sant) tillåter henne att förkasta nollhypotesen, att sluta med> 95% säker på att Process B är överlägsen Process A (figur 13C). Å andra sidan, Nessi, som har högre σ sant, inte kan dra slutsatsen att Process B är bättre än Process A (figur 13F) med N = 6. Trots Nessi är tur att göra två enheter med effektivitetsvinster som är högre än någon av Angelas (figurerna 13B, E), är Angela vinna loppet att publicera vetenskapliga papper som kommer att revolutionera sättet sitt område tänker på Process B.

Nessi inser att hon behöver öka sina konfidensintervall, som kräver henne att minska sinstandard mätfel (SE), dvs.,

Ekvation 2 . [1]

Nessi kan bedriva en av två metoder för att matcha Angela 3 × mindre SE: Nessi kan minska hennes sanna variabilitet o) med en faktor 3 eller öka N med en faktor 3 2 = 9. Nessi får tillgång till en hög genomströmning enhetsmätanordning, öka N med 9 ×. Denna förbättring kompenserar henne 3 x större process variation, och hon kan upptäcka en statistiskt signifikant skillnad mellan processer A och B, förkasta nollhypotesen med> 95% säkerhet (Figur 13I). Hon är tillbaka i tävlingen för publicering.

Högre utgångs effektivitet öka oddsen för framgång hypotesprövning: Fokusera på ekvationen för SE (ekvation 1), kan det seshur ökande baslinjen prestanda ökar oddsen för en framgångsrik hypotesprövning. Om ovannämnda Process B testades på en 5% -efficient baslinjen enhet i stället för 10%, skulle absolut effektiviserings endast 0,5% i stället för 1%. Förutsatt σ o är oförändrad, det minsta antalet prover som krävs för att förkasta nollhypotesen ökar med 4 ×. Således förbättrar baslinjen enhetens prestanda har samma matematiska effekt som minskar σ, dvs., 1-till-1 förbättring av konfidensintervall.

Sista ordet: Att minska Standardavvikelsen är viktigt att minimera risken för osäkra hypotestester. Standard fel kan minskas genom att minska vanliga orsaker varians, uppenbart i σ o, vilket resulterar i en 1-till-1 minskning av SE. Förbättra baslinjen prestanda har en likvärdig effekt. Man kan också öka urvalsstorlek N, men detta kommer att ha en svagär påverkan på SE grund av kvadratroten (ökande N ökar också risken för systematisk variation).

Vikten av att tillämpa experimentella statistiken är allmänt accepterat i biologi och fysik (jfr stående statistik kommittéer på alla höga energi experiment). 15 För att förbättra kvaliteten på uppgifterna rapportering i PV, är det rekommenderat att forskare uppmärksamma 99% av enheter som de tillverka, och anta hypotesprövning med uppgifter ensembler.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Författarna vill tacka Paul Ciszek och Keith Emery från National Renewable Energy Laboratory (NREL) för certifierade mätningar JV, Riley Brandt (MIT) för fotoelektronspektroskopi mätningar och Jeff Cotter (ASU) för inspiration för avsnittet hypotesprövning. Detta arbete stöds av US Department of Energy genom SunShot initiativet under kontrakt DE-EE0005329, och Robert Bosch LLC via Bosch Energy Research Network enligt bidrags 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, och K. Hartman omnämna det stöd från, Alexander von Humboldt-stiftelsen, en DOE EERE Forskar Research Award, och Intel PhD Fellowship, respektive. Detta arbete utnyttjade Centrum för nanosystem vid Harvard University som stöds av National Science Foundation i tilldelning ECS-0.335.765.

Materials

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

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).
Göra Record-effektivitet SNS solceller genom termisk avdunstning och Atomic Layer Deposition
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