Waiting
Login processing...

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

Engineering

Termal Buharlaşma ve Atomik katman Biriktirme tarafından Record-verimlilik SNS Güneş Pilleri yapma

doi: 10.3791/52705 Published: May 22, 2015

Abstract

Metal sülfid (SNS) Toprak-zengin, toksik olmayan, güneş hücreleri için aday emici bir malzemedir. SNS kolay faz kontrol ve uyumlu termal buharlaştırma yoluyla hızlı bir büyüme sunar ve kuvvetle görünür ışığı emer. Bununla birlikte, uzun bir süre için SNS güneş hücreleri kayıt güç konversiyon randımanı% 2 altında kalmıştır. Son zamanlarda biz atom tabakası birikimi ile yatırılan SNS kullanarak 4.36% yeni sertifikalı rekor verimliliği gösterdi ve% 3.88 termal buharlaşma kullanarak. Burada, bu kayıt güneş pilleri için imalat prosedürü tarif edilmiştir ve imalat sürecinin istatistiksel dağılımı rapor edilmiştir. tek bir alt-tabaka üzerinde ölçülen etkinlik standart sapma, tipik olarak% 0.5 üzerinde değildir. Yüzey seçimi ve temizlik dahil tüm adımlar, Mo açıklanan arka teması (katot), SNS biriktirme, tavlama, yüzey pasivasyon, Zn (O, S) tampon tabaka seçimi ve birikimi, şeffaf iletken (anot) birikimi ve metalleşme için sıçratma. Her substrat biz aktif alan 0.25 cm 2 ile 11 ayrı cihazlar, her imal. Dahası, simüle güneş ışığı altında akım-gerilim eğrileri yüksek kapasiteli ölçümleri ve değişken ışık önyargı ile dış kuantum verimi ölçümü için bir sistem tarif edilmektedir. Bu sistemle biz otomatik bir şekilde ve asgari sürede tüm 11 cihazlarda tam veri setlerini ölçmek mümkün. Bu sonuçlar büyük örnek setleri okuyan yerine yüksek performanslı cihazlarda yoğunlaşmak değerini göstermektedir. Büyük veri setleri ayırt ve cihazları etkileyen bireysel kayıp mekanizmaları düzeltmek için bize yardımcı olur.

Introduction

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

İnce film fotovoltaik (PV) ilgi ve önemli araştırma faaliyeti çekmeye devam. Ancak, PV pazarının ekonomi hızla değişen ve ticari açıdan başarılı ince film PV gelişmekte olan daha zorlu bir umudu haline gelmiştir. Eşit koşullarda gofret tabanlı teknolojiler üzerinde üretim maliyet avantajı artık hafife alınabilir, hem verimlilik ve maliyet iyileştirmeleri aranmalıdır. 1,2 biz bir emici malzeme olarak SNS geliştirmek için seçmiş bu gerçeğin ışığında ince film PV. SNS düşük üretim maliyeti çevirmek olabilir içsel pratik avantajları vardır. Yüksek verimleri ortaya konabilir, o ticari ince film PV CdTe için bir drop-in yedek olarak düşünülebilir. Burada, son zamanlarda bildirilen rekor SNS güneş hücreleri için fabrikasyon işlemi gösterilmektedir. Biz alt tabaka seçimi, çökelme koşulları, cihaz düzeni ve ölçüm protokolleri gibi pratik yönleriyle ele.

SNS, toksik olmayan bir toprak-bol ve ucuz elemanları (teneke ve sülfür) oluşmaktadır. SNS 1.1 eV dolaylı bandaralıklı ile inert ve çözünmeyen yarı iletken katı (mineral adı Herzenbergite) 'dir, 1.4 eV yukarıdaki enerji foton güçlü ışık emme (α> 10 4 cm-1) ve taşıyıcı konsantrasyonu ile içsel p tipi iletkenlik aralığında 15 Ekim-17 Ekim cm -3 - 3. Önemli 7, SNS örtüşecek buharlaşır ve 600 ° C 'ye kadar faz stabil olan 8,9 Bu SNS termal buharlaştırma (TE) ve yüksek tarafından tevdi edilmesi anlamına gelir. CdTe güneş hücrelerinin üretiminde kullanılan gibi -Hızlandırın kuzeni kapalı alan süblimasyon (CSS). Ayrıca, SNS faz kontrol özellikle Cu (In, Ga) (S, Se), 2 (CIGS) ve Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) de dahil olmak üzere, pek çok ince film fotovoltaik malzeme için daha çok daha basit olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, hücre efrasyonlarımız SNS PV ticarileştirilmesine birincil engel olarak duruyor ve SNS zamanlar yüksek verimleri laboratuvar ölçeğinde gösterilmiştir CdTe için bir drop-in yerine düşünülebilir. Ancak bu etkinlik engeli ardı edilemez. Biz rekor verimliliği ticari gelişimini teşvik etmek amacıyla,% 4 ~ dan, dört bir faktör tarafından% 15 artırmak gerekir tahmin ediyoruz. CSS ile yüksek kaliteli SNS ince filmlerin bir drop-in CdTe için yedek da gerektirecektir büyüme ve SNS doğrudan yetiştirilebilir hangi bir n tipi ortağı malzeme geliştirme gibi SNS geliştirilmesi.

Aşağıda iki farklı biriktirme teknikleri, atomik tabaka biriktirme (ALD) ve TE kullanarak kayıt SNS güneş hücreleri üretmek için adım-adım prosedürü tarif edilmektedir. ALD bir yavaş büyüme yöntemidir ancak güncel yüksek verimlilik cihazları vermiştir. TE daha hızlı ve endüstriyel ölçeklenebilir, ancak verimlilik ALD kalıyor. TE farklı SNS biriktirme yöntemlere ek olarakve ALD güneş pilleri tavlama, yüzey pasivasyon ve metalle kaplama adımlarla biraz farklıdır. Cihaz imalat adımları Şekil 1 'de numaralandırılır.

Prosedürü anlattıktan sonra, sertifikalı kayıt cihazları ve ilgili örnekler için test sonuçları sunulmuştur. rekor sonuçları önceden bildirilmiştir. İşte odak tipik bir işlem çalıştırmak için sonuçların dağılımı üzerinde olduğunu.

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. Yüzey Seçimi ve Kesme

  1. Satınalma kalın termal oksit ile Si gofret cilalı. Burada bildirilen cihazlar için, 300 nm veya daha kalın termal oksit ile 500 mikron kalınlığında gofret kullanın. Yüzey seçim kriterleri Tartışma bölümünde ele alınmıştır.
  2. Spin kat tipik bir pozitif fotorezist ile gofretin cilalı tarafı (SPR 700 veya PMMA A. 495) ve yumuşak fırında (100 ° C'de 30 sn).
    Not: Bu bir sonraki kesim aşamasında hasar veya bulaşmayı önlemek için koruyucu bir tabakadır.
  3. 1 "× 1" (25.4 x 25.4 mm 2) kare yüzeyler halinde gofreti kesmek için bir kalıp gördüm kullanın.

2. Yüzey Temizleme

  1. 60 ° C - 45 °, 5 dakika boyunca iyonu giderilmiş (Di) su içinde bir ultrason banyosunda, ardından sıkıştırılmış azot tabancası kullanılarak adımı kesme sonucu parçacıkları ve diğer tortu çıkarın.
  2. Ultrasonik ba ile fotodirenç katmanı kaldırın60 ° C - 45 °, 5 dakika boyunca aseton içinde inci.
  3. Aseton, etanol ve izopropil alkol: 60 ° C - 5 45 dakika boyunca 3 daha sonra ultrasonik banyo, tüm maruz kalan alt-tabakanın temizlenmesi. Substratlar kuvars taşıyıcıya devam ederken, sıkıştırılmış azot tabancası ile kurutulması suretiyle bitirin.

3. Mo Püskürtme

  1. Bir yüksek vakum püskürtme sistemi içine temiz Si / SiO2 yüzeylerde yükleyin. Alt tabaka plaka Unheated ve alt tabaka dönme etkin olduğundan emin olun. 2 ile eğik magnetron silahlarla ticari sistem "hedefler ve yaklaşık 4 bir atış mesafesi" Burada bildirilen cihazların işlem için.
  2. Nispeten yüksek arka plan basınç Ar gibi 10 mTorr ilk katman (yapışma tabakası) yatırın. 360 nm kalınlığında 2.6 a / sn'lik bir büyüme oranı veren 180 W bir püskürtme gücünü (DC), ve bir birinci Mo katmanı ile Burada bildirilen cihazlar, işlem için.
  3. Ikinci yatırınnispeten düşük arka plan basınç Ar gibi 2 mTorr de katman (iletken tabaka). Birinci tabaka (180 W) ile aynı püskürtme gücünü kullanın ve aynı kalınlıkta mevduat.
    Not: Burada bildirilen cihazlar ilk katman aynı kalınlıkta nm 360, bir ikinci Mo tabakası vardı.
  4. Mo birikimi sonra, SNS biriktirme aşamasında kadar vakum altında yüzeylerde saklayın.

4. SNS Biriktirme

Not: ALD birikim tekniği alt bölüm 4.1 içinde tarif edilmektedir ve TE yerleştirme alt bölüm 4.2 içinde tarif edilmektedir. ALD yerleştirme sistemi, Şekil 2 'de gösterilmiştir, ve TE yerleştirme sistemi, Şekil 3' de gösterilmiştir.

  1. ALD mevduat SNS
    1. Reaktöre yüklemeden önce organik parçacıkların ayrılması için 5 dakika boyunca UV ozon temizleyici Mo substratlar koydu. Sonra alt tabaka tutucu alt tabakaları yerleştirmek ve biriktirme bölgeye yerleştirin.
    2. Fırın tempe Dengelenmesindebirikmesini başlamadan önce 200 ° C de süreyle.
    3. Bis reaksiyonu (N, N '-diisopropylacetamidinato) -kalay (II): [Sn 2, burada Sn (AMD) olarak adlandırılır (2 MeC (N -iPr)) 2] ve hidrojen sülfid (H SNS ince filmler büyütün 2S) 4.
      1. Sn (AMD), 95 ° C'lik sabit bir sıcaklıkta 2 öncüsünü tutun. Biriktirme bölgeye fırında konteynerden Sn (amd) 2 buharın teslim yardımcı olmak için saf N 2 gazı kullanın. Her ALD döngüsü sırasında, Sn (amd) tedarik üç doz 1.1 Torr saniyenin toplam maruz kalma 2 habercisi.
      2. Kükürt kaynağı olarak N2 içinde% 4 H2 S bir gaz karışımı kullanın. Hidrojen sülfür buharına maruz doz başına 1.5 Torr ikinci olduğundan emin olun. H 2 S kısmi basıncı ve N 2 H 2 S toplam basınç sırasıyla 0.76 Torr ve 19 Torr olduğundan emin olun.
    4. Set tSn öncüsü dozu ve H 2 S dozu arasındaki süre pompalama o birikimini hızlandırmak amacıyla (kısa çoğu diğer konvansiyonel ALD prosedürlerine göre) sadece 1 sn olmak.
      Not: Sn öncüsü tamamen bu kısa pompalama zaman kaldırılmaz Çünkü H 2 S geldiğinde, bazı kalıntı Sn öncüsü olmaya devam etmektedir. Böylece işlem darbeli CVD işlemi olarak tarif edilebilir. SNS filmin büyüme oranı 0.33 Å / devir veya 0.04 Å / sn.
  2. TE tarafından Mevduat SNS
    1. Işlem odası basıncı 2 x 10 -7 Torr ya da daha düşük olduğundan emin olun. Yük kilidi sayesinde odasına yükleyin yüzeyler. Tek bir klip ile ya da alt tabaka plakaya aşağı vidalanır uygun boyutta cepli özel bir substrat tutucu ile iki plaka yüzeylerde tutun.
    2. Onların ayar için kaynak ve yüzey ısıtıcıları rampa. Burada bildirilen cihaz için yüzey sıcaklığı 240 ° C'dir ve büyüme oranı 17 / sn; 610 ° C (kaynak tozu tek yük için zaman gerekli kaynak sıcaklığı artar) - aralığındaki 550 kaynak sıcaklığını ayarlamak bu büyüme oranını elde etmek. Hedef film kalınlığı 1.000 nm.
    3. Öncesi ve işlem odasına QCM kolunu hareket ettirerek SNS film biriktirme sonra kuvars kristal monitör (QCM) ile biriktirme hızı ölçün. QCM alt-tabaka bir büyüme konumuna hareket ettirilebilir, böylece bu ölçüm için alt-tabaka oluşturulur.
      Not: biriktirme hızı 3 saat bir birikim süresi boyunca oldukça sabit kalır (0.05 Å / sn sapma ±).
    4. Birikimi sonra havaya havalandırma önce geri yükleme kilide örnekleri aktarın. Hızlı bir şekilde vakumla ya da bir sonraki işleme aşamasından önce bir atıl atmosfer izolasyon kutusu ya depoya hava yoluyla numune taşıma.
      Not: Tipik kasıtsız hava pozlama süresi yaklaşık 3 dk. Tipik saklama süresi bir gün ve aw arasındaeek.

5. SNS Tavlama

Not: Bu adım ALD ve TE güneş hücreleri için biraz farklı yapılır. ALD güneş pilleri için tavlama işlemi alt bölüm 5.1'de anlatılan ve TE güneş hücreleri için prosedür alt bölüm 5.2 içinde tarif edilmektedir. tavlama amacı Tartışma bölümünde ele alınmıştır.

  1. H 2 S gazı ALD yetiştirilen SNS filmleri tavlama.
    Not: Bu adım, ALD büyüme için kullanılan aynı sistem içinde gerçekleştirilir.
    1. 40 sccm'lik 10 Torr basınçta bir akış oranında saf H 2S gazı (saf% 99.5) kullanın.
    2. 400 ° C arasında bir sıcaklığa SNS film ısı ve H 2S gaz ortamında 1 st için tutun. Gaz sıcaklığı Ramping ve aşağı olmak üzere, tüm süreç boyunca akan emin olun.
  2. H 2 S gazı TE-yetiştirilen SNS filmleri tavlama. Özel bir tüp fırında bu adımı gerçekleştirin.
    1. Yük incifırının sıcak bölge bölgeye temiz bir kuvars plaka ve slayt üzerine e örnekleri.
    2. Fırın kapatıldıktan sonra, saf N2 ile üç kez temizlemek ve taban baskı aşağı pompa sağlar.
    3. 28 Torr'da% 4, H 2 S 100 sccm'lik gaz akışını oluşturulması.
    4. 10 dakika boyunca 400 ° C'ye kadar bir sıcaklık rampası. Numuneler sıcak bölgede yardım almadan soğumaya bırakın, sonra, 1 saat boyunca 400 ° C'de tutun. Numuneler 60 ° C altında serin kadar sabit bir H2 S gaz akışı ve basıncı korur. Örnekleri çıkarın ve ya bir sonraki aşamada hemen devam etmek veya bir inert gaz, eldivenli bir kutu içinde depolanması içine yerleştirin.

Yerli Oksit 6. SNS Yüzey Pasivasyon

Not: Bu adım ALD ve TE güneş hücreleri için biraz farklı yapılır. Alt bölümde 6.1 içinde ALD güneş pilleri için yüzey pasivasyonu prosedürü tarif edilmiştir ve TE güneş hücreleri için prosedür alt bölümde anlatılan6.2. Bu adımın işlevi daha ayrıntılı bir tartışma bölümünde ele alınmıştır.

  1. ALD yetiştirilen numuneler için, ALD tarafından Adada 2 ince bir tabaka büyür.
    Not: SNS büyümesi için kullanılandan daha başka bir reaktör kullanılır.
    1. Kalay siklik amid reaksiyonu ile SNO 2 büyümek [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-iliden) Sn (II)] ve hidrojen peroksit (H2O 2). 43 ° C de bir fırında ve oda sıcaklığında, bir kabarcık içinde H2O 2 siklik amid kalay öncü saklayın.
    2. Birikimi için 120 ° C de alt-tabaka sıcaklığı muhafaza edin.
    3. 5 döngü, toplam sırasıyla döngü başına 0.33 ile 1.5 Torr ikinci kullanılarak kalay öncü ve H2O 2, Açığa. X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) analizi 10 ile ölçülen sonuçlanan SnO 2 kalınlığı 0.6 0.7 nm olup olmadığını kontrol edin.
  2. TE-yetiştirilen numuneler için, thi oluşturmakHava maruz kalma Sno 2 n tabakası.
    1. 24 saat laboratuvar ortam havası örnekleri Açığa. XPS analizi ile ölçülen sonuçlanan SnO 2 kalınlığı yaklaşık 0.5 nm olup olmadığını kontrol edin.
      Not: Tipik RT C 24 ± 1 ° ve tipik nem (yaz aylarında daha yüksek)% 45 ±% 13 olduğu; Burada bildirilen cihazlar için, değerleri sırasıyla 24.6 ˚C ve <% 30 idi.

Zn 7. Biriktirme (O, S) / ZnO Tampon Katman

Not: Bu adım ALD ile SNS büyüme için kullanılan aynı ALD odasında gerçekleştirilir.

  1. ALD ile N katmanı: Bir Zn (O, S) büyütün.
    1. 120 ° C de alt-tabaka sıcaklığı muhafaza edin.
    2. Büyüme Zn (O, S): dietilçinko reaksiyonu (Zn (Cı 2H 5) 2, DEZ), iyonu giderilmiş su (H2O) 2 S N2 içinde% 4, H, ve amonyaktan ALD N (NH 3) 11. Bubbler contai Mağazaoda sıcaklığında Ning DEZ. Bir döngü dizisi kullanın [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1 ve bu süper döngüsü 12 kez tekrarlayın. Amonyak maruz 11 Torr ikinci olduğundan emin olun.
    3. Rutherford gerisaçılımı spektroskopisi 12 ile ölçüldüğünde elde edilen filmde, S / Zn oranı, 0.14 olduğunu kontrol edin ve filmin kalınlığı yaklaşık olarak 36 nm olduğu.
  2. ALD tarafından ZnO katmanı büyütün.
    1. 120 ° C de alt-tabaka sıcaklığı muhafaza edin.
    2. DEZ-H 2 O 50 ALD döngüleri ile ZnO büyüyecek
      Not: Elde edilen ZnO filmin kalınlığı yaklaşık 18 nm'dir.

Şeffaf İletken Oksit 8. Biriktirme (TCO), indiyum kalay oksit (ITO)

  1. (610 mikron) alüminyum levha 6061 laboratuvar lazer kesici kullanarak "bir 0.024 İTO gölge maskeleri kesin.
    Not: maskeleri 0.25 cm 2 olan 11 dikdörtgen cihazları tanımlamakboyutu artı optik yansıtma ölçümleri için kullanılan bir köşede büyük bir ped, bakınız Şekil 4.
  2. Bir maske hizalama cihazları ve maskeler takın.
    Not: Bu yerde maskeleri sabitlemek için iç içe alt tabaka için cepler ve maske ve klipleri ile bir alüminyum levha olduğunu.
  3. Reaktif magnetron püskürtme yoluyla Mevduat ITO.
    1. Yaklaşık 80 alt tabakayı ısıtın - 90 ˚C ve yüzey rotasyonunu sağlar.
    2. 4 mTorr toplam basınçta 40 / 0.1 sccm Ar / O 2 gaz akışı ile 65 W RF püskürtme güçte (2 O 3 / SnO 2 90/10 ağırlık.% Saf% 99,99 olarak) 2 inç çaplı İTO hedef kullanın.
    3. 240 nm kalınlığında İTO filmi büyütün.
      Not: Bu parametreler ile, aralık 0.5 Å / sn ve sac dirençleri büyüme oranları 60 - 40 Ω / metrekare elde edilir.

9. Metalizasyon

  1. 127 mikron kalınlığında Austen'ın kesilmiş metallization gölge maskeleriITIC paslanmaz çelik sac.
    Not: Bu maskeler ticari bir şirket tarafından + 10 / -5 mm toleransı ile kesilir. Metal model 2 1,5 mm ile ayrılmış parmaklar, her 7 mm uzunluğunda ve 1 x 1 mm 2 kişi pad, bakınız Şekil 4 oluşuyor.
  2. Adım 8.2 gibi bir maske hizalama cihazları ve maskeler takın.
  3. Elektron ışını buharlaştırma yoluyla (TE cihazlar için) Mevduat Ag ya da (ALD cihazlar için) Ni / Al.
    1. Bir elektron ışını metal buharlaştırma sistemi substrat plakası üzerine Dağı maske hizalama. 1 x 10 -6 Torr altında bir taban basıncına kadar pompalayın.
    2. 2 a / sn'lik bir hızda metal buharlaştırın. 500 nm toplam metal kalınlığını yatırın.

10. Cihaz Karakterizasyonu

  1. Simüle karanlık ve AM1.5 güneş ışığında tüm aygıtlarda - ("V J") ölçümleri Akım gerilim gerçekleştirin.
    1. V veri fr - J toplayarak güneş simülatörü kalibrekalibre silisyum güneş pili ve AM1.5 güneşlenme için kalibre akım değeri ulaşana kadar güneş simülatörü lamba gücü ve yüksekliğini ayarlayarak om.
    2. Üst (anot, Ag veya Al) ve altta (katot, Mo) katmanları hem irtibata bakır berilyum çift prob ipuçlarını kullanarak dört telli modunda cihazlar başvurun. Bir neşter bıçağı ile tampon ve SNS katmanlarını tırmalama ile alt tabaka başvurun.
    3. Tedbir aydınlık ve karanlık J - kaynak gerilimine göre bir kaynak metre kullanılarak ve mevcut ölçüm V verileri.
      Not: Cihazlar genellikle 0.5 ± aralığında ölçülür V. cihazlar gerilim süpürür yönüne veya oranına duyarlı değildir. Rutin testler için bir alan tanımlayan ışık diyafram daha detaylı bilgi için tartışma bölümüne bakın kullanılmaz.
  2. Değişken ışık ve gerilim önyargı ile, tüm aygıtlarda dış kuantum verimi (EQE) ölçümleri yapın.
    1. RESPO ölçülerek EQE sistemi kalibreSi kalibrasyon fotodiyot nse.
      Not: Yazılımın buna göre ışık seviyesini ayarlamak için bir NIST-destekli standart ile yapılan ölçümlerde bu verileri karşılaştırır.
    2. Adım 10.1.2 olarak, dört telli yöntemini kullanarak cihazları kurun.
    3. 270 1.100 nm dalga boyu aralığında 100 Hz doğranmış monokrom ışık numuneyi aydınlatır ve elde edilen akım ölçer ticari bir sistemi kullanarak EQE ölçün. Üreticinin standart işletim prosedürüne göre, bu ölçümü yapın.
    4. Değişken gerilim ve beyaz ışık önyargı ile EQE ölçümü tekrarlayın. Gerilim önyargı ve hafif bir önyargı kaynağı bir halojen lamba temini için bir sourcemeter kullanın. Hem ileri hem de cihazları ölçün ve gerilim önyargı ters ve ~ 1 Suns kadar değişken beyaz ışık yoğunluğu altında.
    5. İç dış dönüştürmek amacıyla bir entegre küre ile bir spektrofotometre kullanılarak İTO üst yüzeyin optik yansıtma (% R) ölçünkuantum verimi (IQE). Üreticinin standart işletim prosedürüne göre, bu ölçümü yapın.

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

Yukarıda açıklandığı gibi Şekiller 6-8 sonuç iki temsilci "taban" TE-yetiştirilen numuneler için gösterilmiştir. Işıklı J - Bu iki numune için V verilerinin Şekil 6'da çizilen ilk örneği ("SnS140203F") daha önce bildirilmiştir 3.88% onaylı verimle ürünü verdi 9 Örnek JV dağılımı da her bir örnek için gösterilmiştir... Belirli bir ön voltajın için, bu dağılımlar olarak hesaplanmıştır Denklem 1 burada <J> tüm cihazlar için ölçülen akım yoğunluğu ortalama, σ J bu ölçümlerin standart sapması ve N ölçümlerinin toplam sayısıdır. Diğer bir deyişle, ortalama ve standart hata grafiksel olarak temsil edilmiştir. Bu temsil, farklı örneklerden sonuçları karşılaştırarak yardımcı olur ve görsel olarak değerlendirilmesiElde edilen cihaz performansı aygıt üretiminde değişikliklerin etkisi.

J - V veri örnekleri bir örnek üzerinde cihazlar arasında değişmektedir şant direnci ile sorunları muzdarip olduğunu göstermektedir. Bu çıkarsama ayrıca, Şekiller 7 ve 8 ile takviye edilmiştir. Şekil 7'de standart güneş pili parametreleri çizilir - açık devre gerilimi (V OC), kısa devre akım yoğunluğu (J SC), faktör (FF) ve güç dönüşüm verimliliği doldurmak -. Şekil 6'da gösterilen aynı cihazlar için görsel parametreleri arasındaki ilişkiyi tespit etmek çubuk grafik gösterimi yardımcı olur. Bu örnekler için en belirgin bir korelasyon şant veya seri direnci kayıplarından muzdarip cihazlar için beklendiği gibi, verimlilik ve FF arasındadır. İkinci cihaz için verimlilik ve V OC arasında belirgin bir korelasyon vardır,Şant direnci kayıpları için beklendiği gibi.

Bu ilişkiler Şekil 8'de gösterilen birden fazla varyasyon grafikleri ile açık yapılır. Burada, V OC, J SC ve FF serisi (Rs) ve şönt (R sh) direnç karşı çizilmiştir. R, S ve R, SH doğrusal kullanılarak hesaplanır J uyan - 0.5 ve 0 V yakın V veri sırasıyla. V verileri - Pek çok durumda, J uygun olabilir bir diyot modelinde parametre olarak R s ve R sh ayıklamak için daha iyi olurdu. Ancak, nispeten düşük verimli güneş hücreleri için güvenilir değildir yüksek verimlilik cihazlar için başarılı birçok kayıp kaynakları ve diyot modelleri vardır. Bu nedenle daha güçlü bir teknikle R s ve R sh çıkarmak için tercih edilmektedir. Elde edilen değerler doğru olmayabilir rağmen, trenDS hala öğreticidir ve gelişimine rehberlik etmek için kullanılabilir. direnci şant Şekil 8 onaylayın veri kaybı önemli bir kaynağıdır. Bu FF (R sh) yükselen trendi en açıkça görülebilir. veri cihazı gelişme bugünkü aşamasında, şönt direnci belirgin hale diğer süreç iyileştirmeleri verimlilik kazanımları için sırayla yaklaşık 200 Ω cm 2 den fazla muhafaza edilmelidir olduğunu göstermektedir. R s Burada rapor cihazları sınırlamak için değil görünür. R s için değerleri tipik 0,5 Ω cm 2, ve nadiren 1 Ω cm 2 üzerinde girişim.

Bir temsilci "temel" yukarıda açıklandığı gibi ALD-yetiştirilen örneği için sonuçlar Şekil 9'da gösterilmiştir. ALD cihazları% 4.6 verim gösteren en iyi cihaz ile, TE cihazların daha iyi performans gösteriyor. Farklı SNS büyüme tekniklerinin yanısıra, timalat wo prosedürler oksidasyonu ile SNS yüzey pasivasyon farklıdır. ALD numuneleri, bir hava ara vermeden büyüme odasında tavlanır Buna ek olarak, TE örnekleri, filmin, büyüme ve tavlama arasındaki laboratuar havaya maruz kalır. ALD yetiştirilen numuneler TE-yetiştirilen örneklere göre şönt direnç kayıpları daha az acı görünür. Bu farkın nedeni bilinmemektedir. Bu ALD yetiştirilen SNS filmler TE-yetiştirilen filmlerden daha nedeniyle kendini sınırlayan bir büyüme modu ve yavaş büyüme hızı, daha kompakt olması mümkündür.

sertifikalı cihaz testleri. Şekil 10'da yeniden üretilir Sol tarafta 9,10, bir ALD yetiştirilen SNS katmanı kullanılarak sertifikalı kayıt cihazı gösterilir. Bu örnek için sertifikalı verimlilik% 4.36 idi ve verimli 4.54 kadar% cihazlar aynı üretim prosedürü kullanılarak ölçülmüştür. Sağ tarafta bir TE-yetiştirilen SNS katmanı kullanılarak sertifikalı kayıt cihazı gösterilir. Bu örnek için sertifikalı verimlilik3.88% idi ve% 4,1 kadar cihazlar aynı prosedüre ölçülmüştür. % 3.88 onaylı test sonuçları, Şekil 7'de gösterildiği gibi, ortalama ± standart sapma,% 3.5 ± 0.4% olan, aynı numune için ölçülen aralığında de olduğuna dikkat edin.

Ortam koşullarında SNS TE-yetiştirilen güneş hücreleri istikrarını gösteren 11 gösterir sonuçlar Şekil. Seçkin örnekleri için J - V testleri öncesinde ve en fazla on ay saklandıktan sonra yapıldı. Numuneler atmosferik şartlarda saklanabilir ve kapsülleme olmayan ortam ışığına maruz bırakılmıştır. Prosedür Burada bildirilen daha Şekil 11 'de gösterilen dört numune biraz farklı işlenmiştir; bu tarihsel nedenlerden dolayı, burada bildirilen cihazlar farklı stabilite özelliklerine sahip olacağını düşünmek için hiçbir sebep yoktur. işleme farklılıkları değişen basarımın için şekil başlığı açıklanan ve onlar hesap edilircihazların ör. Ana nokta asgari seviyede bozunma, bir yıl boyunca gözlenen olmasıdır. Bu güneş pilleri gibi nemli ısı veya uzun süreli tam spektrumlu aydınlatma gibi daha hızlandırılmış ömür testi, hayatta nasıl SNS görülecektir.

Şekil 1
Şekil 1. Cihaz fabrikasyon süreci. Cihaz fabrikasyon süreci Sayımı, metalle substrat kesme (# 1, alt) (# 9, üst) dan.

Şekil 2,
Şekil 2. Atom tabaka biriktirme (ALD) sistemi bakış. (Üst) ALD sistemi şematik çizim. Sayılı ve etiketli kritik bileşenleri ile (Alt) ALD sistemi fotoğraf. Bu sistem SNS birikimi, SNS tavlama gerçekleştirmek ve katman birikimi tampon ve Gord oturur olabilirHarvard Üniversitesi'nde grup. Sıcak duvar biriktirme borudan oluşur, habercisi saklamak için kullanılan iki fırın, gaz teslim ve kontrol sistemi, sıcaklık kontrol sistemi ve döner kanatlı mekanik vakum pompası. substrat tutucu koyabilirsiniz en sekiz 1 "× 1" kare yüzeyler. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3. Termal buharlaşma (TE) sistem bakış. Kritik parçalar numaralandırılmış ve etiketlenmiş. Bu sistem SNS birikimine adanmış ve MIT'de Buonassisi grubunda oturur. Sistem bir işlem bölmesi ve bir yük kilit oluşur. işlem odası, genellikle yüksek vakum koşullarında (1 × 10 -8 Torr) altında tutuldu ve bir kepenkli substrat sahne içerirÖrnek rotasyon ve ışınım ısı ve kaynak buharlaşması için bir kepenkli efüzyon hücre. kamara da büyüme hızını ölçmek için alt tabaka plakası altına doğrudan bulunan geri çekilebilir kuvars kristali monitör (QCM) ve alt tabaka sıcaklığını ölçmek için bir pirometreyi vardır. Ticari olarak satın SNS tozu, daha önce tarif edilen bir termal ön-muamele ile, ön-madde için kullanılmaktadır. 9 alt-tabaka levhası olan bir büyük cihaz substratı (2 1 x 1) ve bir küçük alt-tabakanın (2 1 x 1/3) tutan SNS filmi ölçümleri için kullanılır. Kaynak deliğinden substrat mesafe 10 cm'dir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil 4. Metalleştirme desen ve örnek fotoğraf. & # 160; Soldaki çizim 0,25 cm 2 cihazlar için metalızasyon modelini gösterir. Anlaşılır olması için TCO ayak izi tek cihazda belirtilmiştir. Ayrıca, optik yansıtma ölçümler için kullanılan daha büyük bir TCO pedin konumu da gösterilmiştir. Sağdaki fotoğraf TE-yetiştirilen SNS ile gerçek bir örnek gösterir. Soldaki çizik bölge testi için temel Mo katmanına temasını sağlar. Fotoğraf:. KJ Wang , bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 5,
Prob kartı ile 5. Cihaz testi Şekil. Bu yukarıdan aşağıya görüntü özel probu kartı ile aynı anda temas birden fazla cihaz ile test istasyonu ayna üzerine monte edilmiş bir örnek gösterir. Numunenin sadece yarısı bu görüntüde görünür.jove.com/files/ftp_upload/52705/52705fig5large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Şekil 6. J - İki farklı "taban" TE örneklerinde cihazlar için V testleri. Anlaşılır olması için, belirli bir numune üzerinde 12 aygıtları (gri veya kırmızı) aynı renkte çizilir. Metinde tarif edildiği gibi her bir numune tüm cihazlar için V zarflar (± standart sapma ortalama), - Örnek J da çizilmiştir. Bu ölçümler bir alan tanımlayan ışık diyafram olmadan gerçekleştirilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

. Korelasyon daha belirgin hale getirmek için - 11 cihazları her "SnS140203F" (üst) ve "SnS140306H" (alt) için - iki temel TE örnekleri için Şekil 7. Güneş pili test parametreleri test sonuçları, test edilen her cihaz için tek bir satıra çizilir . Her parsel, her dağıtım için en iyi, ortalama, standart sapma (SD) ve standart hata (SE) bildirilmektedir yukarıda. En iyi V oc (örneğin) ölçülen en yüksek V oc, en verimli cihazın V oc olduğuna dikkat edin. Bu ölçümler bir alan tanımlayan ışık diyafram olmadan gerçekleştirilmiştir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 8,
Şekil 8. S eries ve iki temel TE örnekleri için şant direnci çok değişkenli araziler. temsil cihazları Şekiller 6-7'de bildirilen aynıdır. serisi (R ler) ve şant (R sh) dirençler metinde anlatıldığı gibi hesaplanır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 9,
Şekil 9. JV testleri ve tek başlangıç ​​ALD örnek test parametreleri. (Üst) JV eğrileri iyi en yüksek performans gösteren, ancak bazı cihazlar açıkça düşük şönt muzdarip. (Alt) test parametreleri verimlilik ve şönt direnç kayıpları ile tutarlı FF arasında güçlü bir korelasyon göstermektedir. Bu ölçümler bir alan tanımlayan ışık diyafram olmadan gerçekleştirilmiştir..jove.com / files / ftp_upload / 52705 / 52705fig9large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 10,
ALD- ve TE-yetiştirilen cihazlar için Şekil 10. Sertifikasyon sonuçları. Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı, ABD'de PV Performans Karakterizasyonu Ekibi tarafından gerçekleştirilen Sertifikasyon. Sinsermsuksakul ark bildirildiği gibi (Sol) ALD sertifikalı kaydı, 4.36% 'dir. Steinmann ark bildirildiği gibi 10 (Sağ) TE onaylı kayıt 3.88%' dir. 9 bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 11,
Şekil 11. Uzun süre staSNS güneş hücrelerinin bility J -. hava içinde depolanan ve kapsülleme olmayan ortam ışığına maruz kalma sırasında sürekli olarak, yaklaşık bir yıllık bir süre üzerinden ölçülmüştür örneklerin V testleri. Siyah eğriler ilk ölçüm göstermek her panel, kırmızı eğrileri son ölçüm göstermek ve eğriler göstermek kesik. ince çizgiler, her test için en iyi cihaz göstermek ve kalın eğriler temsili J vardır - metinde anlatıldığı gibi her bir örnek üzerinde tüm cihazlar için V zarflar (± standart hata ortalaması). (A), H 2S tavlama aşaması: Dört panel, aşağıdaki farklar haricinde, bu yazıda tarif edildiği gibi işlenmiştir TE-yetiştirilen örnekleri göstermektedir. (B) Tiner soğurucu katman, 650 nm kalınlığında; Hiçbir H 2 S tavlama aşaması; Hava teması 30 dakika süreyle 200 ° C'de gerçekleştirilir. (C) Tiner soğurucu katman, kalın 650 nm; Hiçbir H 2 S tavlama aşaması; Tampon tabakası wyüksek kükürt içeriği ve azot doping i. (D) anti refleksiyon kaplama cihazı yığının üstüne yatırılır. ölçümler arasındaki zaman, sırasıyla. 50 hafta, 48 hafta, 48 hafta ve paneller a, b, c, ve d 28 hafta idi bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 12
Şekil 6-8'de belirtildiği gibi Şekil 12, iki taban TE örnekleri arasında mekansal muntazam görselleştirilmesi. Sonuçlar aynıdır. Orada her numune 11 cihazlardır ve her aygıtın renk ölçülen verimliliğine göre kodlanmış olduğu; renk haritası, her iki örnek için aynıdır. Siyah-beyazlı-kuluçka cihazı ölçülen değildi ya belirtir, ya da herhangi bir cihaz (her bir örnek bir köşesinde gibi) mevcuttu.

Şekil 13,
Şekil 13. yaygın nedeni Varyans varlığında hipotez testi örneği Illustrated. Kurgusal karakter Angela ve Nessi ayrı Proses B Süreci A. Angela daha yüksek verimli güneş hücreleri verim hipotezini test ediyoruz üstün proses kontrolü, ancak biraz daha düşük bazal verimliliği daha vardır Nessi. (A, D, G) Angela ve Nessi sonuçları için gerçek olasılık dağılımları. (B, E, H) Bağımsız ölçümleri. (C, F, I) Ölçülen dağılımları. Sadece 6 örnekleri ile Angela hipotezini reddetmek ama Nessi olamaz. Tam açıklaması için metne bakınız. görmek için buraya tıklayınızŞeklin daha büyük bir versiyonu.

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

Yüzey seçimi temizliği

Okside Si levha alt tabaka olarak kullanılır. yüzeyler Oluşan güneş hücreleri için mekanik destek ve onların elektriksel özellikleri önemli değildir. Ticari olarak satın alınan Si gofret ticari olarak satın alınan bir cam gofret daha tipik olarak temiz olduğundan Si levha cam tercih edilir ve bu alt-tabaka temizlemede zaman kazandırır. Si ayrıca büyüme ve tavlama sırasında daha eşit ısıtma neden cam, daha yüksek ısıl iletkenliği substratların. Ticari olarak satın alınan cam gofret ile o kontaminasyon tüm görünür izlerini silmek için, sıcak bir ultrasonik banyoda ardından eldivenli parmaklarla manuel rub dahil deterjan ile yüzeylerde, temizlenmesi için gerekli olduğunu, ve o zaman bile tabaka temizlik yapamadım olduğu tespit edildi garanti edilmelidir. Bu deneysel cam veya Si yüzeylerde seçimi cihaz performansı üzerinde hiçbir etkisi olduğu teyit edildi. Ancak buradaner, bu karşılaştırma cihazları% 2 idi gerçekleştirildi -% 3, verimli aralık ve bazal verimliliği artırır olarak tekrarlanan karşılaştırmaları değerli olacaktır.

Tipik 10 veya daha fazla yüzeyler özel olarak tasarlanmış kuvars gofret taşıyıcı kullanarak bir defada temizlenir. Bu cımbız ile ayrı ayrı gofret işleme daha tekrarlanabilir sonuçlar verir.

Mo püskürtme

Bu hayal kırıklığı yaratan sonuçlar birkaç farklı satıcılardan temin yüzeylerde elde edildikten sonra satın Mo kaplı yüzeylerde ziyade içi teması (katot) Mo geri yatırmak için karar verildi. Sorunlar temizlik, delaminasyon, ya da her ikisi ile karşılaşılmadı satın alınan substratları ile (cam üzerine Mo püskürtülür). Mo filmi yayınladığı sonuçlara göre, iki kat, Si / SiO2 yüzeye yapışma diğeri yüksek iletkenlik için bir DC manyetik alanda sıçratma tarafından tevdi edilirScofield E t ark. 13

Tipik Mo filmleri yaklaşık 1 Ω / metrekare levha direnci ile kalın 720 nm. sac direnci her Mo büyüme çalışmasından sonra dört nokta prob sistemi kullanarak bir kurbanlık substrat üzerinde ölçülür. Buna ek olarak, alt-tabakaya yapışması bir neşter kullanılarak test edilmiştir. İyi yapıştırılır filmler de-laminasyon olmadan orta basınçta bir neşter ile elle çizilmemesi dayanabilir. Kötü yapıştırılır filmler de-laminat olacak sadece hafif basınç. Bu Mo gelişmesinden önce püskürtme odasında kısa bir tabaka plazma temizleme adımı iyi yapışmanın sağlanması için önemli olduğunu gözlenmiştir. Bu temizleme adımı için tipik tanınma büyüklükleri 20 mTorr Ar, 20 W, RF ve 60 saniyedir.

Termal buharlaştırma ile SNS büyüme

SNS VOLU bir pirolitik bor nitrür pota sahip ticari olarak satın alınan düşük sıcaklık efüzyon hücresi kullanılarak, kaynak tozu buharlaştırılırBana 32 cm 3. Kaynak ilk yüklendiğinde zaman ince bir toz ve rengi koyu gridir. Tipik toz 3 4 gr yüklenir. Yeni kaynak tozu ile, kaynak sıcaklığı 240 ° C'ye kadar ısıtıldı, bir alt-tabaka üzerinde, 1 A / sn arasında bir büyüme sağlamak amacıyla, yaklaşık 540 ° C'dir. Büyüme çalışır artan sayısı ile, kaynak sıcaklığı sabit büyüme oranını korumak için artırılmalıdır. Gerekli kaynak sıcaklığı 610 ° C'ye ulaştığında toz değiştirilir.

Kaynak sıcaklığı yakından bağlı SNS gevreği konudur. Büyüme oranı, 10 üzerinde / sn'ye yükseltilir zaman, büyük SNS pulları artan filmde görülebilir. Bu ana kaynağından, ya da efüzyon hücre kefen veya kaynak çekim gibi ikincil kaynaklardan olup olmadığı bilinmemektedir.

Bir dikkat çekici gözlem, kaynak tozu toplu tükendiğinde zaman beyaz, gözenekli kalıntı bırakıyor olmasıdırkrozenin dibine. X-ışını difraksiyon Bu SnO 2 olduğunu doğrular. Bu kalıntının ağırlığı tipik olarak 0.01 g.

ALD tarafından SNS büyüme

Bu süreçte kritik bir parametre Sn (AMD) 2 ön akan nitrojen taşıyıcı gaz basıncı. basıncı 250 Torr yakınında muhafaza edilir, ancak zaman zaman biraz değişebilir. Sn (amd) 2 öncüsü kabarcıklayıcısı ve N 2 gazı tuzağı hacim oranı 5 olduğu göz önüne alındığında: 1, kabarcık içindeki basınç yaklaşık 50 Torr olduğunu. Bu değeri çok büyük hale gelirse, Sn öncüsünün buharlaşma ölçüde bastırıldı olacaktır. Öte yandan, kabarcık içindeki basınç çok küçük ise, giriş borusu ve düzgün bir gaz akışını sağlamak için (~ 10 Torr arasında bir basınca sahiptir), reaksiyon fırın arasında yeterli bir basınç düşmesi olmayacaktır. Bu senaryolardan Ya AL yetersiz Sn habercisi yol açacakD reaksiyonu. Bu problemin bir göstergesidir Reaksiyon fırının çıkışının yakınında film tabakası kalınlığı girişinin yakınına göre çok daha ince olmasındandır. Her birikmesi sırasında, reaktörün içindeki basınç sistemi basınçları doğru aralıkta oturup emin olmak için izlenir.

Reaksiyon bölgesi içinde muntazam bir sıcaklık dağılımı sağlamak için, giriş ve sıcak duvar biriktirme tüpün çıkış ısıtma bantları ile sarılır. Isıtma bantları altında, termokupl bir çift sıcaklığını ölçmek için yerleştirilir. Reaksiyon bölgesi içindeki bir homojen olmayan sıcaklık dağılımı farklı bölgelerde farklı SNS filmi morfolojilerine sonuçlanacaktır. Daha yüksek depozisyon sıcaklıkta, filmler kaba olma eğilimindedir ve daha açık bir renge sahiptir. 200 ° C'nin altındaki düşük sıcaklıklarda, sinema gözle kontrol edilebilir şekilde, daha yüksek bir yansıtma yapabilirliği vardır,.

H 2S tüp fırında SNS tavlama </ P>

tavlama aşamasının amacı, morfolojisi, kristalliği ve SNS filmlerin elektrik özelliklerini optimize etmektir. TE-yetiştirilen güneş hücreleri için, tavlama aşaması, özel bir tüp fırın içinde gerçekleştirilir. Bu 2 "çapında kuvars tüp fırını 4 H% 2 S (bakiyesi N2) altında, 4 H% 2 (bakiyesi N2) altında, saf N2 ve saf Ar karışımlarını akma kabiliyetine sahiptir. Sıcaklıklar dış Nikrom ısıtma elemanları tarafından kontrol ve sıcak bölgesinde bulunan bir kuvars kaplı termokupl kullanılarak izlenir. Gaz nötr yağ ile dolu bir yağ pompası kullanılarak boşaltılır. Mühürler H 2 S dayanıklı elastomer kullanılarak yapılır. Tipik taban basıncı 8 20 mTorr olduğunu.

400 ° C tavlama sıcaklığı ikincil tane büyümesi ve film yeniden buharlaşma arasında bir dengedir. Prensip olarak, daha yüksek bağlanma sıcaklığı cihaz performansı için yararlı olabilir ve önemli fi olmadan elde edilebiliryüksek fırın basıncı kullanarak lm kaybı. Bu, aktif araştırma konusudur.

Doğal bir oksit ile SNS yüzey pasivasyonu

pasivasyon aşamasının amacı emici ve tampon katmanlar arasındaki kavşakta elektronik tuzak devletlerin yoğunluğunu azaltmak ve emici ve tampon tabakalarının unsurlarının istenmeyen karışmasını önlemek için bir difüzyon bariyeri olarak hizmet etmektir. 14 It has Bu oksidasyon adımı ile işlenmiş numuneler olmadan işlenen örneklerin daha yüksek V OC değerlerine sahip olduğu gözlenmiştir.

Bu zamanda, oksitleme aşaması yoğun çalışılmamıştır ve belki de optimize edilmemiştir. (Gösterilmemiştir) X-ışını fotoelektron spektroskopisi sonuçlar bu oksit iyi bir performans için en az 1 nm kalınlığında olması ve mevcut engellemede olduğu tahmin edilmektedir kullanılması.

Şeffaf iletkenlik birikmesitim oksit (TCO), indiyum kalay oksit (İTO)

Bu nokta, bakım öncesi her adımda numunelerin toplam hava maruz kalmasını kontrol etmek için alınır. Ancak, tampon, tabaka hava temasından artık ile sınırlıdır ve örnekler saklanmaktadır ve çevre havası taşınır sonra.

Bu noktadan önce, bütün birikimleri, tüm alt tabakayı kapsayan "battaniye" filmleri, olmuştur. Yeminli Bu noktadan itibaren bireysel cihazların tanımlamak için desenli. İTO ve metalizasyonu hem adımları için depolanmaları lazer kesim metal gölge maskeleri kullanılarak tanımlanır. İTO birikimi için, yatırılan pedin alanı keskin gölge maskesi tarafından tanımlanan çok önemlidir. Konum keskin nedeniyle maske hizalama maske esnemesine, örneğin tanımlanmamışsa, o zaman elde edilen cihazların, aktif alanı 0.25 cm 2 nominal boyutundan önemli ölçüde daha büyük olabilir. Bu hatalı aşırı repo yol açabilirakım yoğunluğunun rting.

Metalizasyon

metalizasyon desen metal ile üst üste gelmeden İTO tamamen düşmek kuantum verimliliği ölçme aracının aydınlatma nokta sağlamak için tasarlanmıştır. 2 parmaklarda Bu kısıtlama sonuçları her 7 mm uzunluğunda, 1,5 mm ile ayrılmış ve 1 x 1 mm 2 kişi ped, Şekil 4. Bu model cihaz performans açısından optimum daha az görüyoruz. Cihaz performansı için optimize bir desen küçük aralıkla daha fazla parmak kullanmak istiyorsunuz.

Ag TE-yetiştirilen hücreler için kullanılmaktadır ve Ni / AI ALD yetiştirilen hücreler için kullanılmaktadır. Bu bölüm, tarihsel ve deneysel sonuç topraklı değil. Bu Ni / AI, uzun depolama süreleri boyunca korozyona karşı üstün bir direnç sağlamasıdır mümkündür. Aslında, Ag temas ilk örnek için (havada uzun süreli depolama sırasında zarar eğilimine sahip olduğu gözlenmiştirle, bir yıldan daha uzun).

Cihaz karakterizasyonu

("- V J") toplandı ölçümleri ve dış kuantum verimi (EQE) ve beyaz ışık ve gerilim önyargısız toplanan ölçümler bitirdi cihazlar akım gerilim kullanılarak karakterize edilir. Güncel güneş hücreleri, tek-at-a-time bireysel cihazların temas tipik bir prob istasyonu yapılandırmasında prob mikromanipülatörler kullanarak ölçülmüştür. Güneş simülatörü ve EQE sistemleri fiziksel kopuk olduğunu, bu yüzden gerekli numune, her ölçüm için yeniden temas edilecek. J ölçmek için 5 saat - - bir sonucu olarak, yaklaşık 4 alacağını V ve EQE 11 cihazlarda.

J birleştiren entegre bir yüksek verimli test istasyonu - V ve EQE tek bir örnek chuck kullanarak ve rehber tüm cihazlar aynı anda son zamanlarda MIT'de yüklenen bir sondalama kart, bkzure 5. elektrik bağlantıları programlanabilir çoklayıcı tarafından kontrol edilir ve motorlu XY ayna evresi bilgisayar kontrollü olduğunu. Bu şekilde, J - V ve EQE ölçümleri 1 saat altında 11 cihazlarda bir sekans dahilinde gerçekleştirilebilir.

Bir alan tanımlayan ışık diyafram test rutin cihaz için kullanılmaz. Bu nedenle, aktif cihaz alan akım yoğunluğunun aşırı tahminlerinde sonuçlanan, tahmin altında olabilir. Ancak bir açıklık genellikle düşük verim (cf Şekil 7, 9 ve 10) sonuçlanan belgelendirme laboratuvarlar tarafından kullanılır. Bir alan tanımlayan ışık diyafram kullanılması her zaman arzu edilen bir durumdur, ancak rutin testler için genellikle nedeniyle böyle bir numunenin üst fiziksel temas en aza indirmek için pratik kaygılar ihmal edilmektedir. Nedeniyle aktif cihaz alanını tahmin altında sistematik hata büyük aygıt alanları kullanılarak hafifletilebilir. Burada anlatılan iş, oldukça küçük (0.2 İçin5 cm 2) boyut Erken evre teknoloji geliştirme için uygun olarak seçildi (önceki aşamalarda hiçbir metalle birlikte 0.03 cm 2 bile küçük bir cihaz) kullanıldı. Şimdi cihazlar% 4 etkin aralığında olan ve tekrarlanabilir olduğu, bu 1 cm2 veya daha fazla bir boyuta artan değer.

V, Suns- V OC, kapasite-gerilim profilleme ve termografi kilitli - vesileyle örnekleri üzerinde, yukarıda açıklanan standart karakterizasyon tekniklerinin yanı sıra, aynı zamanda sıcaklığa bağlı J dahil olmak üzere teknikleri kullanılarak test edilen edilir. Bu teknikler anlamak ve bu tür arayüz rekombinasyon ve seri direnç kaybı gibi spesifik kayıp mekanizmalarını ölçmek için kullanılır.

paylaşım cihazı imalat protokolleri önemi

İnorganik ince film PV yayınlarda cihaz testlerin sonuçları (tecrübesi ile) s eşliğinde aslaDenemeyi çoğaltmak deneysel ayrıntıları ufficient. Bu durum, bireysel araştırmacılar arasında gereksiz hayal kırıklığı yol açar ve tüm alanın ilerlemesini engellemektedir. Bu durum, aynı zamanda zor diğer araştırma grupları tarafından kullanılan kişilerce, burada tarif edilen prosedürler karşılaştırma yapar. Bu yazıda anlatılan teknikleri (özellikle ABD'de) ince film PV araştırmacılar ile çok sayıda konuşmaları yardımı ile geliştirilen edildi ve deneme-yanılma bir sürü. Yazarlar bu çalışma, diğerleri gereksiz hayal kırıklıklarını önlemek yardımcı olur ve ince film PV deneysel yöntemlerin raporlama ayrıntılar için bir emsal teşkil umuyoruz.

Açıklanan protokol Geleceği uygulamaları

Bu tarifnamede tarif edilen protokol, bir "taban" SNS güneş hücresi oluşturmak için kullanılır. bir temel üretim protokolünün en önemli özelliği tekrarlanabilirliği ise; Mutlak etkinlik sayısı az önemlidir. Benn yazarların deneyim, tekrarlanabilirlik gibi yüzey pasivasyon iyileştirilmesi veya toplu kusur yoğunluğunu azaltarak olduğu gibi, verimliliği artırmak için sürekli araştırma sağlayacak anahtar niteliktir. Tekrarlanabilir bazal protokolü olmadan üretim protokolü değişikliklerin etkilerini yargılamak için son derece zordur. Bu tamamen hipotez testi ile ilgili aşağıdaki bölümde tarif edilmektedir.

Temel protokolünü kaldıraç olacak SNS güneş hücreleri devam eden ve gelecekteki iş cihazı verimliliğini artırmak amacı ile bireysel üretim adımlarını optimize etmek için buraya nitelendirdi. N kavşakta - bunlar doğrudan emici toplu olarak ve p kusur yoğunluğu etkisi beri özel ilgi, H 2 S tavlama ve yüzey pasivasyon adımlardır.

Veri topluluklar hipotez testi etkinleştirmek

Şampiyon verimini idolizes bir alanda, bitti için cazip olduğunu(non-şampiyonu) cihazlar>% 99 - - ve sağladığı yararlı bilgiler topluluk bak. Bu bölümde topluluk veri analizi motive ve görselleştirilmesi ve topluluk verilerden yararlı anlayışlar ayıklamak için basit yaklaşımlar sunuyor. Bu okuyucu, deneysel istatistik (hipotez testi) bir çalışma anlayışına sahip ve belirli bir veri kümesi için bir Gauss dağılımı, standart sapma, standart hata ve% 95 güven aralıkları hesaplamak rahat olduğunu varsayılır.

Basitçe söylemek gerekirse, topluluk veri analizi azaltılmış zaman, daha iyi hipotez testi sağlayan değişkenlik, çalışmadır. Değişkenlik, halk dilinde "gürültü" hipotez odaklı proses mühendisliği ve bilimsel araştırma sırasında "sinyal" bulanıklaştırıyor. Gürültü arttıkça, daha fazla deneyler sonuçsuz hale getirilir. Sonuçsuz deneyler zaman, kaynak ve iyimserlik kaybıdır. Ensemble veriler iki şekilde değişkenlik azaltmaya yardımcı olabilir:

İlk olarak, topluluk veri uzay ve zamanda işlem dışı muntazamlıkların ortaya koymaktadır. Değişkenlik Bu tür sistematik (örn., Belirli bir ince film biriktirme haznesi içinde ısı- veya akış hızı-degradeler neden olduğu), Şekil 12 ile örneklenen performans varyasyon net uzaysal çözülmesi desen, verimli. Mekansal ya da zamansal değişimi Soruna neden olan süreci adım "parmak izi" somutlaştırır. In-situ metroloji ve kontrol numuneleri tanımlamak ve sistematik bir süreçtir değişkenlik kaynaklarını gidermenize yardımcı olabilir.

İkinci olarak, topluluk veri açığa ya da "ortak nedenlere" varyans, yani herkese eşit topluluk elemanları etkiler istatistiksel değişkenlik "şans--beraberlik". Birden çok bağlanmış işlem adımlarının toplam sonucu olduğundan bu değişkenliği, gidermek için daha zordur. Ortak neden varyans en sıkı proses kontrolleri ile minimize edilebilirve her aşamada standart çalışma prosedürleri - kuşkusuz hızlı değişen zorlu önerme ve minimal açıyor akademik ortam. Ortak nedenlere varyans azaltarak neden gerekli olduğunu Bununla birlikte, aşağıdaki alıştırma göstermektedir.

Ortak nedenlere varyans etkisi örneklenmiştir: Dr. titiz ve Dr Messy arasındaki samimi, kurgusal bir bilimsel yarışma: Angela ve Nessi iki farklı laboratuvarlarda araştırmacılar vardır. Onlar Süreç B ortak nedenlere varyans (Gauss verimlilik dağılımları sonuçları varsayar Hem araştırmacılar standart bir hipotez-test prosedürü istihdam iyi kabul görmüş temel Süreç A., daha iyi cihazlar üreten hipotezi sınamak için samimi bir bilimsel yarışma başlattık daha temsili istatistiksel dağılım fonksiyonları log-normal aykırı olmayan dağıtımlar için içerir ve güçlü o ile dağıtımlar için istatistiksel olarak daha sağlam log-Cauchy-Lorenzianutliers).

Angela Dr. "olarak onun meslektaşları bilinmektedir Titiz. "O süreç değişkenliği azaltmak için çabalar. Angela başkaları ile onu beakerware paylaşmak değil, ince-film biriktirme önce kamara ön şartlandırma rutinleri istihdam her fabrikasyon run ile kontrol örnekleri içeriyor ve termal oksit yüzeylerin yerine daha değişken cam yüzeyler ile IC-grade silikon yüzeylerde tercih ediyor. O% 10 verim ve% 0.5 bir gerçek standart sapması true) ortalama bir "gerçek" (yani., Fiili) ile bazal (Süreç A) cihazları üretmektedir. Cihaz imalat ve ölçümler zaman alıcıdır ve o sadece imal ve işlem başına altı cihazları (N = 6) ölçebilir.

Başka bir laboratuvarda, Nessi iş yerinde zor. Meslektaşları için Nessi Dr. "olarak bilinen Dağınık. "Onun imalat ve metroloji araçları paylaşılan kullanım tesisi bulunmaktadır. Onu teslim geldiğindeonları kullanmak için, o düşük ortak nedenlere değişimini sağlamak için gerekli önlemleri almaz. Ama çünkü onu ıslaklık, onun gerçek standart sapma mutlak% 1.5 (Angela'nın 3'ten × büyüktür) 'dir. Gerçek bu yüksek σ daha az iyi kontrollü deneysel koşullar yansıtmaktadır. Nessi yüksek saflıkta hammadde malzeme kullanan Ancak, onun temel Süreci A% 10.6 gerçek bir ortalamasını elde eder. Nessi fabricates ve önlemler N = işlem başına 6 cihazlar.

En Süreç B 10 göre% "gerçek" cihaz verimliliğini artırır olduğunu varsayalım (yani% 10% 11 artırır,.% 10.6% 11.7 arttırır). . Angela ve Nessi Hem Şekil 13'de görüldüğü gibi onlar her imal N = 6 cihazlara merkezi limit teoremini uygulamak "true" dağıtımları (Şekil 13A, D, G) araştırmacılara gizli olduğunu unutmayın; Onlar sadece kendi deneysel verileri gözlemlemek (Şekils 13B, E, H) ve elde edilen Gauss uyan, standart hataları ve güven aralıkları (Şekil 1C, F, I).

Bir yandan, Angela'nın sıkı proses kontrolü (true alt değişkenlik, küçük σ) Proses B A (Şekil 13C) Proses üstün olduğunu>% 95 güven sonuçlandırılması, onu hipotezini reddetmek için izin verir. Gerçek yüksek σ sahip Öte yandan, Nessi, günü, o Proses B Süreç A (Şekil 13F) daha iyidir sonucuna varamayız N = Nessi Angela'nın herhangi daha yüksek verim ile iki cihaz yapmak için şanslı olsa da 6 ile (Şekil 13B, E), Angela alan Süreci B. düşünüyor yol devrim bilimsel kağıt yayınlamak için yarış kazanan

Nessi o onu azaltmak için onu gerektirir, onun güven aralıkları artırmak gerektiğini anlarStandart ölçüm hatası (SE), yani.,

Denklem 2 . [1]

Nessi iki yaklaşımdan biri maç takip edebilirsiniz Angela 3 × küçük SE: Nessi onu gerçek değişkenlik 3 faktörü ile o), ya da 3 2 = 9 Nessi bir faktörle N artırmak bir yüksek- erişen azaltabilir çıktı aygıt ölçüm cihazı, 9 × tarafından N artmaktadır. Bu gelişme onu 3 × daha süreç değişkenliğini uzaklıklar ve o>% 95 kesinlik (Şekil 13I) ile sıfır hipotezini reddederek, Süreçler A ve B arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark tespit edebiliyor. O geri yayında yarışında olduğunu.

Yüksek taban verimlilikleri başarılı hipotez testi olasılığını arttırıyor: SE (Denklem 1) için denkleme üzerinde yoğunlaşırken, bu görülebilirnasıl temel performansını artırıcı başarılı hipotez testi ihtimalinizi artırır. Yukarıda bahsedilen Proses B% 10 yerine% 5 -Verimli baz cihazı test edildi durumunda, mutlak etkinliği iyileşme sadece% 0.5 yerine% 1 olacaktır. Σ o varsayarsak değişmez, 4 × tarafından sıfır hipotezi artar reddetmek için gerekli numunelerin en az sayıda. Böylece, temel cihaz performansını artırmak, yani σ azaltılması gibi aynı matematiksel etkiye sahiptir., Güven aralıkları içinde 1-to-1 iyileşme.

Nihai kelime: standart hata azaltılması sonuçsuz hipotez testleri riskini en aza indirmek için gereklidir. Standart hata SE 1-to-1 azalmaya neden σ o, apaçık ortak nedeni varyansı, azaltılmasıyla azaltılabilir. Bazal performansını geliştirmek eşdeğer bir etkiye sahiptir. Bir de örneklem büyüklüğü N artırabilir, ama bu zayıf olacakÇünkü karekökü SE er etkisi (artan N de sistematik varyasyon riskini artırır).

Deneysel istatistik uygulayarak önemi yaygın biyoloji ve fizik (cf ayakta istatistik komiteleri tüm yüksek enerjili deneyler) olarak kabul edilir. 15 PV raporlama verilerin kalitesini artırmak için, araştırmacılar cihazların% 99 dikkat önerilir onlar imal ve veri toplulukları ile hipotez testini benimsenmesi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Yazarlar sertifikalı JV ölçümleri için Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) Paul Ciszek ve Keith Emery teşekkür etmek istiyorum, Riley Brandt (MİT) fotoelektron spektroskopisi ölçümleri için, ve hipotez testi bölümü için ilham için Jeff Cotter (ASU). Bu çalışma hibe 02.20.MC11 altında Bosch Enerji Araştırma Ağı aracılığıyla sözleşme DE-EE0005329 altında Sunshot Girişimi aracılığıyla ABD Enerji Bakanlığı ve Robert Bosch LLC tarafından desteklenmektedir. V. Steinmann, R. Jaramillo, K. Hartman desteğini sırasıyla Alexander von Humboldt vakıf, bir DOE EERE Doktora Sonrası Araştırma Ödülü ve Intel Doktora Bursu, kabul. Ödül ECS-0335765 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen Harvard Üniversitesi Nano Sistemleri Merkezi'nin bu iş yapılmış kullanımı.

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).
Termal Buharlaşma ve Atomik katman Biriktirme tarafından Record-verimlilik SNS Güneş Pilleri yapma
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