Termal Buharlaşma ve Atomik katman Biriktirme tarafından Record-verimlilik SNS Güneş Pilleri yapma
22 Mayıs 2015
Kalay sülfür (SnS), Dünya'da bol miktarda bulunan, toksik olmayan güneş pilleri için aday bir malzemedir. Burada, %4,36 sertifikalı güç dönüştürme verimliliği sağlayan atomik katman biriktirme ve %3,88 sağlayan termal buharlaşma kullanan SnS güneş pillerinin üretim prosedürünü gösteriyoruz.
Bu prosedürün genel amacı, yeni malzemelere dayalı güneş hücreleri geliştirmek için güvenilir bir platform oluşturmaktır. Bu, öncelikle temiz, elektriksel olarak yalıtkan bir alt tabaka hazırlanarak gerçekleştirilir. İkinci adım ise, arka delik seçici elektriksel kontak için püskürtme yöntemiyle iki kat molibden çöktürmektir.
Ardından, atomik katman biriktirme veya termal buharlaştırma yöntemlerinden biriyle P-tipi kalay sülfür soğurucu katman biriktirin. Son adım, bir bileşik çinko oksisülfür tampon katman ve ardından şeffaf iletken oksit ile yük toplamaya yardımcı olması için biriktirilen metal parmaklardan oluşan N-tipi katman yığınını ekleyerek PN eklemini tamamlamaktır. Sonuç olarak, elde edilen güneş hücreleri, simüle edilmiş güneş ışığı altında akım-gerilim eğrileri ve monokromatik aydınlatma altında kuantum verimliliği ölçülerek test edilir.
Bu yöntem kalay sülfür güneş hücrelerinin geliştirilmesi için gösterilmiş olsa da, diğer yeni malzemelere dayalı inorganik ince film alt tabaka tarzı güneş hücrelerini geliştirmek için de kullanılabilir. Kalay sülfürün atomik katman biriktirme ile çöktürülmesi, Harvard'daki Gordon Grubu'nda lisansüstü öğrencisi olan Schwan Yang tarafından gösterilecektir. MIT'deki fotovoltaik araştırma laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Steinman, kalay sülfürün termal buharlaştırma yoluyla çöktürülmesini gösterecektir.
Bu video, silikon gofret altlıkların hazırlanmasından sonra başlar. 300 nanometre veya daha kalın termal oksit tabakasına sahip, bir inç kare boyutunda, cilalanmış 500 mikron kalınlığında silikon gofretler kullanın. İlk olarak 360 nanometre kalınlığında bir molibden yapışma tabakası püskürtün ve ardından 360 nanometre kalınlığında ikinci bir maum iletken tabakası çöktürün.
Hazırlanan altlıkları, atomik katman biriktirme işlemi için hazır hale getirmek amacıyla, kalay sülfür biriktirme zamanına kadar azotlu bir eldiven kutusunda saklayın. İlk olarak, organik partikülleri uzaklaştırmak için altlıkları bir UV ozon temizleyiciye aktarın. Altlıkları beş dakika boyunca temizleyin.
Temizlik işlemi gerçekleşirken, biriktirme odası için kullanılan altlık tutucunun yakında olduğundan emin olun. Altlıklar hazır olduğunda, onları geri alın ve numune tutucuya yerleştirin. Bu numune tutucu altlıklarla doldurulmuş olup biriktirme odasına yerleştirilmeye hazırdır.
Tutucuyu fırına yerleştirin, ardından kaba vakum pompası kullanarak fırının havasını boşaltın. Daha sonra fırın sıcaklığını 200 °C değerinde sabitleyin. Prekürsörleri kontrol ederek devam edin.
Kalay sülfür biriktirme işlemi için kalay(IV) asetat öncülünü 95 °C sıcaklıktaki bir fırında muhafaza edin. Kalay asetat buharının iletimine yardımcı olmak için saf azot gazı sağlayacak şekilde gaz borulamasını düzenleyin. İkinci öncül, azot gazı içinde %4 hidrojen sülfür içeren bir gaz karışımı olan hidrojen sülfürdür; biriktirme işlemine döngü başına 0,33 angstrom büyüme hızıyla devam edin.
Her bir atomik katman biriktirme döngüsü sırasında, toplam 1.1 tor saniye maruziyet için üç doz 10 ate sağlayın. Ardından hazneyi azot gazı ile temizleyin. Sonrasında, 1.5 tor saniye maruziyet için azot gazı içinde hidrojen sülfür enjekte edin.
Son olarak, azot ile tekrar temizleme yapın. Alternatif bir biriktirme yöntemi termal buharlaştırmadır. İşlem odası basıncının iki x 10⁻⁷ tor veya daha düşük olduğundan emin olun.
Substratı güvenli bir şekilde tutmak için uygun boyutlarda yuvaları olan bir numune tutucu kullanın. Daha önce olduğu gibi, iki molibden tabakası içeren önceden hazırlanmış bir substrat kullanın. Burada şematik olarak gösterilmiştir.
Tutucuyu bu substratla ve daha sonraki karakterizasyon için küçük ek CYS substratlarıyla doldurun. Numune tutucusunu yükleme kilidi aracılığıyla termal buharlaştırıcıya yerleştirin. Yükleme kilidini vakumlayın ve ardından substratları büyüme odasına aktarın.
Transfer kolu konumundayken, saniyede bir angstrom büyüme hızı ve 240 °C altlık sıcaklığına ulaşmak için kaynak ve altlık ısıtıcılarını kademeli olarak artırın. Şimdi, biriktirme hızını kuvars kristal monitörü ile ölçmek için altlıkları yukarı kaldırın. Kuvars kristal monitörünü işlem odasına taşımak için doğrusal taşıma kolunu devreye sokun.
Yerleştirme işlemi tamamlandığında, ölçüme başlamak için kaynak kepenklerini açın. Büyüme hızı, Kristal Monitörü kontrol cihazının ön panelinde belirtilir. Ölçüm tamamlandığında, kepenkleri kapatın ve kuvars monitörünü odadan çıkarın.
Ardından substratları büyüme konumuna indirin ve biriktirmeyi başlatmak için kaynak panjurunu açın. 1000 nanometrelik hedef film kalınlığı için biriktirme işlemi yaklaşık üç saat sürecektir. Biriktirme tamamlandığında kaynak panjurunu kapatın.
Kuvars kristal monitörünü kullanarak büyüme hızı ölçümünü tekrarlayın. Ölçümden sonra kaynak panjurunu kapatın, ısıtıcıları söndürün ve substratları yükleme kilidine aktarmadan önce soğumalarını bekleyin. Kilidi havaya açarak tahliye edin ve substratları boşaltın.
Bunları hızlıca numune tutucudan çıkarın ve saklama için azotlu bir eldiven kutusuna taşıyın. Atomik katman veya termal buharlaştırma biriktirme işleminin ardından, numune bir kalay sülfür tabakasına sahip olacaktır. Daha sonra tüm numuneler, hidrojen sülfür gazı ile tavlamaya ve ardından doğal bir oksit ile yüzey pasivasyonuna tabi tutulur.
Bir sonraki adım, atomik katman biriktirme yöntemiyle N tipi çinko oksisülfür ve çinko oksit tampon katmanların biriktirilmesidir. Sonraki adım, şeffaf iletkenin biriktirilmesidir. İndiyum kalay oksit biriktirme işleminden önce indiyum kalay oksit kullanıyoruz.
Cihazların aktif alanları belirlenmelidir. Aktif cihaz alanını belirleyen şeffaf iletken oksit ped boyutunu tanımlamak için metal gölge maskeleri kullanın. Maskeler, 0,25 santimetrekare boyutunda 11 adet dikdörtgen cihazı ve ayrıca çizimdeki optik yansıtıcılık ölçümleri için kullanılan bir köşedeki daha büyük bir pedi tanımlar.
Tek bir cihaz için eklenecek olan indium kalay oksit tabakasının boyutunun bir göstergesi gölgeli alanla verilmiştir; cihazları ve maskeleri bir maske hizalayıcıya yerleştirin. Maskeler, maske hizalayıcıda esnemeyecek kadar kalın olmalıdır. Aksi takdirde, oksit ped alanı belirsiz hale gelebilir.
Üzerine cihazlar monte edilmiş maske hizalayıcıyı sıçratma (sputtering) odasına götürün. Maske hizalayıcıyı biriktirme adımı için uygun konuma yerleştirin. Bir sonraki adım, 240 nanometre kalınlığında bir indiyum kalay oksit film büyütmektir.
Bunu yapmak için substratı 80 ila 90 °C'ye ısıtın ve substrat rotasyonunu etkinleştirin. Radyo frekans püskürtmeyi, gücü, argon ve oksijen gaz akış hızını ve basıncı ayarlayın, ardından biriktirmeyi şematik olarak izleyin. Bu, indium kalay oksit biriktirmesi sonrası cihazın durumudur.
Bir sonraki adım metalizasyondur. İletken metal olarak gümüş veya nikel alüminyum yığınının 500 nanometre kalınlığında bir tabakasını çöktürmek için gölge maskesi ve elektron demeti evaporasyonu kullanın. Bu, tamamlanmış bir örnektir.
Burada gösterilen örneğin, üretim sonrası molibden arka kontağı açığa çıkarmak için halihazırda çizilmiş olduğunu dikkate alın. Hava kütlesi katsayısı 1.5 için kalibre edilmiş bir güneş simülatörü kullanarak cihaz karakterizasyonuna geçin. Öncelikle, tampon ve kalay sülfür katmanlarını kazımak ve molibden arka kontağı açığa çıkarmak için bir neşter ucu kullanın.
Ardından numuneyi ray montajlı numune tutucuya yerleştirin; numune bir vakum ile sabitlenir ve tutucu sıcaklığı 25 °C olarak kontrol edilir. Şimdi, numunedeki cihazların her biriyle ve çizilmiş arka kontakla elektriksel temas kurun. Bu işlem burada, tüm cihazlarla aynı anda bakır berilyum aracılığıyla temas kuran özel bir prob kartı ile gerçekleştirilir.
Rutin ölçümler için dört uçlu modda çift prob uçları kullanın. Daha titiz testler için ışık açıklığı kullanımını atlayın; aktif alanı tanımlamak için açıklık kullanılmalıdır. Bu amaçla şeffaf iletken oksit gölge maskesi kullanılabilir.
Otomatik bir test sistemi kullanarak ışık ve karanlık akım voltaj verilerini toplamak için cihazlar uygun konuma gelecek şekilde aynayı hareket ettirin. Işık perdesini açıp kapatırken sistemin, münferit cihazları sırasıyla sorgulayacak şekilde programlanmasını sağlayın. Test işlemi bu videoda görülebilir, ancak ortam ışığını azaltmak için normalde siyah bir perdenin arkasında gerçekleştirilmelidir.
Mevcut voltaj ölçümlerinden sonra, numune tutucuyu harici kuantum verimliliği sistemine sürün; aydınlatılmış akım voltaj verileri, harici kuantum verimliliği verileri ve optik yansıma ölçümleri cihazların temel karakterizasyonunu sağlar. Burada, termal buharlaştırma kullanılarak hazırlanan iki numune üzerindeki cihazlara ait güneş pili performans verileri yer almaktadır. Cihazlar için numuneler, biri gri diğeri kırmızı renk ile ayırt edilmiştir.
Açık devre voltajı, kısa devre akım yoğunluğu, dolgu faktörü ve güç dönüşüm verimliliği verilmiştir. En iyi cihazlar yaklaşık %4 verimliliğe sahiptir. Her iki cihazda verimlilik ve dolgu faktörü arasındaki görünür korelasyon, şönt veya seri direnç kayıplarından etkilenen cihazlarla tutarlıdır.
Kırmızıyla gösterilen veriler, paralel direnç için beklendiği üzere, verimlilik ile açık devre voltajı arasında bir korelasyon olduğunu da göstermektedir. Karşılaştırma için kayıplar. Burada, atomik katman biriktirme yöntemiyle üretilen cihazlara ait güneş pili performans verileri yer almaktadır.
Bu cihazlar, en iyisi %4,6 verimlilik göstererek, termal buharlaştırma cihazlarından daha iyi performans sergilemiştir. Bu farkın çeşitli nedenleri olabilir. Faktörlerden biri, atomik katman biriktirme ile üretilen cihazların daha az şönt direnç kaybına uğramış görünmesidir.
Hidrojen sülfat ile çalışmanın çok tehlikeli olabileceğini unutmayın. Hidrojen sülfat tankının, hidrojen sülfat detektörleri bulunan çeker ocak gibi bir hava havalandırma cihazında saklandığından emin olun. Bu temel üretim protokolünü, genel güneş pili performansını artırmak ve belirli kayıp mekanizmalarını daha iyi anlamak için tasarlanmış, kontrollü ve odaklanmış deneyler yürütmek için bir platform olarak değerlendirmekteyiz.
Bu videoyu izledikten sonra, tekrarlanabilir bir substrat tipi güneş hücresinin nasıl yapılacağı konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu makale, toksik olmayan güneş enerjisi uygulamaları için gelecek vadeden kalay sülfür (SnS) güneş pillerinin bir üretim prosedürünü sunmaktadır. Çalışma, sırasıyla %4,36 ve %3,88'lik güç dönüşüm verimlilikleri elde etmek için atomik katman biriktirme ve termal buharlaştırma tekniklerinin kullanımını göstermektedir.
Temel Çalışma Bileşenleri
Bilim Alanı
- Güneş enerjisi malzemeleri
- İnce film güneş pilleri
- Malzeme üretim teknikleri
Arka Plan
- Kalay sülfür (SnS), yeryüzünde bol bulunan ve toksik olmayan bir malzemedir.
- Güneş pilleri, sürdürülebilir enerji çözümleri için kritik öneme sahiptir.
- Verimli üretim yöntemleri, pratik uygulamalar için esastır.
- Güç dönüşüm verimliliği, güneş pilleri için temel bir performans metriğidir.
Çalışmanın Amacı
- SnS tabanlı güneş hücreleri geliştirmek için güvenilir bir platform oluşturmak.
- Farklı biriktirme tekniklerini verimlilik açısından karşılaştırmak.
- Performansı artırmak için üretim sürecini optimize etmek.
Kullanılan Yöntemler
- Temiz, elektriksel olarak yalıtkan bir altlığın hazırlanması.
- Elektriksel temas için püskürtme yöntemiyle molibden biriktirilmesi.
- Atomik katman biriktirme veya termal buharlaştırma kullanılarak P-tipi kalay sülfür absorbanın biriktirilmesi.
- N-tipi katmanlar ve şeffaf iletken oksit yığınından oluşan PN ekleminin oluşturulması.
Temel Sonuçlar
- Atomik katman biriktirme yöntemi kullanılarak %4,36 sertifikalı bir güç dönüşüm verimliliği elde edildi.
- Termal buharlaştırma ile %3,88 güç dönüşüm verimliliği sağlandı.
- Tasarlanan yapı aracılığıyla etkili yük toplama kanıtlandı.
- Güneş pilleri simüle edilmiş güneş ışığı altında test edildi ve kuantum verimliliği ölçüldü.
Sonuçlar
- SnS güneş hücreleri, güneş enerjisi dönüşümü için toksik olmayan bir alternatif olarak gelecek vaat etmektedir.
- Her iki biriktirme yöntemi de rekabetçi verimlilikler sağlamaktadır.
- İleri optimizasyon çalışmaları performansı ve ölçeklenebilirliği artırabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Sektörel Uygulama ve Önemi
Bu çalışma, ince film fotovoltaiklerde dünyada bol bulunan ve toksik olmayan soğurucu malzemelerin değerlendirilmesi için tekrarlanabilir bir platform oluşturarak, sürdürülebilir enerji teknolojileri için erken aşama hedef doğrulamasını doğrudan desteklemektedir. Substrat başına birden fazla cihaz üzerinden işlem değişkenliğini ve verimlilik dağılımlarını nicelendirerek bu yaklaşım, ölçek büyütme veya entegrasyona yönelik önemli yatırımlar yapılmadan önce malzeme sistemlerinin mekanistik risklerinin azaltılmasını sağlar. İstatistiksel titizliğe ve kayıp mekanizmalarının belirlenmesine verilen önem, aday seçimine yönelik öngörücü güven açısından biyofarma Ar-Ge öncelikleriyle uyumludur.
Biyofarma Ar-Ge'de Stratejik Uygulamalar
Erken Keşif ve Hedef Doğrulama
- Bilimsel Değer: Kontrollü biriktirme ve sistematik performans haritalama yoluyla yeni absorbe edici malzemelerdeki yapı-özellik ilişkilerinin incelenmesine olanak tanır.
- Operasyonel Değer: Nicel verimlilik metrikleri ve kayıp analizi kullanarak malzeme adaylarını karşılaştırmak için standartlaştırılmış bir çerçeve sunar.
- Öngörüsel Değer: Cihaz performansını sınırlayan baskın rekombinasyon veya direnç mekanizmalarını belirleyerek devam/durdur kararlarını destekler.
Tarama ve Deney Geliştirme
- Bilimsel Değer: İşlem değişkenlerinin hızlı taraması için yüksek kapasiteli, tekrarlanabilir akım-gerilim ve harici kuantum verimliliği verileri üretir.
- Operasyonel Değer: Altlık başına 11 cihazın otomatik olarak ölçülmesi, değişkenliği azaltır ve analiz okumalarındaki istatistiksel gücü artırır.
- Analiz Hazırlığı: Tanımlanmış aktif alan (0.25 cm²) ve gölge maske standardizasyonu, deneyler arasında tutarlı ve karşılaştırılabilir çıktılar sağlar.
Translasyonel ve Preklinik Araştırmalar
- Translasyonel Süreklilik: Malzeme keşfini fonksiyonel cihaz performansı ile ilişkilendirerek, sertifikalı verimlilik kriterlerine dayalı, risk ayarlı bir ilerleme sağlar.
- Mekanistik Risk Azaltma: Geniş cihaz setleri üzerinden gerçekleştirilen korelasyon analizleri aracılığıyla, fabrikasyon parametrelerini belirli kayıp mekanizmalarıyla (örneğin, şönt direnci) ilişkilendirir.
- Öngörücü Güven: Gerçek iyileştirmeleri aykırı değerlerden ayırt etmek için verimliliklerin istatistiksel dağılımını kullanır ve aday seçimindeki yanlış pozitifleri azaltır.
İş Hattı ve İş Akışı Entegrasyonu
Yöntem, absorber tabakalarının hipotez odaklı optimizasyonuna olanak tanıyarak ve yinelemeli tasarım döngülerini bilgilendiren doğrudan okumalar sağlayarak, keşiften preklinik aşamaya kadar olan sürekliliğe uyum sağlamaktadır.
- Keşif Biyolojisi: Kontrollü biriktirme ve eklem oluşumu aracılığıyla kalay sülfürün p-tipi bir absorber olarak fonksiyonel doğrulamasını destekler.
- Tarama: Standartlaştırılmış cihaz dizileri ve otomatik testler kullanarak biriktirme parametrelerinin (ALD'ye karşı termal buharlaştırma) analiz benzeri taranmasını kolaylaştırır.
- Analitik: Çok parametreli karşılaştırma için güç dönüşüm verimliliği, açık devre voltajı, kısa devre akımı, dolgu faktörü ve dış kuantum verimliliği dahil olmak üzere nicel çıktılar sağlar.
- Translasyonel Araştırma: Teknoloji transferi için kritik olan, materyal kavram kanıtından cihaz düzeyinde performans doğrulamasına geçişi mümkün kılar.
- Kurumsal Yeniden Kullanım: Platform, temel iş akışının yeniden doğrulanmasına gerek kalmadan çapraz proje materyal değerlendirmesini destekleyerek diğer inorganik ince film sistemlerine uyarlanabilir.
Operasyonel ve Kurumsal Etki
- Bilimsel Değer: Cihaz performansını üretim süreci ve kayıp mekanizması analizi ile ilişkilendirerek mekanistik belirsizliği azaltır.
- Operasyonel Değer: Alt tabaka standardizasyonu, azotlu eldiven kutusu kullanımı ve otomatik test protokolleri aracılığıyla tekrarlanabilirliği sağlar.
- Stratejik Değer: Performansı sınırlayan faktörleri erkenden belirleyerek malzeme geliştirme programlarındaki geç aşama başarısızlık riskini azaltır ve sermaye verimliliğini artırır.
- Portföy Etkisi: Tekrarlanabilir verimlilik dağılımları ve düzeltilebilir kayıp yollarına dayanarak, soğurucu malzemelerin riskle uyumlu önceliklendirilmesine olanak tanır.
Uygulama Hususları
- Vakum biriktirme teknikleri (ALD, termal buharlaştırma, püskürtme) ve yarı iletken aygıt fiziği konusunda uzmanlık.
- Biriktirme odalarına, güneş simülatörlerine, kuantum verimliliği sistemlerine ve vakum uyumlu numune işleme imkanlarına erişim.
- Ekip ve sahalar genelinde alt tabaka temizleme, maskeleme ve metalizasyon prosedürlerinin standartlaştırılması.
- Farklı alt tabaka malzemeleri, absorbcı kalınlıkları ve tampon tabaka bileşimleri için adaptasyon değerlendirmeleri.
- Pratik sınırlamalar arasında, kontrollü havalandırma ve izleme gerektiren hidrojen sülfür öncül maddesinden kaynaklanan toksisite riskleri yer almaktadır.
Biyofarma SSS
Chapters in this video
0:05
Title
1:39
Substrate Preparation
2:21
Atomic Layer Deposition of Tin Sulfide
4:21
Thermal Evaporation Deposition of Tin Sulfide
6:55
Additional Steps after Tin Sulfide Deposition
7:29
Deposition of Indium Tin Oxide for the Transparent Conducting Oxide
9:45
Device Characterization
11:40
Results: Solar Cell Performance Data for Devices Made with Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition Protocols
13:09
Conclusion
