Faire Enregistrez-efficacité SnS cellules solaires par évaporation thermique et Atomic Layer Deposition
Summary
Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.
Abstract
Le sulfure d'étain (SnS) est un matériau absorbeur d'candidat pour des cellules solaires Terre-abondantes, non-toxiques. SnS offre un contrôle de phase facile et une croissance rapide par évaporation thermique congruent, et il absorbe fortement la lumière visible. Cependant, pendant longtemps le record de conversion de puissance efficacité des cellules solaires SnS est resté en dessous de 2%. Récemment, nous avons démontré l'efficacité de nouveaux records certifiés de 4,36% à l'aide de SnS déposés par dépôt de couches atomiques, et 3,88% en utilisant l'évaporation thermique. Voici la procédure de fabrication de ces cellules solaires records est décrite, et la distribution statistique du processus de fabrication est rapporté. L'écart-type de l'efficacité mesurée sur un seul substrat est typiquement supérieure à 0,5%. Toutes les étapes y compris la sélection et le nettoyage substrat, Mo pulvérisation cathodique pour le contact arrière (cathode), le dépôt SnS, le recuit, la passivation de surface, Zn (O, S) Sélection de la couche tampon et le dépôt, conducteur transparent (anode) dépôt, et la métallisation sont décrits. Sur chaque substrat nous fabriquons 11 appareils individuels, chacun avec zone active de 0,25 cm 2. En outre, un système pour les mesures à haut débit de courbes courant-tension sous la lumière solaire simulée, et la mesure du rendement quantique externe de partialité de lumière variable est décrite. Avec ce système, nous sommes capables de mesurer des ensembles de données complètes sur l'ensemble des 11 appareils de manière automatisée et en un temps minimal. Ces résultats illustrent la valeur d'étudier de grandes séries d'échantillons, plutôt que de se concentrer étroitement sur les appareils les plus performants. Grands ensembles de données nous aident à distinguer et à remédier à des mécanismes de perte individuelles affectant nos appareils.
Introduction
Photovoltaïque en couches minces (PV) continuent de susciter l'intérêt et l'activité de recherche significative. Cependant, l'économie de marché de PV se déplacent rapidement et de développer un succès commercial PV en couches minces est devenu une perspective plus difficile. avantages de coût de fabrication plus de technologies à base de gaufrette ne peuvent plus être pris pour acquis, et améliorer à la fois l'efficacité et le coût doivent être recherchées sur un pied d'égalité. 1,2 À la lumière de cette réalité, nous avons choisi de développer SnS comme un matériau absorbant pour PV mince film. SnS présente des avantages pratiques intrinsèques qui pourraient se traduire par un faible coût de fabrication. Si des rendements élevés peuvent être démontrés, il pourrait être considéré comme un remplacement de drop-in pour CdTe commerciale film mince PV. Ici, le procédé de fabrication des cellules solaires fiche SnS récemment rapportés est démontrée. Nous nous concentrons sur les aspects pratiques tels que le choix du substrat, des conditions de dépôt, mise en page de l'appareil, et les protocoles de mesure.
SnS est composé d'éléments non toxiques, Terre-abondants et bon marché (étain et de soufre). SnS est un semi-conducteur solide (nom de minéral Herzenbergite) inerte et insoluble avec une bande interdite indirecte de 1,1 eV, l'absorption de la lumière forte pour les photons avec une énergie supérieure à 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), et intrinsèque conductivité p de type avec une concentration de support dans la gamme 15 octobre-17 octobre cm -3 3 – 7. Surtout, SnS évapore congruente et est en phase stable jusqu'à 600 ° C 8,9 Cela signifie que SnS peut être déposé par évaporation thermique (TE) et sa haute. cousine -speed, la sublimation de l'espace fermé (CSS), comme il est employé dans la fabrication de cellules solaires au CdTe. Cela signifie également que SnS contrôle de phase est beaucoup plus simple que la plupart des matériaux films photovoltaïques minces, y compris notamment Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) et Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Par conséquent, des cellules efficacité se présente comme le principal obstacle à la commercialisation de SnS PV, et SNS pourrait être considéré comme un remplacement de la halte-accueil pour CdTe fois des rendements élevés sont démontrés à l'échelle du laboratoire. Cependant cette barrière de l'efficacité ne peut être surestimée. Nous estimons que l'efficacité d'enregistrement doit augmenter par un facteur de quatre, à partir de ~ 4% à environ 15%, afin de stimuler le développement commercial. Le développement d'une croissance SnS que solution de remplacement pour CdTe exigera également de SnS haute qualité des films minces par CSS, et le développement d'un matériau de type n partenaire sur lequel on peut cultiver SnS directement.
Ci-dessous est décrite la procédure étape par étape pour la fabrication de disques SnS cellules solaires en utilisant deux techniques de dépôt différentes, dépôt de couches atomiques (ALD) et TE. ALD est une méthode de croissance lente, mais à ce jour a donné les dispositifs d'efficacité les plus élevés. TE est plus rapide et industriellement évolutive, mais accuse ALD dans l'efficacité. En plus des différentes méthodes de dépôt SNS, le TEet des cellules solaires ALD diffèrent légèrement dans le recuit, la passivation de surface et les étapes de métallisation. Les étapes de fabrication du dispositif sont énumérés sur la figure 1.
Après avoir décrit la procédure, les résultats des tests pour les dispositifs de disques certifiés et les échantillons connexes sont présentés. Les résultats records ont été rapportés précédemment. Ici, l'accent est sur la diffusion des résultats d'un essai typique de traitement.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substrat sélection nettoyage
Si plaquettes oxydées sont utilisés comme substrats. Les substrats sont le support mécanique pour les cellules solaires résultantes, et leurs propriétés électriques ne sont pas importants. Des tranches de Si sont préférés au verre parce tranches de Si achetés dans le commerce sont généralement plus propres que des plaquettes de verre achetés dans le commerce, et cela fait gagner du temps dans le nettoyage de substrat. Si substrats …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Paul Ciszek et Keith Emery du National Renewable Energy Laboratory (NREL) pour les mesures de JV certifiés, Riley Brandt (MIT) pour les mesures de spectroscopie de photoélectrons, et Jeff Cotter (ASU) d'inspiration pour la section de tests d'hypothèses. Ce travail est soutenu par le Département américain de l'énergie grâce à l'Initiative Sunshot sous contrat DE-EE0005329, et par Robert Bosch LLC à travers le Réseau de recherche sur l'énergie Bosch en vertu subvention 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, et K. Hartman reconnaissent le soutien de la fondation Alexander von Humboldt, une bourse de recherche postdoctorale DOE EERE, et Intel PhD Fellowship, respectivement. Cette utilisation de travail fait du Center for Nanoscale Systems à l'Université Harvard qui est soutenu par la National Science Foundation sous sentence ECS-0335765.
Materials
| 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 | 1300 W Xe-lamp using an AM1.5G filter |
| Spectrophotometer | Perkin Elmer | Lambda 950 UV-Vis-NIR | 150mm 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 |
Referenzen
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).
- Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501 (2003).
- Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).
- Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).
- Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496 (2014).
- 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).
- 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).
- Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
- Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).
