Making Record-effektivitet SnS solceller av termisk fordampning og Atomic Layer Nedfall
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
Tin sulfid (SnS) er en kandidat absorberende materiale for Earth-rike, giftfri solceller. SnS tilbyr enkel fase kontroll og rask vekst av kongruent termisk fordampning, og det absorberer synlig lys sterkt. Imidlertid, i lang tid plate kraften konvertering effektiviteten av SnS solceller forble under 2%. Nylig har vi demonstrert nye sertifiserte rekord effektivitet på 4,36% ved hjelp SnS avsatt av atomic lag avsetning, og 3,88% ved hjelp av termisk fordampning. Her fabrikasjonsprosedyren for disse plate solceller er beskrevet, og den statistiske fordeling av fremstillingsprosessen er rapportert. Standardavviket av effektivitet måles på et enkelt substrat er vanligvis over 0,5%. Alle trinn, blant annet substrat utvalg og renhold, Mo sputtering for den bakre kontakt (katode), SnS avsetning, gløding overflatepassivering, Zn (O, S) bufferlag utvalg og avsetning, gjennomsiktig leder (anode) avsetning, og metallisering er beskrevet. På hver underlaget vi dikte 11 individuelle enheter, hver med aktive området 0,25 cm 2. Videre er et system for høy gjennomstrømning målinger av strøm-spenningskurver under simulerte solens lys og eksterne quantum effektivitet måling med variabel lys skjevhet beskrevet. Med dette systemet kan vi måle fulle datasett på alle 11 enheter i en automatisert måte og på minimal tid. Disse resultatene illustrerer verdien av å studere store prøvesett, fremfor å fokusere snevert på høyeste utøvende enheter de. Store datasett hjelpe oss å skille og avhjelpe individuelle tapsmekanismer som påvirker våre enheter.
Introduction
Tynnfilm solceller (PV) fortsette å tiltrekke seg interesse og betydelig forskningsaktivitet. Imidlertid har økonomien i PV markedet er skiftende raskt og utvikle kommersielt vellykkede tynn film PV bli en mer utfordrende prospekt. Manufacturing kostnads fordeler fremfor wafer-baserte teknologier kan ikke lenger tas for gitt, og forbedringer i både effektivitet og kostnader må søkes på lik linje. 1,2 I lys av denne virkeligheten vi har valgt å utvikle SnS som absorberende materiale for tynn film PV. SnS har iboende praktiske fordeler som kan oversette til lave produksjonskostnadene. Dersom høye effektivitet kan påvises, kan det betraktes som en drop-in erstatning for CdTe i kommersiell tynn film PV. Her blir fabrikasjon prosedyre for de nylig rapporterte rekord SnS solceller demonstrert. Vi fokuserer på praktiske aspekter som substrat utvalg, avsetningsforhold, enhet layout, og måleprotokoller.
SnS består av ikke-giftige, Earth-rikelig og billig elementer (tinn og svovel). SnS er en inert og uløselig halvledende faststoff (mineral navn Herzenbergite) med en indirekte bandgap på 1,1 eV, sterkt lys absorpsjon for fotoner med energi over 1.4 eV (α> 10 4 cm -1) og iboende p -type ledningsevne med transportøren konsentrasjon i området 15 til 10 oktober 17 cm -3 3 – 7. Viktigere, fordamper SnS kongruent og er fasestabilt opp til 600 ° C 8,9 Det vil si at SnS kan avsettes ved termisk fordampning (TE) og dens høye. speed fetter, lukket rom sublime (CSS), som er ansatt i produksjon av CdTe solceller. Det betyr også at SnS fasestyring er langt enklere enn for de fleste tynne film PV materialer, særlig blant Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) og Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Derfor celle efvendig trekkraft står som den primære barriere for kommersialisering av SnS PV, og SnS kan anses som en drop-in erstatning for CdTe gang høye effektivitet er demonstrert ved laboratorieskala. Men denne effektiviteten barrieren kan ikke overvurderes. Vi regner med at rekorden effektiviteten må økes med en faktor på fire, fra ~ 4% til ~ 15%, for å stimulere til næringsutvikling. Utvikling SnS som en drop-in erstatning for CdTe vil også kreve veksten av høy kvalitet SnS tynne filmer av CSS, og utvikling av en n-type partner materiale som SnS kan dyrkes direkte.
Nedenfor er beskrevet trinn-for-trinn prosedyre for å fabrikkere rekord SnS solceller ved hjelp av to ulike avsetnings teknikker, atomic layer nedfall (ALD) og TE. ALD er en langsom vekst metode, men to-date har gitt de høyeste effektivitet enheter. TE er raskere og industrielt skalerbare, men etterslep ALD i effektivitet. I tillegg til de forskjellige SnS avsetningsmetoder, TEog ALD solceller avvike noe i gløding overflaten passivisering, og metallise trinn. Den anordning fremstillingstrinn er nummerert i figur 1.
Etter beskriver prosedyren, er testresultater for de sertifiserte rekord enheter og relaterte prøvene presenteres. Rekordresultatet har tidligere blitt rapportert. Her fokuseres det på fordelingen av resultatene for en typisk behandling løp.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substrat utvalg rengjøring
Oksyderte Si wafers anvendes som substrater. Substratene er mekanisk støtte for de resulterende solceller, og deres elektriske egenskaper er ikke viktig. Si wafers foretrekkes fremfor glass fordi kommersielt kjøpt Si wafers er vanligvis renere enn kommersielt kjøpt glass wafere, og dette sparer tid i underlaget rengjøring. Si substrater også har høyere varmeledningsevne enn glass, noe som fører til en jevnere oppvarming under vekst og glød…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å takke Paul Ciszek og Keith Emery fra National Renewable Energy Laboratory (NREL) for sertifiserte JV målinger, Riley Brandt (MIT) for Optoelektronikk spektroskopi målinger, og Jeff Cotter (ASU) for inspirasjon for hypotesetesting delen. Dette arbeidet støttes av US Department of Energy gjennom SunShot Initiative under kontrakt DE-EE0005329, og Robert Bosch LLC gjennom Bosch Energy Research Network i henhold til tildelings 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, og K. Hartman erkjenner støtte fra, Alexander von Humboldt foundation, en DOE EERE postdoc Award, og Intel PhD Fellowship, henholdsvis. Dette arbeidet har gjort bruk av Senter for nanoskala Systems ved Harvard University, som er støttet av National Science Foundation i henhold til pris 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 |
References
- 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).
