열 증발 및 원자 층 증착에 의해 기록 효율 SNS 태양 전지 만들기
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
주석 설파이드 (SNS)는 지구 풍부한 무독성 태양 전지 후보 흡수 재료이다. SNS 쉽게 위상 제어와 일치하는 열 증발에 의한 급속한 성장을 제공하며, 가시광을 강하게 흡수한다. 그러나, 장시간 SNS 태양 전지의 기록 전력 변환 효율은 2 % 이하로 유지되었다. 최근 우리는 원자 층 증착에 의해 증착 SNS 4.36 %를 사용하여 새로운 인증 레코드 효율성을 입증하고, 3.88 %의 열 증발을 이용하여. 여기서이 레코드 태양 전지의 제조 과정을 설명하고, 제조 공정의 통계적 분포가보고된다. 단일 기판상에서 측정 효율의 표준 편차는 일반적으로 0.5 % 이상이다. 기판의 선택 및 클리닝을 포함한 모든 단계를, MO 설명한다 후방 접촉 (음극), SNS 증착, 열처리, 표면 패시베이션, 아연 (O, S) 버퍼층의 선택 및 증착, 투명도 전막 (양극) 증착하고, 금속 증 스퍼터링. 각각의 기판에 우리는 활성 영역 0.25 cm 2 (11) 개별 장치, 각각 제작. 또한, 모의 태양 광 하에서 전류 – 전압 곡선의 높은 처리량 측정 및 가변 광 바이어스와 외부 양자 효율 측정을위한 시스템이 설명된다. 이 시스템을 우리는 자동화 된 방식으로 최소의 시간에 11 개 장치에 대한 전체 데이터 세트를 측정 할 수 있습니다. 이러한 결과는 많은 샘플 세트를 연구보다는 높은 성능 장치에 좁게 초점 값을 나타낸다. 대형 데이터 세트를 구별하고 우리의 장치에 영향을 미치는 개별 손실 메커니즘을 해결하는 데 도움이.
Introduction
박막 태양 전지 (PV)의 관심과 의미있는 연구 활동을 유치하는 것을 계속한다. 그러나, 태양 광 발전 시장의 경제가 빠르게 변화하고 상업적으로 성공 박막 태양 광을 개발하고보다 도전적인 전망되고있다. 동등한 웨이퍼 기반 기술을 통해 제조 비용 이점이 더 이상 당연시 할 수 없다, 모두 효율성 및 비용 개선이 모색되어야한다. 1, 2를 우리가 흡수 재료로 SNS를 개발하기 위해 선택한이 현실에 비추어 박막 태양 광 발전. SNS는 낮은 제조 비용으로 번역 할 수있는 고유의 실용적인 장점이있다. 높은 효율을 입증 할 수 있다면, 그것은 상업 박막 태양 광 발전에서의 CdTe위한 드롭 인 (drop-in) 교체로 간주 될 수 있습니다. 여기서, 최근에보고 레코드 SNS 태양 전지 제조 과정은 설명된다. 우리는, 기판의 선택, 증착 조건, 장치 레이아웃, 및 측정 프로토콜과 같은 실용적인 측면에 초점을 맞춘다.
SNS는, 비 독성 지구 풍부하고 저렴한 요소 (주석 및 황)로 구성되어있다. SNS는 1.1 eV의의 간접 밴드 갭과 불활성 불용성 반도체 고체 (광물 이름 Herzenbergite)이며, 1.4 eV의 위의 에너지와 광자에 대한 강한 빛의 흡수 (α> 10 4cm-1) 및 캐리어 농도와 고유 P의 형 전도도 범위 10월 15일에서 10월 17일까지 cm -3 3 -. 중요한 7, SNS는 congruently 증발 및 600 ℃에서 최대 위상 안정 8,9이 SNS는 열 증발 (TE) 및 그 높이에 의해 증착 될 수 있다는 것을 의미한다. 의 CdTe 태양 전지의 제조에 사용되는 것처럼 속단 사촌 승화 폐쇄 공간 (CSS). 또한 SNS 위상 제어가 특히 구리 (에서, GA) (S, Se를) 2 (CIGS) 및 Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS)을 포함, 대부분의 박막 태양 광 발전 재료보다 훨씬 단순하다 것을 의미한다. 따라서, 셀 EFFICIENCY는 SNS 태양 광 발전의 상용화에 주요 장벽으로 의미하고, SNS는 한 번 높은 효율은 실험실 규모에서 시연되는의 CdTe위한 드롭 인 (drop-in) 교체 간주 될 수 있습니다. 그러나이 효율 장벽은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것입니다. 우리는 기록 효율 상업적인 발전을 촉진하기 위해, 4 % ~ 행에서 4 배에 의해 15 % 증가 할 것으로 예상한다. CSS에 의한 고품질의 박막 SNS의 드롭의 CdTe 교체도 필요로 성장하고, SNS 직접 성장 될 수있는 N 형의 상대 재료의 개발과 같은 SNS 개발.
다음은 두 개의 다른 증착 기법, 원자 층 증착 (ALD)과 TE를 사용하여 기록을 SNS 태양 전지를 제조하기위한 절차를 단계별로 설명한다. ALD는 느린 성장 법이지만 – 날짜 최고 효율 장치를 산출했다. TE는 빠르고 확장 성이 산업이지만, 효율 ALD를 지연. , TE 다른 SNS 증착법 이외에ALD 및 태양 전지는 소둔, 표면 보호막, 및 금속 화 단계에서 약간 다르다. 장치의 제조 단계는도 1에 열거되어있다.
절차를 설명하면, 인증 된 기록 장치 및 관련 샘플에 대한 시험 결과를 제시한다. 기록 된 결과는 이전에보고 된 바있다. 여기서 초점은 일반적인 처리 실행에 대한 결과의 분포에 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
기판의 선택 청소
산화 된 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용된다. 기판은 그 결과 태양 전지에 대한 기계적 지원하고, 그들의 전기적 특성은 중요하지 않습니다. 상업적으로 구입 된 Si 웨이퍼를 구입 한 상업적으로 유리 웨이퍼보다 일반적으로 청소기 때문에 실리콘 웨이퍼는 유리에 바람직하고,이 기판 세정 시간을 저장한다. 또한 Si의 성장 및 어닐링 동안보다 ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 인증을 합작 측정을 위해 국립 신 재생 에너지 연구소 (NREL)에서 폴 Ciszek과 키스 에머리에게 감사의 말씀을, 라일리 브란트 (MIT) 광전자 분광 측정 및 가설 테스트 섹션에 대한 영감을 제프 카터 (ASU). 이 작품은 부여 02.20.MC11에서 보쉬 에너지 연구 네트워크를 통해 계약 DE-EE0005329에서 SunShot 이니셔티브를 통해 미국 에너지 부에 의해 로버트 보쉬 LLC에 의해 지원됩니다. V. 스타 인, R. 자라 밀로 및 K. 하트 맨의 지원, 각각 알렉산더 폰 훔볼트 재단, DOE EERE 박사후 연구 상, 인텔 박사 친목을 인정합니다. 수상 ECS-0335765 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 지원하는 하버드 대학의 나노 시스템 센터의이 작품 만들어 사용.
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
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