通过热蒸发和原子层沉积使记录效率的SnS太阳能电池
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
锡硫化物（SNS）是候选吸收材料对于地球丰富的，无毒的太阳能电池。 SnS的提供方便的相位控制和全等热蒸发的快速增长，而且吸收可见光强烈。然而，很长一段时间的SnS太阳能电池的创纪录的功率转换效率保持在2％以下。最近，我们证明了4.36％，采用SNS沉积通过原子层沉积的新纪录认证的效率，并采用热蒸发3.88％。这里对这些记录的太阳能电池的制造过程进行说明，并在制造过程中的统计分布的报道。在单个衬底上测量的效率的标准偏差是通常超过0.5％。所有步骤，包括衬底的选择和清洗，钼溅射后接触（阴极），SNS沉积，退火，表面钝化，锌（O，S）缓冲层的选择和沉积，透明导体（阳极）沉积和金属化描述。在每一基底我们制造11各个装置，每个有源区0.25厘米2。此外，对于电流 – 电压曲线之下模拟太阳光高吞吐量的测量，和外部量子效率的测量与可变轻偏压的系统进行说明。有了这个系统，我们能够测量以自动的方式在最短的时间内对所有11台设备完整的数据集。这些结果说明学习大样本组，而不是狭隘专注于最高性能的设备的价值。大型数据集帮助我们辨别和消除影响我们的设备单项损失的机制。
Introduction
薄膜光伏（PV）继续吸引兴趣和显著研究活动。然而，光伏市场的经济正在迅速转变，发展商业成功的薄膜光伏已经成为一个更具挑战性的前景。在片为基础的技术制造的成本优势不再是理所当然 的，并提高效率和成本必须寻求平等1,2鉴于这种现实，我们选择开发的SnS作为吸收材料的薄膜光伏。 SnS的有可能转化为低制造成本的内在实用性强等优点。如果高的效率可以证明，它可以被认为是一个简易替换为CdTe的商用薄膜PV。这里，对于最近报道记录的SnS太阳能电池的制造过程是证明。我们专注于实际问题，如基材的选择，沉积条件，设备布局和测量协议。
的SnS由无毒，地球丰富和价廉的元件（锡和硫）。的SnS是惰性和不溶性半固体（矿物名Herzenbergite）为1.1电子伏特的间接带隙，强的光吸收与能量光子以上1.4电子伏特（α> 10 4 -1），和固有P型导电率与载流子浓度在范围10月15日至 10月一十七日cm -3的3 – 7重要的是，SnS的蒸发的同成分，是相稳定到600℃的8,9-这意味着SnS的可通过热蒸发（TE）和它的高沉积。 – 速度表弟，封闭空间升华（CSS），如采用碲化镉太阳能电池的制造。这也意味着，SnS的相位控制远比大多数薄膜PV材料更简单，特别是包括铜（在，Ga）的（S，硒）2（CIGS）和Cu 2 ZnSnS 4（CZTS）。因此，细胞EFFICIENCY代表的主要障碍SnS的光伏商业化，和SNS可以被认为是一个简易替换的碲化镉一次高效率的证明在实验室规模。然而，这种效率的障碍不能被夸大。我们估计，在记录效率，必须由四个因素增加，从〜4％至〜15％，以刺激商业开发。显影的SnS作为高品质的SnS薄膜的简易替换为碲化镉也将需要生长的CSS，和其上的SnS可以直接生长的n型伙伴材料的发展。
下面描述的步骤的分步过程，使用两种不同的沉积技术，原子层沉积（ALD）和TE制造记录的SnS太阳能电池。 ALD是一个缓慢增长的方法，但至今已取得最高效率的设备。 TE是更快和工业上可伸缩，但滞后的ALD在效率。除了不同的SnS沉积方法中，TE和ALD太阳能电池退火，表面钝化，和金属化的步骤稍有不同。器件制造步骤被列举在图1中。
描述手术后，检测结果为认证记录设备和相关样品展示。在创纪录的业绩已有报道。这里的重点是对结果的典型处理运行的分布。
Protocol
Representative Results
Discussion
基材的选择清洗
氧化Si晶片用作衬底。所述底物是用于将所得的太阳能电池的机械支撑，和它们的电学性能并不重要。硅片是首选，因为玻璃市场购买硅晶片通常比商业购买玻璃晶片清洗剂，这可以节省时间，基板清洗。 Si衬底还具有比玻璃，从而导致生长和退火过程中加热更均匀的导热性。与商购的玻璃晶片，发现有必要清洗用洗涤剂的基材，包括一个手动擦…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者想感谢保罗Ciszek和Keith金刚砂从国家可再生能源实验室（NREL）的认证合资测量，莱利勃兰特（MIT）的光电子能谱测量，杰夫科特（ASU）为灵感的假设检验部分。这项工作是通过资助下的02.20.MC11博世能源研究网络支持的能源，通过合同DE-EE0005329的SunShot计划，美国能源部和罗伯特 – 博世LLC。五，斯氏，R.哈拉米略，和K.哈特曼承认的支持下，亚历山大·冯·洪堡基金会，美国能源部一个博士后EERE研究奖和英特尔博士研究生奖学金，分别。这使得工作中使用其屡获下ECS-0335765支持由美国国家科学基金会纳米系统中心在哈佛大学。
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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