Gør Record-effektivitet SnS Solceller ved Termisk fordampning og 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
Tin sulfid (SNS) er kandidat absorber materiale til Jord-rigelige, ikke-giftige solceller. SnS tilbyder nem fase kontrol og hurtig vækst af kongruent termisk fordampning, og det absorberer synligt lys kraftigt. Men i lang tid rekord magt konverteringseffektivitet SnS solceller forblev under 2%. For nylig demonstrerede vi nye certificerede rekord virkningsgrad på 4,36% ved hjælp SnS deponeret af atomare lag deposition, og 3,88% ved hjælp af termisk fordampning. Her proceduren for disse rekord solceller fabrikation beskrives, og den statistiske fordeling af fremstillingsprocessen er rapporteret. Standardafvigelsen for effektivitet målt på et enkelt substrat er typisk over 0,5%. Alle trin, herunder substrat udvælgelse og rengøring, Mo sputtering for den bageste kontakt (katoden), SnS deposition, annealing, overfladepassivering, Zn (O, S) bufferlaget udvælgelse og aflejring, transparent leder (anode) aflejring, og metallisering er beskrevet. På hvert substrat vi fabrikere 11 individuelle enheder, hver med aktivt areal 0,25 cm2. Endvidere er et system til høje gennemløb målinger af strøm spænding kurver under simuleret sol lys og ekstern quantum effektivitet måling med variabel lys partiskhed beskrevet. Med dette system kan vi måle fuldstændige datasæt på alle 11 enheder i en automatiseret måde og i minimal tid. Disse resultater illustrerer værdien af at studere store prøvesæt, snarere end at fokusere snævert på de ydende enheder højeste. Store datasæt hjælpe os til at skelne og afhjælpe individuelle tab mekanismer, der påvirker vores enheder.
Introduction
Tynde film solceller (PV) fortsætter med at tiltrække interesse og betydelig forskningsaktivitet. Men økonomien i PV markedet flytter sig hurtigt og udvikle en kommerciel succes tyndfilm PV er blevet en mere udfordrende perspektiv. Produktion omkostningsfordele end wafer-baserede teknologier ikke længere kan tages for givet, og skal søges forbedringer i både effektivitet og omkostninger på lige fod. 1,2 I lyset af denne virkelighed, vi har valgt at udvikle SnS som en absorber materiale til tyndfilm PV. SnS har iboende praktiske fordele, der kunne resultere i lave produktionsomkostninger. Hvis der kan påvises høje virkningsgrader, kunne det blive betragtet som en drop-in erstatning for CdTe i kommercielt tyndfilm PV. Her er proceduren for nylig rapporteret rekord SnS solceller fabrikation demonstreret. Vi fokuserer på praktiske aspekter som substrat udvælgelse, depositionsbetingelserne, enhed layout, og måling protokoller.
SnS er sammensat af ikke-toksiske, Jord-rigelige og billige elementer (tin og svovl). SnS er et inaktivt og uopløseligt halvledende solid (mineral navn Herzenbergite) med en indirekte båndgab på 1,1 eV, stærkt lys absorption til fotoner med energi over 1,4 eV (α> 10 4 cm -1) og iboende p -type ledningsevne med carrier koncentration i området 15 Oktober – 17 oktober cm -3 3 -. 7 er vigtigt, SnS fordamper kongruent og er fase-stabil op til 600 ° C 8,9 Det betyder, at SnS kan afsættes ved termisk fordampning (TE) og dens høje. speed fætter, lukket rum sublimering (CSS), som er ansat i fremstillingen af CdTe solceller. Det betyder også, at SnS fase kontrol er langt enklere end for de fleste tynde film PV materialer, herunder navnlig Cu (I, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) og Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Derfor celle efficiency står som den primære barriere for kommercialisering af SnS PV, og SnS kan betragtes som en drop-in erstatning for CdTe engang høje virkningsgrader er påvist ved laboratorieskala. Men denne effektivitet barriere kan ikke overvurderes. Vi vurderer, at rekord effektivitet skal øges med en faktor fire, fra ~ 4% til ~ 15%, for at stimulere kommerciel udvikling. Udvikling SnS som drop-in erstatning for CdTe vil også kræve vækst i kvalitet SnS høje tynde film af CSS, og udvikling af en n-type partner materiale, som SnS kan dyrkes direkte.
Nedenfor beskrives de trin-for-trin procedure til fremstilling rekord SnS solceller ved hjælp af to forskellige deposition teknikker, atomic layer deposition (ALD) og TE. ALD er en langsom vækst metode, men til dato har givet den højeste effektivitet enheder. TE er hurtigere og industrielt skalerbar, men halter ALD i effektivitet. Ud over de forskellige SnS afsætningsmetoder, TEog ALD solceller afvige lidt i annealing, overfladepassivering, og metallisering trin. De anordning fabrikationstrin optælles i figur 1.
Efter at have beskrevet den procedure, der testresultater for de certificerede rekord udstyr og relaterede prøver præsenteres. The record resultater er blevet rapporteret tidligere. Her er fokus på fordelingen af resultaterne for en typisk behandling løb.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substrat udvælgelse rengøring
Oxiderede Si wafers anvendes som substrater. Substraterne er den mekaniske støtte til de resulterende solceller, og deres elektriske egenskaber ikke er vigtige. Si wafers foretrækkes til glas, fordi kommercielt købt Si vafler er typisk renere end kommercielt indkøbte glas wafers, og det sparer tid i substrat rengøring. Si substrater også har højere termisk ledningsevne end glas, hvilket fører til mere jævn opvarmning under vækst og a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Paul Ciszek og Keith Emery fra National Renewable Energy Laboratory (NREL) for certificerede JV målinger Riley Brandt (MIT) for fotoelektronspektroskopi målinger, og Jeff Cotter (ASU) til inspiration for hypotesetest sektionen. Dette arbejde er støttet af det amerikanske Department of Energy gennem SunShot Initiativ under kontrakt DE-EE0005329 og af Robert Bosch LLC gennem Bosch Energy Research Network under tilskud 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, og K. Hartman anerkender støtten fra, Alexander von Humboldt fundament, en DOE EERE Postdoc Research Award, og Intel PhD Fellowship hhv. Dette arbejde gjort brug af Center for Nanoscale Systems ved Harvard University, som er støttet af National Science Foundation under award 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).
