Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und 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
Zinnsulfid (SnS) ist ein Kandidat Absorbermaterial für die Erde-reichen, nicht-toxische Solarzellen. SnS bietet einfachen Phasenregelung und das schnelle Wachstum von kongruenten thermische Verdampfung, und es sichtbares Licht stark absorbiert. , Für eine lange Zeit den Rekord Wirkungsgrad von SnS Solarzellen blieb jedoch unter 2%. Kürzlich haben wir gezeigt, neue zertifizierte Rekordwirkungsgrade von 4,36% mit SnS durch Atomlagenabscheidung abgeschieden und unter Verwendung von 3,88% thermische Verdampfung. Hier das Herstellungsverfahren für diese Aufzeichnung Solarzellen beschrieben wird, und die statistische Verteilung des Herstellungsprozesses wird berichtet. Die Standardabweichung der Effizienz, gemessen auf einem einzigen Substrat ist typischerweise mehr als 0,5%. Alle Schritte, einschließlich Substratauswahl und Reinigung, Mo Sputtern für den hinteren Kontakt (Kathode), SnS Abscheidung Tempern Oberflächenpassivierung, Zn (O, S) Pufferschicht Auswahl und Abscheidung transparenter Leiter (Anode) Ablagerung und Metallisierung werden beschrieben. Auf jedem Substrat zu fertigen wir 11 Einzelgeräte mit jeweils aktive Fläche 0,25 cm 2. Ferner ist ein System für die Messung von Strom-Spannungs-Kurven unter simulierten Sonnenlicht und externe Quanteneffizienz Messung mit variabler Licht Bias beschrieben. Mit diesem System sind wir in der Lage, vollständige Datensätze für alle Vorrichtungen 11 auf automatisierte Weise und in kürzester Zeit zu messen. Diese Ergebnisse veranschaulichen den Wert des Studiums große Sample-Sets, anstatt sich nur knapp über die leistungsfähigsten Geräte. Große Datenmengen helfen uns, zu unterscheiden und zu beheben einzelnen Verlustmechanismen, die unsere Geräte.
Introduction
Dünnschicht-Photovoltaik (PV) weiterhin Interesse und bedeutende Forschungsaktivitäten zu gewinnen. Jedoch die Wirtschaftlichkeit des PV-Markt sind schnell wechselnde und Entwicklung von kommerziell erfolgreichen Dünnschicht-PV hat sich zu einem anspruchsvolleren Aussichten. Herstellungskosten Vorteile gegenüber waferbasierten Technologien können nicht mehr selbstverständlich auf eine Stufe genommen werden, und Verbesserungen in Effizienz und Kosten gesucht werden muss. 1,2 Angesichts dieser Realität, die wir gewählt haben, um SnS als Absorbermaterial für die Entwicklung Dünnschicht-PV. SnS intrinsische praktische Vorteile, die in niedrigen Herstellungskosten zu übersetzen könnte. Wenn hohe Wirkungsgrade nachgewiesen werden kann, könnte es als Drop-in-Ersatz für CdTe in kommerziellen Dünnschicht-PV berücksichtigt werden. Hier wird das Fertigungsverfahren für die kürzlich berichtet Datensatz SnS Solarzellen demonstriert. Wir konzentrieren uns auf praktische Aspekte wie Substratauswahl, Abscheidungsbedingungen, Gerätelayout und Messprotokollen.
SnS ist aus nicht-toxischen, Erde reichlich vorhanden und preiswert Elemente (Zinn und Schwefel) zusammengesetzt ist. SnS ist ein inertes und unlösliche halbleitenden Festkörper (Mineralname Herzenbergite) mit einem indirekten Bandlücke von 1,1 eV, starke Lichtabsorption für Photonen mit Energien über 1,4 eV (α> 10 4 cm -1) und intrinsische p-Typ Leitfähigkeit mit Trägerkonzentration im Bereich 15. Oktober-17. Oktober cm -3. 3 – 7 ist wichtig, verdampft SnS deckungsgleich und phasenstabil bis 600 ° C 8,9 Das heißt, SnS kann durch thermisches Verdampfen (TE) und der hohen hinterlegt. -Gang Vetter, geschlossenen Raum Sublimation (CSS), wie bei der Herstellung von CdTe-Solarzellen eingesetzt wird. Es bedeutet auch, dass SnS Phasensteuerung ist viel einfacher, als für die meisten Dünnschicht-PV-Materialien, insbesondere einschließlich Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) und Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Daher Zell efzienz steht als Haupthindernis für die Vermarktung von PV SnS und SnS könnte als Drop-in-Ersatz für CdTe einmal hohe Wirkungsgrade sind im Labormaßstab gezeigt werden. Allerdings kann diese Effizienz Barriere nicht überbewertet werden. Wir schätzen, dass der Datensatz Effizienz muss um einen Faktor von vier zu erhöhen, von ~ 4% auf ~ 15%, um die wirtschaftliche Entwicklung zu stimulieren. Entwicklungs SnS als Drop-in-Ersatz für CdTe erfordert auch das Wachstum von hoher Qualität SnS dünne Filme von CSS, und die Entwicklung eines n -Typ Partner Material, auf dem SnS können direkt angebaut werden.
Im Folgenden wird für die Herstellung von SnS Rekord-Solarzellen mit zwei verschiedenen Abscheideverfahren, Atomlagenabscheidung (ALD) und TE beschrieben die Schritt-für-Schritt-Verfahren. ALD ist eine langsame Wachstumsverfahren, sondern auf dem neuesten Stand hat die höchste Effizienz Geräte ergab. TE ist schneller und industriell skalierbaren, aber hinkt ALD in Effizienz. Zusätzlich zu den verschiedenen SnS Abscheideverfahren, das TEund ALD Solarzellen unterscheiden sich geringfügig im Glühen, Oberflächenpassivierung und Metallisierungsschritte. Die Produktionsschritte sind in Abbildung 1 aufgezählt sind.
Nachdem das Verfahren beschreiben, sind die Testergebnisse für die zertifizierten Aufnahmegeräte und zugehörige Proben vorgestellt. Das Rekordergebnis wurde bereits berichtet. Hier liegt der Schwerpunkt auf die Verteilung der Ergebnisse für eine typische Verarbeitungslauf.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substratreinigungs Auswahl
Oxidierte Si-Wafer als Substrate verwendet werden. Die Substrate der mechanische Träger für die resultierenden Solarzellen und ihrer elektrischen Eigenschaften sind nicht wichtig. Si-Wafer werden auf Glas bevorzugt, da im Handel erworben Si-Wafern sind in der Regel sauberer als im Handel erworben Glaswafer und das spart Zeit bei der Substratreinigung. Si-Substrate haben auch eine höhere thermische Leitfähigkeit als Glas, das zu einer gleichmä?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren bedanken sich bei Paul Ciszek und Keith Emery für zertifizierte JV Messungen danken vom National Renewable Energy Laboratory (NREL), Brandt Riley (MIT) für die Photoelektronenspektroskopie-Messungen und Jeff Cotter (ASU) für die Inspiration für das Testen von Hypothesen Abschnitt. Diese Arbeit wird durch das US-Energieministerium durch die SunShot Initiative unter Vertrag DE-EE0005329, und der Robert Bosch LLC durch die Bosch Energy Research Netzwerk unter Gewährung 02.20.MC11 unterstützt. V. Steinmann, R. Jaramillo und K. Hartman erkennen die Unterstützung, die Alexander von Humboldt-Stiftung, ein DOE EERE Postdoctoral Research Award und Intel PhD Fellowship sind. Diese Arbeit nutzten das Center for Nanoscale Systems an der Harvard University, die von der National Science Foundation unter award ECS-0335765 unterstützt wird.
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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