Göra Record-effektivitet SNS solceller genom termisk avdunstning och 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) är en kandidat absorbatormaterial efter jord riklig, giftfria solceller. SnS erbjuder enkel kontroll fasen och snabb tillväxt av kongruent termisk indunstning, och den absorberar synligt ljus starkt. Men under en lång tid posten effektivitet SNS solceller Power Conversion kvar under 2%. Nyligen visade nya certifierade rekord effektivitet på 4,36% använder SnS deponerats av atomlager nedfall, och 3,88% med hjälp av termisk förångning. Här tillverkningsproceduren för dessa skiv solceller beskrivs, och den statistiska fördelningen av tillverkningsprocessen har rapporterats. Standardavvikelsen för effektivitet mättes på ett enda substrat är typiskt över 0,5%. Alla steg inklusive substrat val och rengöring, Mo sputtring för den bakre kontakten (katod), SNS nedfall, glödgning, ytpassivering, Zn (O, S) val buffertlagret och nedfall, transparent ledare (anod) nedfall, och metallisering beskrivs. På varje substrat tillverka vi 11 olika enheter, var och en med aktiv area 0,25 cm 2. Vidare är ett system för hög genomströmning mätningar av strömspänningskurvor under simulerade solljus, och extern mätning DQE med variabel ljus partiskhet beskrivs. Med detta system kan vi mäta fulla datauppsättningar på samtliga 11 enheter på ett automatiserat sätt och på minimal tid. Dessa resultat visar värdet av att studera stora provmängder, snarare än att fokusera snävt på de högsta enheterna prestanda. Stora datamängder hjälper oss att urskilja och åtgärda enskilda förlustmekanismer som påverkar våra enheter.
Introduction
Tunnfilms solceller (PV) fortsätter att öka intresset och betydande forskningsverksamhet. Men de ekonomiska aspekterna av PV marknaden skiftar snabbt och utveckla kommersiellt framgångsrika tunn film PV har blivit en mer utmanande utsikter. Tillverkningskostnadsfördelar över skivbaserade teknik kan inte längre tas för givet, och förbättringar i både effektivitet och kostnader måste sökas på lika villkor. 1,2 Mot bakgrund av denna verklighet har vi valt att utveckla SnS som ett absorberande material för tunn film PV. SnS har inneboende praktiska fördelar som kan översätta till låg tillverkningskostnad. Om hög verkningsgrad kan påvisas, kan det betraktas som en drop-in ersättning för CdTe i kommersiell tunnfilms PV. Här är tillverkningsproceduren för en tid sedan rapporterade rekord SNS solceller påvisats. Vi fokuserar på praktiska aspekter som substrat val, deponeringsförhållanden enhet layout och mätprotokoll.
SnS består av icke-giftiga, jord rikliga och billiga element (tenn och svavel). SnS är en inert och olösligt halvledande fast (mineral namn Herzenbergite) med en indirekt bandgap på 1,1 eV, starkt ljus absorption för fotoner med energi över 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), och inneboende p -typ ledningsförmåga med bärarkoncentration . i intervallet 15 oktober – 17 OKTOBER cm -3 3 – 7 Viktigt avdunstar SnS kongruent och fas-stabil upp till 600 ° C 8,9 Detta innebär att SnS kan avsättas genom termisk förångning (TE) och dess höga. -växlad kusin, slutet utrymme sublime (CSS), som användes vid framställning av CdTe solceller. Det innebär också att SnS fasstyming är mycket enklare än för de flesta tunn film PV material, i synnerhet inklusive Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) och Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Därför cell efvitet står som främsta hinder för kommersialisering av SnS PV, och SNS kan betraktas som en drop-in ersättning för CdTe gång höga effektivitet demonstreras på laboratorieskala. Men denna effektivitet hinder kan inte överskattas. Vi bedömer att effektiviteten posten måste öka med en faktor fyra, från ~ 4% till ~ 15%, i syfte att stimulera kommersiell utveckling. Utveckla SnS som en drop-in ersättning för CdTe kommer också att kräva tillväxt av högkvalitativa SNS tunna filmer av CSS, och utvecklingen av en n -typ partner material som SnS kan odlas direkt.
Nedan beskrivs steg-för-steg-förfarande för framställning av skiv SnS solceller användning av två olika avsättningstekniker, atomlager deponering (ALD) och TE. ALD är en långsam tillväxt metod men hittills har gett den högsta effektiviteten enheter. TE är snabbare och industriellt skalbar, men släpar ALD effektivitet. Förutom de olika SnS deponeringsmetoder, TEoch ALD solceller skiljer sig något under glödgning, ytpassivering och metallise steg. De anordning tillverkningssteg är uppräknade i fig 1.
Efter beskriver förfarandet är testresultaten för de certifierade rekord enheter och tillhörande prov presenteras. De rekordresultat har tidigare rapporterats. Här ligger fokus på fördelningen av resultaten för en typisk pågående körning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substrat val rengöring
Oxiderade Si wafers används som substrat. Substraten är de mekaniskt stöd för de erhållna solceller, och deras elektriska egenskaper är inte viktiga. Si wafers är att föredra framför glas eftersom kommersiellt inköpta Si wafers är typiskt renare än kommersiellt inköpta glasskivor, och detta sparar tid i substrat rengöring. Si-substrat också har högre värmeledningsförmåga än glas, vilket leder till en jämnare uppvärmning under til…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Paul Ciszek och Keith Emery från National Renewable Energy Laboratory (NREL) för certifierade mätningar JV, Riley Brandt (MIT) för fotoelektronspektroskopi mätningar och Jeff Cotter (ASU) för inspiration för avsnittet hypotesprövning. Detta arbete stöds av US Department of Energy genom SunShot initiativet under kontrakt DE-EE0005329, och Robert Bosch LLC via Bosch Energy Research Network enligt bidrags 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, och K. Hartman omnämna det stöd från, Alexander von Humboldt-stiftelsen, en DOE EERE Forskar Research Award, och Intel PhD Fellowship, respektive. Detta arbete utnyttjade Centrum för nanosystem vid Harvard University som stöds av National Science Foundation i tilldelning ECS-0.335.765.
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).
