थर्मल वाष्पीकरण और परमाणु परत बयान से रिकॉर्ड दक्षता एसएनएस सौर कोशिकाओं बनाने
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
टिन सल्फाइड (एसएनएस) पृथ्वी-प्रचुर मात्रा में, गैर विषैले सौर कोशिकाओं के लिए एक उम्मीदवार अवशोषक सामग्री है। एसएनएस आसान चरण नियंत्रण और अनुकूल थर्मल वाष्पीकरण द्वारा तेजी से वृद्धि प्रदान करता है, और यह दृढ़ता से दृश्य प्रकाश अवशोषित। हालांकि, एक लंबे समय के लिए एसएनएस सौर कोशिकाओं के रिकॉर्ड सत्ता परिवर्तन दक्षता 2% से नीचे बनी रही। हाल ही में हमने परमाणु परत बयान द्वारा जमा एसएनएस का उपयोग कर 4.36% की नई प्रमाणित रिकॉर्ड क्षमता का प्रदर्शन किया है, और 3.88% थर्मल वाष्पीकरण के प्रयोग से। यहाँ इन रिकॉर्ड के लिए सौर कोशिकाओं के निर्माण की प्रक्रिया में वर्णित है, और निर्माण की प्रक्रिया के सांख्यिकीय वितरण की सूचना दी है। एक एकल सब्सट्रेट पर मापा दक्षता का मानक विचलन आम तौर पर 0.5% से अधिक है। सब्सट्रेट चयन और सफाई सहित सभी कदम, मो वर्णित हैं रियर संपर्क (कैथोड), एसएनएस बयान, annealing, सतह passivation, Zn (हे, एस) बफर परत चयन और बयान, पारदर्शी कंडक्टर (एनोड) बयान, और धातुरूप के लिए sputtering। प्रत्येक सब्सट्रेट पर हम सक्रिय क्षेत्र 0.25 सेमी 2 के साथ 11 अलग-अलग उपकरणों, प्रत्येक बनाना। इसके अलावा, नकली सौर प्रकाश के तहत वर्तमान वोल्टेज घटता के उच्च throughput माप, और चर प्रकाश पूर्वाग्रह के साथ बाहरी क्वांटम दक्षता माप के लिए एक प्रणाली में वर्णित है। इस प्रणाली के साथ हम एक स्वचालित ढंग से और कम से कम समय में सभी 11 उपकरणों पर पूरा डाटा सेट को मापने के लिए सक्षम हैं। इन परिणामों के बड़े नमूना सेट का अध्ययन करने के बजाय, उच्चतम प्रदर्शन उपकरणों पर बाल बाल ध्यान केंद्रित कर के मूल्य को दर्शाते हैं। बड़े डेटा सेट के भेद और हमारे उपकरणों को प्रभावित करने वाले व्यक्ति के नुकसान तंत्र में सुधार के लिए मदद करते हैं।
Introduction
पतली फिल्म फोटोवोल्टिक (पीवी) ब्याज और महत्वपूर्ण अनुसंधान गतिविधियों को आकर्षित करने के लिए जारी है। हालांकि, बाजार पी.वी. के अर्थशास्त्र तेजी से बदलता है और व्यावसायिक रूप से सफल पतली फिल्म PV विकसित कर रहे हैं एक और अधिक चुनौतीपूर्ण संभावना बन गई है। एक समान स्तर पर मे स्थित प्रौद्योगिकियों पर विनिर्माण लागत लाभ नहीं रह प्रदान के लिए लिया जा सकता है, और दोनों कार्यकुशलता और लागत में सुधार की मांग की जानी चाहिए। 1,2 के लिए हम एक अवशोषक सामग्री के रूप में एसएनएस विकसित करने के लिए चुना है, इस वास्तविकता के प्रकाश में पतली फिल्म PV। एसएनएस कम उत्पादन लागत में अनुवाद कर सकते हैं कि आंतरिक व्यावहारिक फायदे हैं। उच्च क्षमता का प्रदर्शन किया जा सकता है, यह वाणिज्यिक पतली फिल्म PV में CdTe के लिए एक बूंद में स्थानापन्न के रूप में माना जा सकता है। इधर, हाल ही में सूचना दी रिकार्ड एसएनएस सौर कोशिकाओं के लिए निर्माण प्रक्रिया का प्रदर्शन किया जाता है। हम इस तरह के सब्सट्रेट चयन, बयान की स्थिति, उपकरण लेआउट, और माप प्रोटोकॉल के रूप में व्यावहारिक पहलुओं पर ध्यान केंद्रित।
एसएनएस, गैर विषैले पृथ्वी से प्रचुर मात्रा में और कम खर्चीली तत्वों (टिन और सल्फर) से बना है। एसएनएस 1.1 eV की एक अप्रत्यक्ष bandgap के साथ एक निष्क्रिय और अघुलनशील semiconducting के ठोस (खनिज नाम Herzenbergite) है, 1.4 eV से ऊपर ऊर्जा के साथ फोटॉनों के लिए मजबूत प्रकाश अवशोषण (α> 10 4 सेमी -1), और वाहक एकाग्रता के साथ आंतरिक पी प्रकार चालकता रेंज में 15 अक्टूबर – 17 अक्टूबर सेमी -3 3 -। महत्वपूर्ण बात 7, एसएनएस congruently evaporates और 600 डिग्री सेल्सियस तक चरण स्थिर है 8,9 इस एसएनएस थर्मल वाष्पीकरण (ते) और इसकी उच्च द्वारा जमा किया जा सकता है कि इसका मतलब है। CdTe सौर कोशिकाओं के निर्माण में कार्यरत है के रूप में गति चचेरे भाई, बंद अंतरिक्ष उच्च बनाने की क्रिया (सीएसएस)। यह भी एसएनएस चरण नियंत्रण विशेषकर घन (में, गा) (एस, एसई) 2 (CIGS) और घन 2 ZnSnS 4 (CZTS) सहित, सबसे पतली फिल्म PV सामग्री के लिए की तुलना में कहीं अधिक सरल है कि इसका मतलब है। इसलिए, सेल एफईficiency एसएनएस पी.वी. के व्यावसायीकरण के लिए प्राथमिक बाधा के रूप में खड़ा है, और एसएनएस एक बार उच्च क्षमता प्रयोगशाला पैमाने पर प्रदर्शन कर रहे हैं CdTe के लिए एक बूंद में बदलने पर विचार किया जा सकता है। हालांकि यह दक्षता बाधा अतिरंजित नहीं किया जा सकता है। हम रिकॉर्ड दक्षता वाणिज्यिक विकास को प्रोत्साहित करने के क्रम में, 4% ~ से चार का एक पहलू से 15% वृद्धि चाहिए कि अनुमान है। सीएसएस द्वारा उच्च गुणवत्ता एसएनएस पतली फिल्मों की एक बूंद-इन CdTe के लिए प्रतिस्थापन भी आवश्यकता होगी विकास, और एसएनएस सीधे उगाया जा सकता है, जिस पर एक एन प्रकार साथी सामग्री के विकास के रूप में एसएनएस का विकास करना।
नीचे दिए गए दो अलग-अलग बयान तकनीक, परमाणु परत बयान (ALD) और ते का उपयोग कर रिकॉर्ड एसएनएस सौर कोशिकाओं fabricating के लिए कदम दर कदम प्रक्रिया में वर्णित है। ALD एक धीमी गति से विकास तरीका है, लेकिन करने की तारीख के उच्चतम दक्षता उपकरणों सामने आए है। ते तेजी और औद्योगिक रूप से स्केलेबल है, लेकिन क्षमता में ALD lags। , ते अलग एसएनएस बयान तरीकों के अलावाऔर ALD सौर कोशिकाओं annealing है, सतह passivation, और धातुरूप चरणों में थोड़ा भिन्न होते हैं। उपकरण निर्माण चरणों चित्रा 1 में बताए गए हैं।
प्रक्रिया का वर्णन करने के बाद, प्रमाणित रिकॉर्ड उपकरणों और संबंधित नमूने के लिए परीक्षण के परिणाम प्रस्तुत कर रहे हैं। रिकार्ड परिणाम पहले से सूचित किया गया है। यहाँ ध्यान एक ठेठ प्रसंस्करण रन के लिए परिणाम के वितरण पर है।
Protocol
Representative Results
Discussion
सब्सट्रेट चयन सफाई
ऑक्सीकरण हो जाता सी वेफर्स substrates के रूप में उपयोग किया जाता है। substrates के लिए जिसके परिणामस्वरूप सौर कोशिकाओं के लिए यांत्रिक समर्थन कर रहे हैं, और उनके बिजली के गुणों म…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों प्रमाणित जेवी मापन के लिए राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाला (NREL) से पॉल Ciszek और कीथ एमरी शुक्रिया अदा करना चाहूँगा, रिले बै्रन्ट (एमआईटी) Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी मापन के लिए, और परिकल्पना परीक्षण खंड के लिए प्रेरणा के लिए जेफ कोटर (ASU)। इस काम अनुदान 02.20.MC11 तहत बॉश ऊर्जा अनुसंधान नेटवर्क के माध्यम से अनुबंध डे-EE0005329 तहत SunShot पहल, के माध्यम से अमेरिका के ऊर्जा विभाग द्वारा और रॉबर्ट बॉश एलएलसी द्वारा समर्थित है। वी Steinmann, आर Jaramillo, और लालकृष्ण हार्टमैन का समर्थन, क्रमशः अलेक्जेंडर वॉन हम्बोल्ट फाउंडेशन, एक डो EERE पोस्टडॉक्टोरल अनुसंधान पुरस्कार, और इंटेल पीएचडी फैलोशिप, स्वीकार करते हैं। पुरस्कार ईसीएस-0335765 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित है जो हार्वर्ड विश्वविद्यालय में नेनो पैमाने सिस्टम के लिए केंद्र के इस काम का इस्तेमाल किया।
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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