Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas
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
Sulfuro de estaño (SNS) es un material absorbente de candidato a la Tierra abundantes células solares, no tóxicos. SnS ofrece control de fase fácil y rápido crecimiento por evaporación térmica congruentes, y que absorbe la luz visible con fuerza. Sin embargo, durante mucho tiempo el registro de eficiencia de conversión de energía de las células solares SnS mantuvo por debajo de 2%. Recientemente hemos demostrado nuevas eficiencias récord certificadas del 4,36% utilizando SnS depositados por deposición de capas atómicas, y 3.88% usando evaporación térmica. Aquí el procedimiento de fabricación para estas células solares de registro se describe, y se informa de la distribución estadística del proceso de fabricación. La desviación estándar de eficiencia medido en un único sustrato es típicamente más de 0,5%. Todos los pasos que incluyen la selección y limpieza del sustrato, Mo pulverización catódica para el contacto posterior (cátodo), la deposición del SNS, recocido, pasivación de la superficie, Zn (O, S) Selección de capa tampón y depósito, conductor transparente (ánodo) deposición y metalización se describen. En cada sustrato fabricamos 11 dispositivos individuales, cada uno con área activa de 0,25 cm 2. Además, se describe un sistema para la medición de alto rendimiento de las curvas de corriente-voltaje bajo luz solar simulada, y medición de la eficiencia cuántica externa con sesgo de luz variable. Con este sistema podemos medir conjuntos de datos completos sobre los 11 dispositivos de forma automatizada y en un tiempo mínimo. Estos resultados ilustran el valor de estudiar grandes conjuntos de muestras, en lugar de centrarse estrictamente en los más altos dispositivos de rendimiento. Grandes conjuntos de datos nos ayudan a distinguir y remediar mecanismos de pérdida individuales que afectan a nuestros dispositivos.
Introduction
Fotovoltaica de película delgada (PV) siguen atrayendo el interés y la actividad investigadora significativa. Sin embargo, la economía de mercado fotovoltaico están cambiando rápidamente y desarrollar con éxito comercial fotovoltaica de película delgada se ha convertido en una perspectiva más desafiante. Ventajas de coste de fabricación más de las tecnologías basadas en obleas ya no puede darse por sentado, y las mejoras en la eficiencia y el costo deben buscarse en pie de igualdad. 1,2 A la luz de esta realidad, hemos optado por desarrollar SnS como material absorbente para PV de película delgada. SnS tiene ventajas prácticas intrínsecas que podrían traducirse en bajo coste de fabricación. Si altas eficiencias se pueden demostrar, que podría ser considerado como un reemplazo de acogida para CdTe en comercial fotovoltaica de película delgada. Aquí, se demuestra el procedimiento de fabricación de los discos células solares SnS recientemente denunciados. Nos centramos en los aspectos prácticos, como la selección del sustrato, las condiciones de deposición, el diseño de dispositivos y protocolos de medición.
SnS se compone de elementos no tóxicos, la Tierra-abundantes y de bajo costo (estaño y azufre). SnS es un sólido semiconductor (nombre mineral Herzenbergite) inerte e insoluble con una banda prohibida indirecta de 1,1 eV, fuerte absorción de luz de fotones con energía por encima de 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), y intrínseca conductividad tipo p con concentración de portadores en el rango de 15 oct-17 oct cm -3 3 – 7. Es importante destacar que, SnS evapora congruente y es de fase estable hasta 600 ° C 8,9 Esto significa que SnS pueden ser depositados mediante evaporación térmica (TE) y su alta. -Velocidad primo, la sublimación espacio cerrado (CSS), como se emplea en la fabricación de células solares de CdTe. También significa que el control de fase SnS es mucho más simple que para la mayoría de los materiales fotovoltaicos de película delgada, en particular incluyendo Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) y Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Por lo tanto, ef celulardeficiencia se erige como el principal obstáculo para la comercialización de SnS PV, y SNS podría considerarse un sustituto de acogida para CdTe vez altas eficiencias se demuestran en la escala de laboratorio. Sin embargo, esta barrera de eficiencia no puede ser exagerada. Estimamos que la eficiencia de registro debe aumentar por un factor de cuatro, de ~ 4 ~% a 15%, con el fin de estimular el desarrollo comercial. Desarrollar SnS como el crecimiento también requerirá gota en el reemplazo de CdTe de las RSC de alta calidad de películas delgadas por CSS, y el desarrollo de un material de tipo socio n en la que SnS puede cultivar directamente.
A continuación se describe el procedimiento paso a paso para la fabricación de SnS récord células solares utilizando dos técnicas de deposición diferentes, la deposición de capas atómicas (ALD) y TE. ALD es un método de crecimiento lento, pero hasta la fecha ha dado los mayores dispositivos de eficiencia. TE es más rápido e industrialmente escalable, pero se queda ALD en la eficiencia. Además de los diferentes métodos de deposición del SNS, el TEy las células solares ALD difieren ligeramente en el recocido, pasivación de la superficie, y los pasos de metalización. Las etapas de fabricación dispositivo se enumeran en la Figura 1.
Después de describir el procedimiento, se presentan resultados de las pruebas de los dispositivos de registro certificados y muestras relacionadas. Los resultados récord se ha informado anteriormente. Aquí, la atención se centra en la distribución de los resultados de una típica rutina de procesamiento.
Protocol
Representative Results
Discussion
Limpieza de la selección del sustrato
Obleas de Si oxidadas se utilizan como sustratos. Los sustratos son el soporte mecánico para las células solares resultantes y sus propiedades eléctricas no son importantes. Obleas de Si se prefieren al vidrio debido a obleas de Si adquiridos comercialmente son típicamente más limpio que las obleas de vidrio adquiridos comercialmente, y esto ahorra tiempo en la limpieza del sustrato. Si sustratos también tienen mayor conductividad…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer a Paul Ciszek y Keith Emery, del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) para las mediciones de riesgo compartido certificados, Riley Brandt (MIT) para mediciones de espectroscopia de fotoelectrones, y Jeff Cotter (ASU) en busca de inspiración para la sección de la prueba de hipótesis. Este trabajo es apoyado por el Departamento de Energía de EE.UU. a través de la Iniciativa SunShot bajo contrato DE-EE0005329, y de Robert Bosch LLC a través de la Red de Investigación en Energía de Bosch bajo concesión 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, y K. Hartman reconocen el apoyo de la Fundación Alexander von Humboldt, un Premio de Investigación Postdoctoral DOE EERE, e Intel PhD Fellowship, respectivamente. Este uso de trabajo realizado, del Centro de Sistemas de la Universidad de Harvard a nanoescala que es apoyado por la Fundación Nacional de la Ciencia bajo premio 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
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