Fazendo Record-eficiência SnS Células solares por evaporação térmica e Deposição Camada Atómica
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
Sulfureto de estanho (SNS) é um material absorvente de candidato a Terra-abundantes células solares, não-tóxicos. SnS oferece controle de fase fácil e rápido crescimento por evaporação térmica congruente, e absorve a luz visível fortemente. No entanto, por um longo tempo a ficha eficiência de conversão de energia de células solares SnS permaneceu abaixo de 2%. Recentemente, demonstrou novas eficiências recordes autenticadas de 4,36% usando SnS depositados por deposição de camada atômica, e 3,88%, utilizando evaporação térmica. Aqui, o processo de fabricação para estas células solares ficha está descrito, e a distribuição estatística do processo de fabricação é relatado. O desvio padrão de eficiência medida num único substrato é tipicamente mais de 0,5%. Todos os passos, incluindo a selecção de substrato e limpeza, Mo pulverização catódica para o contato posterior (cátodo), deposição SnS, recozimento, passivação de superfície, Zn (O, S) seleção de camada tampão e deposição, condutor transparente (ânodo) deposição, e metalização são descritos. Em cada substrato podemos fabricar 11 dispositivos individuais, cada um com área ativa 0,25 centímetros 2. Além disso, um sistema de medições de alta taxa de transferência de curvas corrente-tensão sob a luz solar simulada, e medição da eficiência quântica externa com viés luz variável é descrito. Com este sistema, somos capazes de medir os conjuntos de dados completos sobre todos os dispositivos 11 de uma forma automatizada e em tempo mínimo. Estes resultados ilustram o valor de estudar grandes conjuntos de amostras, ao invés de focar estreitamente nos dispositivos mais alto desempenho. Grandes conjuntos de dados nos ajudam a distinguir e remediar mecanismos individuais que afetam a perda de nossos dispositivos.
Introduction
Fotovoltaicos de filme fino (PV) continuam a atrair interesse e atividade de pesquisa significativa. No entanto, a economia do mercado de PV estão mudando rapidamente e desenvolver comercialmente bem sucedido PV de filme fino tornou-se uma perspectiva mais desafiador. Vantagens de custo de fabricação mais tecnologias baseadas wafer já não pode ser tida como certa, e melhorias na eficiência e de custos deve ser procurada em pé de igualdade. 1,2 À luz desta realidade que escolhemos para desenvolver SnS como um material absorvente para PV de filme fino. SnS tem vantagens práticas intrínsecas que poderia traduzir-se em baixo custo de fabricação. Se altas eficiências pode ser demonstrado, que poderia ser considerado como um substituto drop-in para CdTe no comercial PV película fina. Aqui, o processo de fabricação para o registro SnS células solares recentemente relatados é demonstrada. Nós nos concentramos em aspectos práticos como a selecção de substrato, condições de deposição, layout do dispositivo, e os protocolos de medição.
SNS é composto por elementos não-tóxicos, Terra-abundantes e baratos (de estanho e enxofre). SNS é um sólido (nome mineral Herzenbergite) semiconducting inerte e insolúvel com um bandgap indireta de 1,1 eV, absorção de luz forte para fótons com energia acima de 1,4 eV (α> 10 4 cm-1), e condutividade intrínseca do tipo p, com concentração de portadores na gama de 15 outubro – 17 outubro cm -3 3 -. 7 Importante, SnS e evapora congruentemente fase é estável até 600 ° C 8,9 Isto significa que os SNS pode ser depositada por evaporação térmica (TE) e a sua alta. primo velocidades, sublimação espaço fechado (CSS), como é empregue no fabrico de células solares de CdTe. Também significa que o controlo de fase SNS é muito mais simples do que para a maioria dos materiais de película fina PV, nomeadamente incluindo Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) e Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Portanto, células efência se destaca como o principal obstáculo à comercialização de SnS PV, e SnS poderia ser considerado um substituto drop-in para CdTe uma vez altas eficiências são demonstradas na escala de laboratório. No entanto, esta barreira eficiência não pode ser exagerada. Estima-se que a eficiência ficha deve aumentar por um factor de quatro, de ~ 4% para ~ 15%, a fim de estimular o desenvolvimento comercial. O desenvolvimento de um crescimento SnS como substituto para CdTe também exigirá de SNS de alta qualidade filmes finos por CSS, e o desenvolvimento de um material do tipo n parceiro no qual SnS podem ser cultivadas directamente.
A seguir é descrito o procedimento passo-a-passo para o fabrico de células solares de SnS ficha utilizando duas técnicas de deposição diferentes, camada de deposição atómica (ALD) e TE. ALD é um método de crescimento lento, mas em dia produziu os maiores dispositivos de eficiência. TE é mais rápido e industrialmente escalável, mas retarda-se na eficiência de ALD. Para além dos diferentes métodos de deposição SnS, o TEe células solares ALD diferem ligeiramente no recozimento, passivação de superfície, e as etapas de metalização. As etapas de fabricação do dispositivo são enumerados na Figura 1.
Depois de descrever o procedimento, os resultados dos testes para os dispositivos de registro certificadas e amostras relacionadas são apresentados. Os resultados recordes foram relatados anteriormente. Aqui, o foco está na distribuição de resultados para uma corrida de processamento típica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Limpeza seleção substrato
Si wafers oxidados são usados como substratos. Os substratos são o suporte mecânico para as células solares resultantes, e as suas propriedades eléctricas não são importantes. Wafers Si são preferidos ao vidro porque wafers Si adquiridos comercialmente são tipicamente mais limpo do que wafers de vidro adquiridos comercialmente, e isso poupa tempo na limpeza do substrato. Si substratos também possuem uma condutividade térmica mais …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a Paul Ciszek e Keith Emery, do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) para medições JV certificadas, Riley Brandt (MIT) para medidas de espectroscopia de fotoelétrons, e Jeff Cotter (ASU) para a inspiração para a seção de testes de hipóteses. Este trabalho é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA por meio da Iniciativa SunShot sob contrato DE-EE0005329, e por Robert Bosch LLC por meio da Rede de Pesquisas Energéticas Bosch sob concessão 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, e K. Hartman agradecer o apoio de, a fundação Alexander von Humboldt, uma DOE EERE Pós-Investigação Award, e Intel PhD Fellowship, respectivamente. Este trabalho fez uso do Centro de Sistemas de Nanoscale da Universidade de Harvard, que é apoiado pela National Science Foundation, prêmio 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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