Summary

Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas

Published: May 22, 2015
doi:

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

1. Sustrato Selección y Corte Compra pulido obleas de Si con un óxido térmico de espesor. Para los dispositivos divulgados aquí, utilizar obleas de espesor 500 micras con un 300 nm o más grueso de óxido térmico. Los criterios de selección de sustrato se discuten en la sección de Discusión. Escudo de la vuelta del lado pulido de la oblea con un fotoprotector típica positivo (SPR 700 o PMMA A. 495) y hornear suave (30 segundos a 100 ° C). Nota: Esta es una capa protectora para evita…

Representative Results

En las Figuras 6-8 se muestran los resultados para dos representativos "de referencia" muestras crecidas-TE como se describe anteriormente. Iluminado J – V de datos para estas dos muestras se representa en la Figura 6 La primera muestra ("SnS140203F") produjo el dispositivo con eficiencia certificada de 3,88% que se había informado anteriormente distribuciones 9 Representante JV también se muestran para cada muestra… Para un …

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Hartman, K., Johnson, J. L., et al. SnS thin-films by RF sputtering at room temperature. Thin Solid Films. 519 (21), 7421-7424 (2011).
  6. Tanusevski, A. Optical and photoelectric properties of SnS thin films prepared by chemical bath deposition. Semiconductor Science and Technology. 18 (6), 501 (2003).
  7. Sharma, R. C., Chang, Y. A. The S−Sn (Sulfur-Tin) system. Bulletin of Alloy Phase Diagrams. 7 (3), 269-273 (1986).
  8. Steinmann, V., Jaramillo, R., et al. 3.88% Efficient Tin Sulfide Solar Cells using Congruent Thermal Evaporation. Advanced Materials. 26 (44), 7488-7492 (2014).
  9. Sinsermsuksakul, P., Sun, L., et al. Overcoming Efficiency Limitations of SnS-Based Solar Cells. Advanced Energy Materials. 4 (15), 1400496 (2014).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Malone, B. D., Gali, A., Kaxiras, E. First principles study of point defects in SnS. Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).
  13. Vaux, D. L. Research methods: Know when your numbers are significant. Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).

Play Video

Cite This Article
Jaramillo, R., Steinmann, V., Yang, C., Hartman, K., Chakraborty, R., Poindexter, J. R., Castillo, M. L., Gordon, R., Buonassisi, T. Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition. J. Vis. Exp. (99), e52705, doi:10.3791/52705 (2015).

View Video