جعل السجلات كفاءة SNS خلايا شمسية بواسطة التبخير الحراري وترسب طبقة الذري
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
كبريتيد القصدير (SNS) هو مادة امتصاص مرشح للخلايا الشمسية الأرض وفيرة، وغير سامة. تقدم SNS سهلة مراقبة مراحل والنمو السريع عن طريق التبخر الحراري والمنسجمة، وأنها تمتص الضوء المرئي بقوة. ومع ذلك، لفترة طويلة ظلت سجل كفاءة تحويل الطاقة من الخلايا الشمسية SNS أقل من 2٪. مؤخرا أثبتنا كفاءة سجل مصدقة جديدة من 4.36٪ باستخدام SNS أودعتها ترسب طبقة الذري، و3.88٪ باستخدام التبخير الحراري. هنا وصف الإجراء لتصنيع هذه الخلايا الشمسية القياسية، وفقا لما ذكرته والتوزيع الإحصائي للعملية التصنيع. الانحراف المعياري للقياس الكفاءة على ركيزة واحدة هو عادة أكثر من 0.5٪. جميع الخطوات بما في ذلك اختيار الركيزة والتنظيف، مو الاخرق للاتصال الخلفي (الكاثود)، SNS الترسيب، والصلب، التخميل السطح، الزنك (O، S) اختيار طبقة عازلة والترسيب، موصل شفافة (الأنود) الترسيب، ومعدنة وصفها. على كل ركيزة نبتدع 11 الأجهزة الفردية، ولكل منها منطقة نشطة 0.25 سم 2. وعلاوة على ذلك، يتم وصف نظام لقياس الإنتاجية العالية من منحنيات الجهد الحالي تحت محاكاة ضوء الشمس، والخارجي قياس كفاءة الكم مع التحيز ضوء متغير. مع هذا النظام ونحن قادرون على قياس مجموعات البيانات الكاملة على جميع الأجهزة 11 بطريقة مؤتمتة وفي أقصر وقت ممكن. هذه النتائج توضح قيمة دراسة مجموعات عينة كبيرة، بدلا من التركيز الضيق على أعلى أداء الأجهزة. مجموعات كبيرة من البيانات تساعدنا على تمييز ومعالجة آليات فقدان الفردية التي تؤثر على أجهزتنا.
Introduction
وحدات الطاقة الشمسية رقيقة (PV) تستمر لجذب الاهتمام والنشاط البحثي الكبير. ومع ذلك، فإن اقتصاديات السوق PV تتغير بسرعة والنامية الناجحة تجاريا PV رقيقة أصبح احتمال أكثر تحديا. لم يعد من الممكن اتخاذها المزايا تكلفة التصنيع على التكنولوجيات القائمة على رقاقة أمرا مفروغا منه، ويجب السعي تحسينات في الكفاءة والتكلفة على قدم المساواة. 1،2 في ضوء هذا الواقع الذي اخترناه لتطوير SNS كمادة امتصاص لل رقيقة PV الفيلم. SNS مزاياه العملية الجوهرية التي يمكن أن تترجم إلى انخفاض تكلفة التصنيع. إذا أمكن إثبات الكفاءة العالية، ويمكن اعتباره بديلا الإفلات في لتيل كد في التجاري رقيقة PV الفيلم. هنا، يتجلى الإجراء تلفيق للسجل SNS الخلايا الشمسية ذكرت مؤخرا. ونحن نركز على الجوانب العملية مثل اختيار الركيزة، وظروف الترسيب، وتخطيط الجهاز، وبروتوكولات القياس.
يتكون SNS من العناصر غير سامة، والأرض وفيرة ورخيصة (القصدير والكبريت). SNS هو شبه موصلة الصلبة (الاسم المعدنية Herzenbergite) خامل وغير قابلة للذوبان مع فجوة الحزمة غير المباشرة من 1.1 فولت، وامتصاص الضوء القوي لالفوتونات مع طاقة فوق 1.4 فولت (α> 10 4 سم -1)، والجوهري التوصيل ع نوع مع تركيز الناقل في نطاق 15 أكتوبر – 17 أكتوبر سم -3 3 – 7 الأهم من ذلك، SNS يتبخر بشكل متطابق ويبعد مرحلة مستقرة تصل إلى 600 ° C 8،9 وهذا يعني أن SNS يمكن أن تودع عن طريق التبخر الحراري (TE) وأعلى مستوياته. ابن عم -speed، والتسامي الأماكن المغلقة (CSS)، ويعمل في صناعة الخلايا الشمسية تيل كد. وهذا يعني أيضا أن مراقبة مراحل SNS هو أبسط بكثير من معظم المواد الفيلم PV رقيقة، ولا سيما بما في ذلك النحاس (في ولاية جورجيا) (S، سي) 2 (CIGS) والنحاس 2 ZnSnS 4 (CZTS). ولذلك، EF الخليةficiency تقف مثل الجدار الرئيسي لتسويق SNS PV، ويمكن اعتبارها SNS بديل الإفلات في لتيل كد مرة واحدة وأثبتت كفاءة عالية في نطاق المختبر. لكن هذا الحاجز كفاءة لا يمكن المبالغة. نحن نقدر أن كفاءة سجل يجب أن تزيد بنسبة أربعة أضعاف، من ~ 4٪ إلى ~ 15٪، وذلك لتحفيز التنمية التجارية. تطوير SNS باعتباره النمو سيتطلب أيضا-الإحلال للتيل كد من SNS جودة عالية الأغشية الرقيقة التي كتبها CSS، ووضع مادة شريك ن من نوع التي يمكن زراعتها SNS مباشرة.
أدناه هو وصف الإجراء خطوة بخطوة لافتعال SNS سجل الخلايا الشمسية باستخدام اثنين من التقنيات ترسب مختلفة، وترسب طبقة الذري (ALD) والشركة المصرية للاتصالات. ALD هي طريقة نمو بطيء ولكنه قد حقق إلى تاريخ بأعلى كفاءة الأجهزة. TE هو أسرع وقابلة للتطوير الصناعي، ولكن يتخلف ALD في الكفاءة. بالإضافة إلى مختلف أساليب ترسب SNS، وTEوالخلايا الشمسية ALD تختلف قليلا في الصلب، التخميل السطح، والخطوات معدنة. يتم تعداد الخطوات تصنيع الجهاز في الشكل 1.
بعد أن وصف هذا الإجراء، يتم عرض نتائج الاختبار للأجهزة سجل شهادة والعينات ذات الصلة. تم الإبلاغ عن نتائج قياسية في وقت سابق. هنا يتم التركيز على توزيع النتائج لتشغيل معالجة نموذجي.
Protocol
Representative Results
Discussion
تنظيف اختيار الركيزة
وتستخدم رقائق سي أكسدة بمثابة ركائز. ركائز هي الدعم الميكانيكي للخلايا الشمسية الناتجة عن ذلك، وخواصها الكهربائية ليست مهمة. ويفضل رقائق سي على الزجاج لرقائق سي شراؤها تجاريا وعادة ما تكون أنظف من ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر بول Ciszek وكيث ايمري من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (طاقة) لقياسات JV المعتمدة، ورايلي برانت (MIT) لقياس الطيفي الضوئية، وجيف كوتر (ASU) للإلهام للقسم اختبار الفرضيات. ويؤيد هذا العمل من قبل وزارة الطاقة في الولايات المتحدة من خلال مبادرة SunShot بموجب عقد DE-EE0005329، وروبرت بوش LLC خلال شبكة بحوث الطاقة بوش تحت منحة 02.20.MC11. V. شتاينمان، R. خاراميو، وK. هارتمان نعترف دعم، مؤسسة الكسندر فون همبولت، على جائزة أبحاث ما بعد الدكتوراه وزارة الطاقة EERE، وإنتل دكتوراه زمالة، على التوالي. هذا الاستخدام العمل مصنوعة من مركز نظم النانو في جامعة هارفارد وهو معتمد من قبل مؤسسة العلوم الوطنية في إطار جائزة 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
- 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).
