מה שהופך את התאים סולריים שיא יעילות SNS על ידי אידוי תרמי ואטומית שכבת הפקדת
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
גופרי פח (SNS) הוא חומר בולם מועמד לתאי כדור הארץ-שפע, שאינם רעילים שמש. SNS מציע שליטת שלב קלה וצמיחה מהירה על ידי אידוי תרמית חופף, והוא סופג אור הנראה בתוקף. עם זאת, במשך זמן רב את יעילות המרת הספק השיא של תאים סולריים SNS נשארה מתחת ל -2%. לאחרונה הפגינו שיא יעילות מוסמכת חדשה של 4.36% באמצעות SNS שהופקד על ידי תצהיר שכבה אטומי, ו3.88% באמצעות אידוי תרמית. הנה הליך הייצור לתאים סולריים שיא אלה מתואר, וההתפלגות הסטטיסטית של תהליך הייצור מדווחת. סטיית התקן של יעילות נמדדת על מצע יחיד היא בדרך כלל מעל 0.5%. כל הצעדים כוללים מבחר מצע וניקוי, מו מקרטעות למגע האחורי (קתודה), בתצהיר SNS, חישול, פסיבציה משטח, Zn (O, S) בחירת שכבת חיץ ותצהיר, מנצח שקוף בתצהיר (האנודה), וmetallization מתוארים. על כל מצע שאנו לפברק 11 מכשירים בודדים, כל אחד עם שטח פעיל 0.25 סנטימטר 2. יתר על כן, מערכת למדידת תפוקה גבוהה של עיקולים נוכחי מתח תחת אור השמש מדומה, ומדידת יעילות קוונטית חיצונית עם הטיה אור משתנה מתוארת. עם מערכת זו אנו מסוגלים למדוד ערכות נתונים מלאים על כל 11 המכשירים באופן אוטומטי ובזמן מינימאלי. תוצאות אלו ממחישות את הערך של לימוד קבוצות מדגם גדולים, במקום להתמקד באופן צר על מכשירי ביצועים הגבוהים ביותר. ערכות נתונים גדולות לעזור לנו להבחין ולתקן מנגנוני הפסד בודדים משפיעים המכשירים שלנו.
Introduction
photovoltaics סרט הדק (PV) ממשיך למשוך עניין ופעילות מחקר משמעותי. עם זאת, הכלכלה של שוק PV הם נודדים במהירות ופיתוח PV סרט דק הצלחה מסחרית הפכו סיכוי מאתגר יותר. יתרונות עלות ייצור על פני טכנולוגיות מבוססות רקיק כבר לא יכולים להיות מובן מאליו, ושיפורים בשתי היעילות והעלות יש לחפש על בסיס שווה. 1,2 לאור מציאות זו שבחרנו לפתח SNS כחומר בולם ל PV סרט דק. יש SNS יתרונות מעשיים פנימיים שיכול לתרגם עלות ייצור נמוכה. אם ניתן להוכיח את יעילות גבוהה, זה יכול להיחשב כתחליף ירידה-לCdTe בPV סרט הדק המסחרי. כאן, הליך הייצור לתאי SNS שיא דיווחו לאחרונה השמש הפגין. אנו מתמקדים בהיבטים מעשיים כגון בחירת מצע, תנאים בתצהיר, פריסת מכשיר, ופרוטוקולי מדידה.
SNS מורכב מאלמנטים שאינם רעילים, כדור הארץ-שפע ולא יקרים (פח וגופרית). SNS הוא (שם מינרלי Herzenbergite) אינרטי ולא מסיסים מוליכים למחצה מוצק עם bandgap עקיף של 1.1 eV, קליטת אור חזקה לפוטונים באנרגיה מעל 1.4 eV (α> 10 4 סנטימטר -1), ומוליכות -type עמ פנימיות עם ריכוז ספק בטווח 15 אוקטובר – 17 אוקטובר סנטימטר -3 3 -. 7 חשוב לציין, SNS מתאדה congruently והוא עד 600 מעלות צלזיוס שלב יציב 8,9 משמעות הדבר היא כי SNS ניתן להפקיד על ידי אידוי תרמית (TE) והגבוה שלה. בת הדודה -Speed, סובלימציה הסגורה החלל (CSS), כפי שהועסקו בייצור של תאים סולריים CdTe. זה גם אומר ששליטת שלב SNS היא הרבה יותר פשוט עבור רוב חומרי PV סרט דקים, בעיקר כולל Cu (ב, Ga) (S, Se) 2 (סיגריות) וCu 2 ZnSnS 4 (CZTS). לכן, EF התאficiency עומד כמכשול העיקרי למסחור של SNS PV, וSNS יכול להיחשב תחליף ירידה-לCdTe פעם יעילות גבוהה הם הפגינו בקנה מידת המעבדה. עם זאת מחסום יעילות זה לא יכול להיות מוגזם. אנו מעריכים כי יעילות השיא חייבת להגדיל בפקטור של ארבעה, מ~ 4% ל~ 15%, על מנת לעודד פיתוח מסחרי. פיתוח SNS כצמיחה הנפתחת בתחליף לCdTe גם ידרוש מסרטים דקים SNS באיכות הגבוהה על ידי CSS, והפיתוח של חומר שותף ברווחים מסוג n שבו SNS ניתן לגדל באופן ישיר.
להלן מתואר הליך צעד-אחר-צעד לבודת SNS שיא תאים סולריים באמצעות שתי טכניקות שונות בתצהיר, תצהיר שכבה אטומי (ALD) וTE. אלד הוא שיטת צמיחה איטית אך עדכני הניב מכשירי היעילות הגבוהים ביותר. TE הוא מהיר יותר ותעשייתי להרחבה, אבל מפגר אלד ביעילות. בנוסף לשיטות תצהיר SNS השונות, TEותאים סולריים אלד שונים במקצת בחישול, פסיבציה פני השטח, וצעדי metallization. צעדי ייצור המכשיר מנויים באיור 1.
לאחר שתאר את ההליך, תוצאות בדיקה עבור מכשירי השיא מוסמכים ודגימות קשורות מוצגות. תוצאות השיא כבר דווחו בעבר. כאן הדגש הוא על חלוקת תוצאות לריצת עיבוד טיפוסית.
Protocol
Representative Results
Discussion
ניקוי בחירת מצע
הוופלים Si חמצון משמשים כמצעים. מצעים הם התמיכה המכנית לתאים סולריים וכתוצאה מכך, והתכונות חשמליות שלהם אינן חשובות. הוופלים Si הם העדיפו לזכוכית, כי הוופלים Si לרכוש מסחרי הם בדרך כלל נקיים יותר מופלי זכוכי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות לפול Ciszek וקית 'אמרי מהאנרגיה מתחדשים המעבדה הלאומית (NREL) למדידות JV מוסמכים, ריילי ברנדט (MIT) למדידות ספקטרוסקופיה Photoelectron, וג'ף קאטר (ASU) להשראה לסעיף בדיקת השערות. עבודה זו נתמכת על ידי משרד אנרגיה האמריקאי באמצעות יוזמת SunShot תחת חוזה DE-EE0005329, ועל ידי רוברט בוש LLC דרך רשת חקר האנרגיה בוש תחת מענק 02.20.MC11. V. טיינמן, ר 'Jaramillo, וק הרטמן מכירים את התמיכה של, קרן אלכסנדר פון הומבולדט, דוקטורים פרס מחקר DOE EERE, ואינטל דוקטורט מלגה, בהתאמה. שימוש שנעשה עבודה זו של המרכז למערכות ננו באוניברסיטת הרווארד אשר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע תחת הפרס 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).
