Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e Atomic Layer Deposition
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
Tin solfuro (SNS) è un materiale assorbente candidato per la Terra-abbondanti celle solari non tossici,. SnS offre un controllo di fase semplice e rapida crescita da congruenti evaporazione termica, ed assorbe la luce visibile fortemente. Tuttavia, per lungo tempo l'efficienza di conversione di potenza record di celle solari SnS rimasto inferiore al 2%. Recentemente abbiamo dimostrato nuovi livelli di efficienza record di certificati di 4,36% con SnS depositati da deposizione di strati atomici, e 3,88% con evaporazione termica. Qui il procedimento di fabbricazione per queste celle solari registrazione è descritto, e la distribuzione statistica del processo di fabbricazione viene segnalato. La deviazione standard di efficienza misurata su un unico substrato è tipicamente superiore a 0,5%. Tutte le fasi tra cui la selezione del substrato e la pulizia, Mo sputtering per il contatto posteriore (catodo), SnS deposizione, ricottura, passivazione della superficie, Zn (O, S) Selezione strato intermedio e la deposizione, conduttore trasparente (anodo) di deposizione, e metallizzazione sono descritti. Su ogni substrato fabbrichiamo 11 dispositivi individuali, ciascuno con area attiva 0,25 centimetri 2. Inoltre, un sistema per la misurazione di throughput elevato di curve corrente-tensione sotto la luce solare simulata, e la misurazione efficienza quantica esterna con polarizzazione variabile della luce viene descritta. Con questo sistema siamo in grado di misurare insiemi di dati completi su tutti i dispositivi 11 in modo automatico e in tempo minimo. Questi risultati illustrano il valore dello studio di grandi serie di campioni, piuttosto che concentrarsi strettamente sui più alti dispositivi performanti. Grandi insiemi di dati ci aiutano a distinguere e risolvere i singoli meccanismi di perdita che interessano i nostri dispositivi.
Introduction
Il fotovoltaico a film sottile (PV) continuano ad attrarre l'interesse e notevole attività di ricerca. Tuttavia, l'economia del mercato fotovoltaico si stanno spostando rapidamente e in via di sviluppo di successo commerciale fotovoltaico a film sottile è diventata una prospettiva più impegnativo. Vantaggi di costo di produzione rispetto alle tecnologie basate su wafer non possono più essere dato per scontato, e vanno ricercate miglioramenti in efficienza e costi su un piano di parità. 1,2 Alla luce di questa realtà abbiamo scelto di sviluppare SnS come materiale assorbente per fotovoltaico a film sottile. SnS ha vantaggi pratici intrinseci che potrebbero tradursi in basso costo di produzione. Se elevati rendimenti possono essere dimostrati, potrebbe essere considerato come una sostituzione drop-in per CdTe in commerciale fotovoltaico a film sottile. Qui, la procedura di fabbricazione per la cronaca SnS celle solari recentemente segnalati è dimostrata. Ci concentriamo sugli aspetti pratici quali la scelta del substrato, condizioni di deposizione, il layout del dispositivo, e protocolli di misura.
SnS è composto da elementi non tossici, Terra abbondanti e poco costoso (stagno e zolfo). SNS è un semiconduttore solido (nome minerale Herzenbergite) inerte ed insolubile con un bandgap indiretta di 1,1 eV, forte assorbimento della luce per fotoni con energia sopra 1,4 eV (α> 10 4 cm -1), e intrinseco conducibilità p tipo di concentrazione dei portatori nell'intervallo 15 ottobre-17 ottobre cm 3 3 -. 7 Importante, SnS evapora congruente ed è fase stabile fino a 600 ° C 8,9 Ciò significa che SnS può essere depositato per evaporazione termica (TE) e la sua alta. cugino -speed, sublimazione spazio chiuso (CSS), come impiegato nella fabbricazione di celle solari CdTe. Significa anche che il controllo di fase SnS è molto più semplice rispetto alla maggior parte dei materiali fotovoltaici a film sottile, che prevedono in particolare Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) e Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Pertanto, ef cellularecienza si pone come il maggiore ostacolo alla commercializzazione di SnS PV, e SnS potrebbe essere considerato un rimpiazzo per CdTe una volta elevati rendimenti sono dimostrate alla scala di laboratorio. Tuttavia questa barriera efficienza non può essere sopravvalutata. Si stima che l'efficienza record deve aumentare di un fattore di quattro, dal ~ 4% al ~ 15%, al fine di stimolare lo sviluppo commerciale. Sviluppare SnS come crescita richiederà anche rimpiazzo per CdTe di SnS alta qualità film sottili da CSS, e lo sviluppo di un materiale socio n tipo su cui SnS possono essere coltivate direttamente.
Di seguito viene descritta la procedura passo-passo per la realizzazione di celle solari SnS registrare utilizzando due diverse tecniche di deposizione, deposizione di strati atomici (ALD) e TE. ALD è un metodo di crescita lenta ma aggiornata ha prodotto i più alti dispositivi di efficienza. TE è più veloce e scalabile industrialmente, ma ritardi ALD in efficienza. Oltre ai diversi metodi di deposizione SnS, il TEe celle solari ALD divergenti nella ricottura, passivazione della superficie, e passi di metallizzazione. Le fasi di fabbricazione del dispositivo sono elencate in Figura 1.
Dopo aver descritto la procedura, i risultati dei test per i dispositivi di registrazione certificati e campioni correlati sono presentati. I risultati record sono stati segnalati in precedenza. Qui l'attenzione è rivolta alla diffusione dei risultati di una tipica corsa di elaborazione.
Protocol
Representative Results
Discussion
Substrato pulizia selezione
Wafer di Si ossidati sono utilizzati come substrati. I substrati sono il supporto meccanico per le celle solari risultanti, e le loro proprietà elettriche non sono importanti. Wafer di Si sono preferiti al vetro perché wafer di silicio commercialmente acquistati sono in genere più pulito di wafer di vetro commerciali acquistati, e questo consente di risparmiare tempo nella pulizia del substrato. Si substrati devono anche alta conducibilità ter…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare Paul Ciszek e Keith Emery dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) per misure JV certificati, Riley Brandt (MIT) per photoelectron misure di spettroscopia, e Jeff Cotter (ASU) per l'ispirazione per la sezione verifica di ipotesi. Questo lavoro è supportato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti attraverso l'iniziativa SunShot sotto contratto DE-EE0005329, e da Robert Bosch LLC attraverso la Bosch Energy Research Network sotto concessione 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, e K. Hartman riconoscono il sostegno, la fondazione Alexander von Humboldt, una DOE EERE Postdoctoral Research Award, e Intel PhD Fellowship, rispettivamente. Questo uso lavoro fatto del Center for Nanoscale Sistemi dell'Università di Harvard, che è sostenuto dalla National Science Foundation sotto award ECS-0.335.765.
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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