Создание Записать-эффективность SNS солнечных батарей методом термического испарения и осаждения атомного слоя
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
Олово сульфид (SNS) является кандидатом поглотитель материал для Земли в изобилии, нетоксичных солнечных батарей. SnS предлагает простое управление фаз и быстрый рост по конгруэнтных термического испарения, и он поглощает видимый свет сильно. Тем не менее, в течение длительного времени рекорд эффективности преобразования мощности SNS солнечных батарей остается ниже 2%. Недавно мы продемонстрировали новые сертифицированные эффективности рекордные 4,36%, используя SNS осаждением атомных слоев, и 3,88% с помощью термического испарения. Здесь процедура изготовления этих солнечных элементов записи описана, и статистическое распределение процесса изготовления сообщается. Стандартное отклонение эффективности, измеренной на одной подложке, как правило, более 0,5%. Все этапы отбора в том числе и очистки подложки, Мо распыления для заднего контакта (катода) осаждения SnS, отжига, пассивации поверхности, Zn (O, S) выбора буферный слой, и осаждение, прозрачный проводник (анод) осаждение и металлизации описаны, На каждой подложки мы производим 11 отдельных устройств, каждое с активной области 0,25 см 2. Кроме того, система измерения высоких пропускной кривых тока напряжения при имитации солнечного света, и внешнего измерения квантовой эффективности с переменным уклоном света описывается. С помощью этой системы мы можем измерить полный набор данных по всем 11 устройств в автоматическом режиме и с минимальными затратами времени. Эти результаты иллюстрируют значение изучения больших наборов образцов, а не сосредотачиваться исключительно на самых высоких музыкальных устройств. Большие наборы данных помогают нам различать и исправить отдельные механизмы потерь, влияющих на наши устройства.
Introduction
Тонкие пленки фотоэлектрические (PV) продолжают привлекать интерес и значительную научно-исследовательскую деятельность. Тем не менее, экономика ФЭ рынка быстро меняются, и развивается коммерчески успешный тонкой пленки PV стал более сложным перспектива. Стоимость производства преимущества над вафельных-технологий не может быть больше не считается само собой разумеющимся, и улучшения в обоих эффективности и стоимости следует искать на равных. 1,2 В свете этой реальности мы выбрали для разработки SNS как поглощающего материала для тонкопленочный PV. SnS имеет внутренние практические преимущества, которые могли бы перевести в низкой стоимости производства. Если высокие эффективность может быть продемонстрирована, это может рассматриваться как заменой для CdTe в коммерческой тонкой пленки PV. Здесь процедура изготовления для недавно сообщалось записи SNS солнечных элементов продемонстрирована. Мы ориентируемся на практические аспекты, такие как выбор субстрата, условий осаждения, макет устройства и протоколы измерений.
SnS состоит из нетоксичных, Земля-обильными и недорогих элементов (олова и серы). ОСН инертны и нерастворимы полупроводниковых твердых (минеральная имя Herzenbergite) с косвенным запрещенной зоны 1.1 эВ, сильное поглощение света для фотонов с энергией выше 1,4 эВ (α> 10 4 см -1), и внутренняя р -типа проводимости с концентрацией носителей в диапазоне от 10 до 15 – 10 17 см -3 3 – 7. Важно отметить, что SnS испаряется конгруэнтно и фазы стабильны до 600 ° C 8,9 Это означает, что SnS может быть нанесен путем термического испарения (TE) и его высокая. ступенчатая двоюродный брат, замкнутое пространство сублимации (CSS), а используется в производстве солнечных батарей CdTe. Это также означает, что управление фазой SnS намного проще, чем для большинства тонкопленочных фотоэлектрических материалов, в частности, в том числе Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) и Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Таким образом, клетки EFтивность выступает в качестве основного барьера для коммерциализации SnS PV, и SnS можно считать падение в замене для CdTe раз высокой эффективности демонстрируются на лабораторном масштабе. Однако эта эффективность барьер не может быть переоценена. Мы считаем, что эффективность запись должна увеличиться в четыре раза, от ~ 4% до ~ 15%, для того, чтобы стимулировать коммерческое развитие. Разработка SNS как заменой для CdTe также потребует роста высокие SNS качества тонких пленок CSS, и развитие партнерского материала п-типа, на котором SnS можно выращивать непосредственно.
Ниже описывается шаг за шагом процедуры для изготовления звукозаписывающим SNS солнечных батарей с использованием двух различных методов осаждения, осаждения атомных слоев (ALD) и TE. ALD является метод медленного роста, но к настоящему времени дали самые высокие устройства эффективности. ТЕ быстрее и промышленно масштабируемой, но отстает ALD эффективности. В дополнение к различным методам SNS осаждения, TEи ALD солнечные батареи немного отличаться в отжиг, пассивации поверхности, и шаги металлизации. Шаги по изготовлению устройства перечислены на рисунке 1.
После описания процедуры, результаты испытаний для сертифицированных устройств записи и связанных с ними образцов представлены. Результаты рекордные сообщалось ранее. Здесь акцент делается на распространение результатов для типичного обработки перспективе.
Protocol
Representative Results
Discussion
Субстрат очистки выбор
Окисленные Si пластины используются в качестве субстратов. Подложки механической поддержки в результате солнечных батарей, и их электрические свойства не важны. Si пластины являются предпочтительными для стекла, потому что купленных Si пл…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Пола Ciszek и Кейт Эмери из Национального лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) для сертифицированных измерений СП, Райли Брандт (MIT) для измерения спектроскопии фотоэлектронных и Джефф Коттер (АСУ) для вдохновения для раздела проверки гипотезы. Эта работа поддерживается Министерством энергетики США в рамках Инициативы SunShot по контракту DE-EE0005329, и Bosch LLC Роберт через научно-исследовательской сети Bosch энергии в рамках гранта 02.20.MC11. В. Стейнманн, Р. Харамильо, и К. Хартман отметить поддержку, фундамент Александр фон Гумбольдт, лань EERE Докторантура научный премию, и Intel кандидатскую стипендий, соответственно. Эта работа сделана использование Центра наноразмерных систем Гарвардского университета, который при поддержке Национального научного фонда премии 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).
