Termal Buharlaşma ve Atomik katman Biriktirme tarafından Record-verimlilik SNS Güneş Pilleri yapma
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
Metal sülfid (SNS) Toprak-zengin, toksik olmayan, güneş hücreleri için aday emici bir malzemedir. SNS kolay faz kontrol ve uyumlu termal buharlaştırma yoluyla hızlı bir büyüme sunar ve kuvvetle görünür ışığı emer. Bununla birlikte, uzun bir süre için SNS güneş hücreleri kayıt güç konversiyon randımanı% 2 altında kalmıştır. Son zamanlarda biz atom tabakası birikimi ile yatırılan SNS kullanarak 4.36% yeni sertifikalı rekor verimliliği gösterdi ve% 3.88 termal buharlaşma kullanarak. Burada, bu kayıt güneş pilleri için imalat prosedürü tarif edilmiştir ve imalat sürecinin istatistiksel dağılımı rapor edilmiştir. tek bir alt-tabaka üzerinde ölçülen etkinlik standart sapma, tipik olarak% 0.5 üzerinde değildir. Yüzey seçimi ve temizlik dahil tüm adımlar, Mo açıklanan arka teması (katot), SNS biriktirme, tavlama, yüzey pasivasyon, Zn (O, S) tampon tabaka seçimi ve birikimi, şeffaf iletken (anot) birikimi ve metalleşme için sıçratma. Her substrat biz aktif alan 0.25 cm 2 ile 11 ayrı cihazlar, her imal. Dahası, simüle güneş ışığı altında akım-gerilim eğrileri yüksek kapasiteli ölçümleri ve değişken ışık önyargı ile dış kuantum verimi ölçümü için bir sistem tarif edilmektedir. Bu sistemle biz otomatik bir şekilde ve asgari sürede tüm 11 cihazlarda tam veri setlerini ölçmek mümkün. Bu sonuçlar büyük örnek setleri okuyan yerine yüksek performanslı cihazlarda yoğunlaşmak değerini göstermektedir. Büyük veri setleri ayırt ve cihazları etkileyen bireysel kayıp mekanizmaları düzeltmek için bize yardımcı olur.
Introduction
İnce film fotovoltaik (PV) ilgi ve önemli araştırma faaliyeti çekmeye devam. Ancak, PV pazarının ekonomi hızla değişen ve ticari açıdan başarılı ince film PV gelişmekte olan daha zorlu bir umudu haline gelmiştir. Eşit koşullarda gofret tabanlı teknolojiler üzerinde üretim maliyet avantajı artık hafife alınabilir, hem verimlilik ve maliyet iyileştirmeleri aranmalıdır. 1,2 biz bir emici malzeme olarak SNS geliştirmek için seçmiş bu gerçeğin ışığında ince film PV. SNS düşük üretim maliyeti çevirmek olabilir içsel pratik avantajları vardır. Yüksek verimleri ortaya konabilir, o ticari ince film PV CdTe için bir drop-in yedek olarak düşünülebilir. Burada, son zamanlarda bildirilen rekor SNS güneş hücreleri için fabrikasyon işlemi gösterilmektedir. Biz alt tabaka seçimi, çökelme koşulları, cihaz düzeni ve ölçüm protokolleri gibi pratik yönleriyle ele.
SNS, toksik olmayan bir toprak-bol ve ucuz elemanları (teneke ve sülfür) oluşmaktadır. SNS 1.1 eV dolaylı bandaralıklı ile inert ve çözünmeyen yarı iletken katı (mineral adı Herzenbergite) 'dir, 1.4 eV yukarıdaki enerji foton güçlü ışık emme (α> 10 4 cm-1) ve taşıyıcı konsantrasyonu ile içsel p tipi iletkenlik aralığında 15 Ekim-17 Ekim cm -3 – 3. Önemli 7, SNS örtüşecek buharlaşır ve 600 ° C 'ye kadar faz stabil olan 8,9 Bu SNS termal buharlaştırma (TE) ve yüksek tarafından tevdi edilmesi anlamına gelir. CdTe güneş hücrelerinin üretiminde kullanılan gibi -Hızlandırın kuzeni kapalı alan süblimasyon (CSS). Ayrıca, SNS faz kontrol özellikle Cu (In, Ga) (S, Se), 2 (CIGS) ve Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS) de dahil olmak üzere, pek çok ince film fotovoltaik malzeme için daha çok daha basit olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, hücre efrasyonlarımız SNS PV ticarileştirilmesine birincil engel olarak duruyor ve SNS zamanlar yüksek verimleri laboratuvar ölçeğinde gösterilmiştir CdTe için bir drop-in yerine düşünülebilir. Ancak bu etkinlik engeli ardı edilemez. Biz rekor verimliliği ticari gelişimini teşvik etmek amacıyla,% 4 ~ dan, dört bir faktör tarafından% 15 artırmak gerekir tahmin ediyoruz. CSS ile yüksek kaliteli SNS ince filmlerin bir drop-in CdTe için yedek da gerektirecektir büyüme ve SNS doğrudan yetiştirilebilir hangi bir n tipi ortağı malzeme geliştirme gibi SNS geliştirilmesi.
Aşağıda iki farklı biriktirme teknikleri, atomik tabaka biriktirme (ALD) ve TE kullanarak kayıt SNS güneş hücreleri üretmek için adım-adım prosedürü tarif edilmektedir. ALD bir yavaş büyüme yöntemidir ancak güncel yüksek verimlilik cihazları vermiştir. TE daha hızlı ve endüstriyel ölçeklenebilir, ancak verimlilik ALD kalıyor. TE farklı SNS biriktirme yöntemlere ek olarakve ALD güneş pilleri tavlama, yüzey pasivasyon ve metalle kaplama adımlarla biraz farklıdır. Cihaz imalat adımları Şekil 1 'de numaralandırılır.
Prosedürü anlattıktan sonra, sertifikalı kayıt cihazları ve ilgili örnekler için test sonuçları sunulmuştur. rekor sonuçları önceden bildirilmiştir. İşte odak tipik bir işlem çalıştırmak için sonuçların dağılımı üzerinde olduğunu.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yüzey seçimi temizliği
Okside Si levha alt tabaka olarak kullanılır. yüzeyler Oluşan güneş hücreleri için mekanik destek ve onların elektriksel özellikleri önemli değildir. Ticari olarak satın alınan Si gofret ticari olarak satın alınan bir cam gofret daha tipik olarak temiz olduğundan Si levha cam tercih edilir ve bu alt-tabaka temizlemede zaman kazandırır. Si ayrıca büyüme ve tavlama sırasında daha eşit ısıtma neden cam, daha yüksek ısıl il…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar sertifikalı JV ölçümleri için Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) Paul Ciszek ve Keith Emery teşekkür etmek istiyorum, Riley Brandt (MİT) fotoelektron spektroskopisi ölçümleri için, ve hipotez testi bölümü için ilham için Jeff Cotter (ASU). Bu çalışma hibe 02.20.MC11 altında Bosch Enerji Araştırma Ağı aracılığıyla sözleşme DE-EE0005329 altında Sunshot Girişimi aracılığıyla ABD Enerji Bakanlığı ve Robert Bosch LLC tarafından desteklenmektedir. V. Steinmann, R. Jaramillo, K. Hartman desteğini sırasıyla Alexander von Humboldt vakıf, bir DOE EERE Doktora Sonrası Araştırma Ödülü ve Intel Doktora Bursu, kabul. Ödül ECS-0335765 altında Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenen Harvard Üniversitesi Nano Sistemleri Merkezi'nin bu iş yapılmış kullanımı.
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).
