Los autores desean agradecer a Paul Ciszek y Keith Emery, del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) para las mediciones de riesgo compartido certificados, Riley Brandt (MIT) para mediciones de espectroscopia de fotoelectrones, y Jeff Cotter (ASU) en busca de inspiración para la sección de la prueba de hipótesis. Este trabajo es apoyado por el Departamento de Energía de EE.UU. a través de la Iniciativa SunShot bajo contrato DE-EE0005329, y de Robert Bosch LLC a través de la Red de Investigación en Energía de Bosch bajo concesión 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, y K. Hartman reconocen el apoyo de la Fundación Alexander von Humboldt, un Premio de Investigación Postdoctoral DOE EERE, e Intel PhD Fellowship, respectivamente. Este uso de trabajo realizado, del Centro de Sistemas de la Universidad de Harvard a nanoescala que es apoyado por la Fundación Nacional de la Ciencia bajo premio ECS-0335765.

1. Sustrato Selección y Corte <ol><li> Compra pulido obleas de Si con un óxido térmico de espesor. Para los dispositivos divulgados aquí, utilizar obleas de espesor 500 micras con un 300 nm o más grueso de óxido térmico. Los criterios de selección de sustrato se discuten en la sección de Discusión. </li><li> Escudo de la vuelta del lado pulido de la oblea con un fotoprotector típica positivo (SPR 700 o PMMA A. 495) y hornear suave (30 segundos a 100 ° C). Nota: Esta es una capa protectora para evitar daños o contaminación durante la etapa de corte subsiguiente. </li><li> Use una sierra troquel para cortar la oblea en 1 &quot;× 1&quot; (25,4 x 25,4 mm 2) sustratos cuadrados. </li></ol> 2. Sustrato de limpieza <ol><li> Eliminar partículas y otros residuos que resultan de la etapa de corte usando una pistola de nitrógeno comprimido, seguido de un baño de ultrasonidos en (DI) de agua desionizada durante 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Retire la capa de resina fotosensible con un ba ultrasónicaTH en acetona durante 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Limpiar el sustrato expuesta con 3 baños de ultrasonidos posteriores, todas durante 5 min a 45 - 60 ° C: acetona, etanol, y alcohol isopropílico. Acabado de secado con una pistola de nitrógeno comprimido, mientras que los sustratos se mantienen en el portador de cuarzo. </li></ol> 3. Mo Sputtering <ol><li> Cargue los de Si / SiO2 sustratos limpios en un sistema de pulverización catódica alto vacío. Asegúrese de que la placa de sustrato es climatizada y rotación sustrato está habilitada. Para los dispositivos divulgados aquí, proceso en un sistema comercial con armas de fuego de magnetrón inclinadas con 2 &quot;objetivos y una distancia de proyección de aproximadamente 4&quot;. </li><li> Depositar la primera capa (la capa de adhesión) a presión relativamente alta de fondo como 10 mTorr de Ar. Para los dispositivos divulgados aquí, proceso de pulverización catódica con una potencia de 180 W (DC), lo que da una tasa de crecimiento de 2,6 Å / seg, y una primera capa de Mo que es de 360 ​​nm de espesor. </li><li> Depositar el segundocapa (la capa conductora) a una presión relativamente baja de fondo como de 2 mTorr Ar. Utilice el mismo poder de pulverización catódica como la primera capa (180 W) y depositar el mismo espesor. Nota: Los dispositivos aquí presentados tenían una segunda capa de Mo que era 360 nm de espesor, lo mismo que la primera capa. </li><li> Después de la deposición de Mo, almacenar los sustratos al vacío hasta la etapa de deposición del SNS. </li></ol> 4. SnS Deposición Nota: La técnica de deposición ALD se describe en la subsección 4.1, y la deposición TE se describe en la subsección 4.2. El sistema de deposición de ALD se muestra en la Figura 2, y el sistema de TE deposición se muestra en la Figura 3. <ol><li> Depósito SnS por ALD <ol><li> Antes de cargar en el reactor, poner sustratos Mo en un limpiador de ozono UV durante 5 min para eliminar las partículas orgánicas. A continuación, coloque los sustratos en el soporte de sustrato y se insertan en la zona de deposición. </li><li> Estabilizar la tempe hornoratura a 200 ° C antes de comenzar la deposición. </li><li> Crecer SnS películas delgadas de la reacción de bis (N, N &#39;-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N iPr) 2) 2, denominado aquí como Sn (AMD) 2] y sulfuro de hidrógeno (H 2 S) 4. <ol><li> Mantenga el Sn (AMD) 2 precursor a una temperatura constante de 95 ° C. Utilice puro gas N 2 para ayudar a la entrega de Sn (AMD) 2 vapor desde el recipiente en el horno a la zona de deposición. Durante cada ciclo de ALD, suministro de tres dosis de Sn (amd) 2 precursor de la exposición total de 1,1 Torr segundos. </li><li> Utilice una mezcla de gas de 4% de H 2 S en N 2 como la fuente de azufre. Asegúrese de que la exposición al vapor de sulfuro de hidrógeno es 1,5 Torr segundos por dosis. Asegúrese de que la presión parcial de H 2 S y la presión total de H 2 S en N 2 son 0,76 Torr y 19 Torr, respectivamente. </li></ol></li><li> Set tque el bombeo de tiempo entre dosis precursor Sn y H 2 dosis S ser sólo 1 seg (corto en comparación con la mayoría de otros procedimientos ALD convencionales) con el fin de acelerar la deposición. Nota: Debido a que el precursor de Sn no se elimina por completo por este tiempo de bombeo definitiva, algún precursor Sn residual cuando el H 2 S llega. Así, el proceso puede ser descrito como un proceso CVD pulsada. La tasa de crecimiento de la película SnS es 0,33 Å / ciclo, o 0,04 Å / seg. </li></ol></li><li> Depósito SnS por TE <ol><li> Asegúrese de que la presión de la cámara proceso es 2 x 10 -7 Torr o inferior. Sustratos de carga en la cámara a través del bloqueo de carga. Mantenga los sustratos a la placa ya sea con un solo clip, o con un soporte de sustrato de encargo con los bolsillos de tamaño apropiado que se atornilla a la placa de sustrato. </li><li> Rampa de la fuente y calentadores de sustrato a sus consignas. Para el dispositivo informado aquí la temperatura del sustrato es 240 ° C y la tasa de crecimiento es 17; / seg; para lograr esta tasa de crecimiento ajustar la temperatura de la fuente en la gama de 550 a 610 ° C (la temperatura aumenta de origen necesarios con el tiempo para una sola carga de polvo de fuente). El espesor de la película de destino es de 1.000 nm. </li><li> Medir la velocidad de deposición utilizando el monitor de cristal de cuarzo (QCM) antes y después de la deposición de la película SnS moviendo el brazo QCM en la cámara de proceso. Para esta medición el sustrato se eleva de manera que la QCM puede ser movido a la posición de crecimiento sustrato. Nota: La tasa de deposición se mantiene bastante constante a lo largo de un tiempo de deposición de 3 horas (± 0,05 Å desviación / seg). </li><li> Después de la deposición, la transferencia de las muestras de nuevo en el bloqueo de carga antes de venteo de aire. Transportar rápidamente las muestras a través del aire en el almacenamiento, ya sea en vacío o en una atmósfera inerte guantera antes de la próxima etapa de procesamiento. Nota: El tiempo típico de la exposición involuntaria de aire es de aproximadamente 3 min. El tiempo de almacenamiento típico es entre un día y aweek. </li></ol></li></ol> 5. SnS recocido Nota: Este paso se realiza de forma ligeramente diferente para las células solares ALD y TE. El procedimiento de recocido para las células solares ALD se describe en la subsección 5.1, y el procedimiento para las células solares TE se describe en la subsección 5.2. El propósito de recocido se discute en la sección de Discusión. <ol><li> Recocer las películas SnS ALD-crecido en H 2 S de gas. Nota: Este paso se realiza en el mismo sistema utilizado para el crecimiento ALD. <ol><li> Utilice H 2 S gas puro (99,5% de pureza) a una velocidad de flujo de 40 sccm y la presión de 10 Torr. </li><li> Calentar la película SNS para una temperatura de 400 ° C y mantener durante 1 hora en el entorno de gas H2 S. Asegúrese de que el gas está fluyendo a lo largo de todo el proceso, incluyendo la temperatura rampa hacia arriba y abajo. </li></ol></li><li> Recocer las películas SnS adultos TE en gas H 2 S. Realice este paso en un horno tubular dedicado. <ol><li> ª Cargae muestras sobre una placa de cuarzo limpio y diapositiva en la región caliente zona del horno. </li><li> Después se sella el horno, purgar tres veces con N 2 puro y dejar de bombear a presión base. </li><li> Establecer el flujo de gas a 100 sccm de 4% de H 2 S a 28 Torr. </li><li> Rampa la temperatura a 400 ° C durante 10 min. Mantenga a 400 ° C durante 1 hora, y luego permitir que las muestras se enfríen sin ayuda en la bañera de la zona. Mantener el flujo de gas H 2 S y presión constantes hasta que las muestras se enfrían por debajo de 60 ° C. Retire las muestras y, o bien proceder de inmediato al siguiente paso, o colocarlos en el almacenamiento en una caja de guantes de gas inerte. </li></ol></li></ol> 6. SnS pasivación de la superficie con un óxido nativo Nota: Este paso se realiza de forma ligeramente diferente para las células solares ALD y TE. En la subsección 6.1 se describe el procedimiento de pasivación de la superficie de las células solares ALD, y el procedimiento para las células solares TE se describe en la subsección6.2. La función de este paso se discute en la sección de Discusión. <ol><li> Para las muestras ALD-crecido, crecer una fina capa de SnO2 por ALD. Nota: Utilizamos un reactor diferente a la utilizada para el crecimiento del SNS. <ol><li> Crecer SnO2 por la reacción de amida cíclica de estaño [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) 1,3,2-diazastannolidin-2-iliden) Sn (II)] y el peróxido de hidrógeno (H 2 O 2). Guarde el precursor de estaño amida cíclica en un horno a 43 ° C, y el H 2 O 2 en un pelele a RT. </li><li> Mantenga la temperatura del substrato a 120 ° C durante la deposición. </li><li> Exponer el precursor de estaño y H 2 O 2 con 0,33 y 1,5 Torr segundos por ciclo, respectivamente, para un total de 5 ciclos. Compruebe que el espesor de la resultante de SnO 2 es 0,6 0,7 nm, medido por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) análisis 10. </li></ol></li><li> Para las muestras cultivadas-TE, forman un thin capa de SnO2 por la exposición al aire. <ol><li> Exponga las muestras al aire ambiente de laboratorio durante 24 horas. Compruebe que el espesor de la resultante de SnO 2 es de aproximadamente 0,5 nm, medido por análisis XPS. Nota: El típico RT es 24 ± 1 ° C, y la humedad típico es 45% ± 13% (mayor en el verano); para los dispositivos divulgados aquí, los valores fueron de 24,6 C y &lt;30%, respectivamente. </li></ol></li></ol> 7. La deposición de la Zn (O, S) / capa de ZnO Buffer Nota: Este paso se realiza en la misma cámara de ALD que se utiliza para el crecimiento SnS por ALD. <ol><li> Crecer un Zn (O, S): N capa por ALD. <ol><li> Mantener la temperatura del substrato a 120 ° C. </li><li> Crecer Zn (O, S): N por ALD de la reacción de dietilzinc (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), agua desionizada (H 2 O), 4% de H 2 S en N 2, y el amoníaco (NH 3) 11. Guarde las contai pelelening DEZ a RT. Utilice una secuencia de ciclo de la [DEZ-H2O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, y repita este super ciclo de 12 veces. Asegúrese de que la exposición de amoníaco es 11 Torr segundos. </li><li> Compruebe que la relación S / Zn en la película resultante es 0,14, según lo medido por espectroscopia de retrodispersión de Rutherford 12, y que el espesor de la película es de aproximadamente 36 nm. </li></ol></li><li> Crecer una capa de ZnO por ALD. <ol><li> Mantener la temperatura del substrato a 120 ° C. </li><li> Crecer ZnO con 50 ciclos de duración limitada de DEZ-H 2 O. Nota: El espesor de la película de ZnO resultante es aproximadamente 18 nm. </li></ol></li></ol> 8. La deposición del óxido conductor transparente (TCO), óxido de estaño e indio (ITO) <ol><li> Cortar ITO máscaras de sombra de un 0,024 &quot;(610 m) de aluminio 6061 de hoja usando un cortador láser de laboratorio. Nota: Las máscaras definen 11 dispositivos rectangulares que son 0,25 cm 2 enmás del tamaño de una almohadilla grande en una esquina que se utiliza para las mediciones de reflectividad óptica, véase la Figura 4. </li><li> Montar los dispositivos y máscaras en un alineador de máscara. Nota: Se trata de una placa de aluminio con los bolsillos anidados para el sustrato y máscaras y clips para fijar las máscaras en su lugar. </li><li> Depósito de ITO por pulverización catódica con magnetrón reactivo. <ol><li> Calentar el sustrato de aproximadamente 80 a 90 ° C y permitir la rotación del sustrato. </li><li> Utilice un objetivo ITO diámetro de 2 pulgadas (En 2 O 3 / SnO2 90/10 en peso.%, 99,99% de pureza) a los 65 W de potencia de RF de pulverización catódica con Ar / O 2 flujo de gas 40 / 0,1 sccm a las 4 mTorr presión total. </li><li> Crece un 240 nm de espesor película de ITO. Nota: Con estos parámetros, las tasas de crecimiento de 0,5 Å / seg y la hoja de resistencias en el rango de 40 - 60 Ω / cuadrado se logran. </li></ol></li></ol> 9. Metalización <ol><li> Máscaras de sombra Corte de metalización de un austen espesor 127 micraschapa de acero inoxidable ITIC. Nota: Estas máscaras se cortan con + 10 / -5 tolerancia micras por una empresa comercial. El patrón de metal consta de 2 dedos separados por 1.5 mm de largo, cada 7 mm, y una placa de contacto 1 x 1 mm 2, véase la Figura 4. </li><li> Montar los dispositivos y máscaras en un alineador de máscara, como en el paso 8.2. </li><li> Fuerte Ag (para dispositivos TE) o Ni / Al (para dispositivos ALD) por evaporación por haz de electrones. <ol><li> Monte máscara alineador sobre la placa de sustrato de un sistema de metales evaporación por haz de electrones. Bomba hasta una presión de base por debajo de 1 x 10 -6 Torr. </li><li> Se evapora el metal a una velocidad de 2 Å / seg. Deposite 500 grosor total de metal nm. </li></ol></li></ol> Caracterización 10. Dispositivo <ol><li> Realizar corriente-tensión - mediciones (&quot;J V&quot;) en todos los dispositivos a la luz solar oscuro y en AM1.5 simulado. <ol><li> Calibrar el simulador solar mediante la recopilación de J - fr datos Vom una célula solar de silicio calibrado y ajuste de la potencia de la lámpara simulador solar y la altura hasta alcanzar el valor actual calibrada para la insolación AM1.5. </li><li> Póngase en contacto con los dispositivos en modo de cuatro hilos con berilio cobre consejos dobles sonda en ponerse en contacto tanto a la (cátodo, Mo) capas superior (ánodo, Ag o Al) e inferior. Póngase en contacto con la capa inferior por rascarse las capas de amortiguación y SNS con una hoja de bisturí. </li><li> V datos utilizando una fuente metros por el voltaje de abastecimiento y de medición de corriente - Medida J claras y oscuras. Nota: Los dispositivos se miden típicamente dentro del rango de ± 0,5 V. Los dispositivos no responden a la dirección o la velocidad de los barridos de tensión. Para las pruebas de rutina no se utiliza una abertura de luz área definitoria, consulte la sección de discusión para más detalles. </li></ol></li><li> Realizar la eficiencia cuántica externa (EQE) mediciones en todos los dispositivos, con luz variable y polarización de tensión. <ol><li> Calibrar el sistema EQE midiendo la respoNSE de un fotodiodo de calibración Si. Nota: El software compara estos datos con las mediciones realizadas con un estándar respaldado por el NIST para ajustar el nivel de luz en consecuencia. </li><li> Póngase en contacto con los dispositivos que utilizan el método de cuatro hilos, como en el paso 10.1.2. </li><li> Mida EQE utilizando un sistema comercial que ilumina la muestra con luz monocromática picada a 100 Hz en un rango de longitud de onda de 270 nm y 1100 mide la corriente resultante. Realizar esta medida según el procedimiento operativo estándar del fabricante. </li><li> Repita la medición EQE con voltaje variable y blanca sesgo luz. Use un SourceMeter para abastecer a la polarización de tensión, y una lámpara halógena para abastecer el sesgo de la luz. Mida dispositivos, tanto en avance y retroceso de polarización de tensión, intensidad y bajo luz blanca variable hasta ~ 1 Suns. </li><li> Medir la reflectancia óptica (% R) de la superficie superior ITO usando un espectrofotómetro con una esfera de integración con el fin de convertir externo a internoeficiencia cuántica (IQE). Realizar esta medida según el procedimiento operativo estándar del fabricante. </li></ol></li></ol>

<ol>
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D., Gali, A., Kaxiras, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=First+principles+study+of+point+defects+in+SnS.">First principles study of point defects in SnS.</a> Physical Chemistry Chemical Physics. 16, 26176-26183 (2014).</li><li>Vaux, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Research+methods:+Know+when+your+numbers+are+significant.">Research methods: Know when your numbers are significant.</a> Nature. 492 (7428), 180-181 (2012).</li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Limpieza de la selección del sustrato Obleas de Si oxidadas se utilizan como sustratos. Los sustratos son el soporte mecánico para las células solares resultantes y sus propiedades eléctricas no son importantes. Obleas de Si se prefieren al vidrio debido a obleas de Si adquiridos comercialmente son típicamente más limpio que las obleas de vidrio adquiridos comercialmente, y esto ahorra tiempo en la limpieza del sustrato. Si sustratos también tienen mayor conductividad...

Fotovoltaica de película delgada (PV) siguen atrayendo el interés y la actividad investigadora significativa. Sin embargo, la economía de mercado fotovoltaico están cambiando rápidamente y desarrollar con éxito comercial fotovoltaica de película delgada se ha convertido en una perspectiva más desafiante. Ventajas de coste de fabricación más de las tecnologías basadas en obleas ya no puede darse por sentado, y las mejoras en la eficiencia y el costo deben buscarse en pie de igualdad. 1,2 A la luz de esta realidad, hemos optado por desarrollar SnS como material absorbente para PV de película delgada. SnS tiene ventajas prácticas intrínsecas que podrían traducirse en bajo coste de fabricación. Si altas eficiencias se pueden demostrar, que podría ser considerado como un reemplazo de acogida para CdTe en comercial fotovoltaica de película delgada. Aquí, se demuestra el procedimiento de fabricación de los discos células solares SnS recientemente denunciados. Nos centramos en los aspectos prácticos, como la selección del sustrato, las condiciones de deposición, el diseño de dispositivos y protocolos de medición. SnS se compone de elementos no tóxicos, la Tierra-abundantes y de bajo costo (estaño y azufre). SnS es un sólido semiconductor (nombre mineral Herzenbergite) inerte e insoluble con una banda prohibida indirecta de 1,1 eV, fuerte absorción de luz de fotones con energía por encima de 1,4 eV (α&gt; 10 4 cm -1), y intrínseca conductividad tipo p con concentración de portadores en el rango de 15 oct-17 oct cm -3 3 - 7. Es importante destacar que, SnS evapora congruente y es de fase estable hasta 600 ° C 8,9 Esto significa que SnS pueden ser depositados mediante evaporación térmica (TE) y su alta. -Velocidad primo, la sublimación espacio cerrado (CSS), como se emplea en la fabricación de células solares de CdTe. También significa que el control de fase SnS es mucho más simple que para la mayoría de los materiales fotovoltaicos de película delgada, en particular incluyendo Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) y Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Por lo tanto, ef celulardeficiencia se erige como el principal obstáculo para la comercialización de SnS PV, y SNS podría considerarse un sustituto de acogida para CdTe vez altas eficiencias se demuestran en la escala de laboratorio. Sin embargo, esta barrera de eficiencia no puede ser exagerada. Estimamos que la eficiencia de registro debe aumentar por un factor de cuatro, de ~ 4 ~% a 15%, con el fin de estimular el desarrollo comercial. Desarrollar SnS como el crecimiento también requerirá gota en el reemplazo de CdTe de las RSC de alta calidad de películas delgadas por CSS, y el desarrollo de un material de tipo socio n en la que SnS puede cultivar directamente. A continuación se describe el procedimiento paso a paso para la fabricación de SnS récord células solares utilizando dos técnicas de deposición diferentes, la deposición de capas atómicas (ALD) y TE. ALD es un método de crecimiento lento, pero hasta la fecha ha dado los mayores dispositivos de eficiencia. TE es más rápido e industrialmente escalable, pero se queda ALD en la eficiencia. Además de los diferentes métodos de deposición del SNS, el TEy las células solares ALD difieren ligeramente en el recocido, pasivación de la superficie, y los pasos de metalización. Las etapas de fabricación dispositivo se enumeran en la Figura 1. Después de describir el procedimiento, se presentan resultados de las pruebas de los dispositivos de registro certificados y muestras relacionadas. Los resultados récord se ha informado anteriormente. Aquí, la atención se centra en la distribución de los resultados de una típica rutina de procesamiento.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" >
	
	<tbody>
		<tr >
			<td >Quartz wafer carrier</td>
			<td >AM Quartz, Gainesville, TX</td>
			<td ></td>
			<td >bespoke design</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Sputtering system</td>
			<td >PVD Products</td>
			<td ></td>
			<td>High vacuum sputtering system with load lock</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >4% H2S in N2</td>
			<td >Airgas Inc.</td>
			<td>X02NI96C33A5626</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >99.5% H2S</td>
			<td >Matheson Trigas</td>
			<td>G1540250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >SnS powder</td>
			<td >Sigma Aldrich</td>
			<td>741000-5G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Effusion cell</td>
			<td >Veeco</td>
			<td>35-LT</td>
			<td>Low temperature, single filament effusion cell</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >diethylzinc (Zn(C2H5)2)</td>
			<td>Strem Chemicals</td>
			<td>93-3030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Laser cutter</td>
			<td>Electrox</td>
			<td >Scorpian G2</td>
			<td>Used for ITO shadow masks</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >ITO sputtering target (In2O3/SnO2 90/10 wt.%, 99.99% pure)</td>
			<td >Kurt J. Lesker</td>
			<td>EJTITOX402A4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Metallization shadow masks</td>
			<td>MicroConnex</td>
			<td ></td>
			<td>bespoke design</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Electron Beam Evaporator</td>
			<td>Denton</td>
			<td ></td>
			<td>High vacuum metals evaporator with load-lock</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >AM1.5 solar simulator</td>
			<td >Newport Oriel</td>
			<td align="right">91194</td>
			<td>1300 W Xe-lamp using an AM1.5G filter</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Spectrophotometer</td>
			<td >Perkin Elmer</td>
			<td>Lambda 950 UV-Vis-NIR</td>
			<td>150mm Spectralon-coated integrating sphere</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Calibrated Si solar cell</td>
			<td >PV Measurements</td>
			<td ></td>
			<td>BK-7 window glass</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Double probe tips</td>
			<td >Accuprobe</td>
			<td >K1C8C1F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Souce-meter</td>
			<td >Keithley</td>
			<td align="right" >2400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Quantum efficiency measurement system</td>
			<td >PV Measurements</td>
			<td>QEX7</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Calibrated Si photodiode</td>
			<td >PV Measurements</td>
			<td ></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr >
			<td >High-throughput solar cell test station</td>
			<td >PV Measurements</td>
			<td ></td>
			<td>bespoke design</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >Inert pump oil</td>
			<td >DuPont</td>
			<td >Krytox</td>
			<td>PFPE oil, grade 1514; vendor: Eastern Scientific</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >H2S resistant elastomer o-rings</td>
			<td >DuPont</td>
			<td>Kalrez</td>
			<td>compound 7075; vendor: Marco Rubber</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >H2S resistant elastomer o-rings</td>
			<td >Marco Rubber</td>
			<td >Markez</td>
			<td>compound Z1028</td>
		</tr>
		<tr >
			<td >H2S resistant elastomer o-rings</td>
			<td>Seals Eastern, Inc.</td>
			<td >Aflas</td>
			<td>vendor: Marco Rubber</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

making record-efficiency sns solar cells by thermal evaporation and atomic layer deposition

Sulfuro de estaño (SNS) es un material absorbente de candidato a la Tierra abundantes células solares, no tóxicos. SnS ofrece control de fase fácil y rápido crecimiento por evaporación térmica congruentes, y que absorbe la luz visible con fuerza. Sin embargo, durante mucho tiempo el registro de eficiencia de conversión de energía de las células solares SnS mantuvo por debajo de 2%. Recientemente hemos demostrado nuevas eficiencias récord certificadas del 4,36% utilizando SnS depositados por deposición de capas atómicas, y 3.88% usando evaporación térmica. Aquí el procedimiento de fabricación para estas células solares de registro se describe, y se informa de la distribución estadística del proceso de fabricación. La desviación estándar de eficiencia medido en un único sustrato es típicamente más de 0,5%. Todos los pasos que incluyen la selección y limpieza del sustrato, Mo pulverización catódica para el contacto posterior (cátodo), la deposición del SNS, recocido, pasivación de la superficie, Zn (O, S) Selección de capa tampón y depósito, conductor transparente (ánodo) deposición y metalización se describen. En cada sustrato fabricamos 11 dispositivos individuales, cada uno con área activa de 0,25 cm 2. Además, se describe un sistema para la medición de alto rendimiento de las curvas de corriente-voltaje bajo luz solar simulada, y medición de la eficiencia cuántica externa con sesgo de luz variable. Con este sistema podemos medir conjuntos de datos completos sobre los 11 dispositivos de forma automatizada y en un tiempo mínimo. Estos resultados ilustran el valor de estudiar grandes conjuntos de muestras, en lugar de centrarse estrictamente en los más altos dispositivos de rendimiento. Grandes conjuntos de datos nos ayudan a distinguir y remediar mecanismos de pérdida individuales que afectan a nuestros dispositivos.

En las Figuras 6-8 se muestran los resultados para dos representativos &quot;de referencia&quot; muestras crecidas-TE como se describe anteriormente. Iluminado J - V de datos para estas dos muestras se representa en la Figura 6 La primera muestra (&quot;SnS140203F&quot;) produjo el dispositivo con eficiencia certificada de 3,88% que se había informado anteriormente distribuciones 9 Representante JV también se muestran para cada muestra... Para un ...

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Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

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%.

Haciendo eficiencia Registro SnS Células solares por evaporación térmica y la deposición de capas atómicas

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

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Research

JoVE Journal

Engineering

42.6K vistas.  Massachusetts Institute of Technology. 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%.

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Harvesting Solar Energy by Means of Charge-Separating Nanocrystals and Their Solids

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials offering a superior control over the spatial distribution of charge carriers across material interfaces. As this study demonstrates, a combination of donor-acceptor nanocrystal (NC) domains in a single nanoparticle can lead to the realization of efficient photocatalytic1-5 materials, while a layered assembly of donor- and acceptor-like nanocrystals films gives rise to photovoltaic materials.
Initially the paper focuses on the synthesis of composite inorganic nanocrystals, comprising linearly stacked ZnSe, CdS, and Pt domains, which jointly promote photoinduced charge separation. These structures are used in aqueous solutions for the photocatalysis of water under solar radiation, resulting in the production of H2 gas. To enhance the photoinduced separation of charges, a nanorod morphology with a linear gradient originating from an intrinsic electric field is used5. The inter-domain energetics are then optimized to drive photogenerated electrons toward the Pt catalytic site while expelling the holes to the surface of ZnSe domains for sacrificial regeneration (via methanol). Here we show that the only efficient way to produce hydrogen is to use electron-donating ligands to passivate the surface states by tuning the energy level alignment at the semiconductor-ligand interface. Stable and efficient reduction of water is allowed by these ligands due to the fact that they fill vacancies in the valence band of the semiconductor domain, preventing energetic holes from degrading it. Specifically, we show that the energy of the hole is transferred to the ligand moiety, leaving the semiconductor domain functional. This enables us to return the entire nanocrystal-ligand system to a functional state, when the ligands are degraded, by simply adding fresh ligands to the system4.
To promote a photovoltaic charge separation, we use a composite two-layer solid of PbS and TiO2 films. In this configuration, photoinduced electrons are injected into TiO2 and are subsequently picked up by an FTO electrode, while holes are channeled to a Au electrode via PbS layer6. To develop the latter we introduce a Semiconductor Matrix Encapsulated Nanocrystal Arrays (SMENA) strategy, which allows bonding PbS NCs into the surrounding matrix of CdS semiconductor. As a result, fabricated solids exhibit excellent thermal stability, attributed to the heteroepitaxial structure of nanocrystal-matrix interfaces, and show compelling light-harvesting performance in prototype solar cells7.

A general strategy for the development of charge-separating semiconductor nanocrystal composites deployable for solar energy production is presented. We show that assembly of donor-acceptor nanocrystal domains in a single nanoparticle geometry gives rise to a photocatalytic function, while bulk-heterojunctions of donor-acceptor nanocrystal films can be used for photovoltaic energy conversion.

Captación de energía solar por medio de carga de separación nanocristales y sus sólidos

Conjoining different semiconductor materials in a single nano-composite provides synthetic means for the development of novel optoelectronic materials ...

Investigación

Ingeniería

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

La fabricación de nano-ingeniería óxidos conductores transparentes por deposición por láser pulsado

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Integration of Light Trapping Silver Nanostructures in Hydrogenated Microcrystalline Silicon Solar Cells by Transfer Printing

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly known as plasmonic effects, play an important role. Research in this field has, however, been impeded owing to the difficulty of fabricating devices containing the desired functional metal nanostructures. In order to provide a viable strategy to this issue, we herein show a transfer printing-based approach that allows the quick and low-cost integration of designed metal nanostructures with a variety of device architectures, including solar cells. Nanopillar poly(dimethylsiloxane) (PDMS) stamps were fabricated from a commercially available nanohole plastic film as a master mold. On this nanopatterned PDMS stamps, Ag films were deposited, which were then transfer-printed onto block copolymer (binding layer)-coated hydrogenated microcrystalline Si (&#181;c-Si:H) surface to afford ordered Ag nanodisk structures. It was confirmed that the resulting Ag nanodisk-incorporated &#181;c-Si:H solar cells show higher performances compared to a cell without the transfer-printed Ag nanodisks, thanks to plasmonic light trapping effect derived from the Ag nanodisks. Because of the simplicity and versatility, further device application would also be feasible thorough this approach.

A viable transfer printing-based methodology to introduce plasmonic metal nanostructures in solar cells is described. Using nanopillar poly(dimethylsiloxane) stamps, an Ag-based ordered nanodisk array was integrated with standard hydrogenated microcrystalline Si solar cells, which led to improved device performances due to plasmonic light trapping.

Integración de luz de captura de plata de nanoestructuras en células solares de silicio hidrogenado microcristalina por transferencia Impresión

One of the potential applications of metal nanostructures is light trapping in solar cells, where unique optical properties of nanosized metals, commonly ...

Seedless Growth of Bismuth Nanowire Array via Vacuum Thermal Evaporation

Here a seedless and template-free technique is demonstrated to scalably grow bismuth nanowires, through thermal evaporation in high vacuum at RT. Conventionally reserved for the fabrication of metal thin films, thermal evaporation deposits bismuth into an array of vertical single crystalline nanowires over a flat thin film of vanadium held at RT, which is freshly deposited by magnetron sputtering or thermal evaporation. By controlling the temperature of the growth substrate the length and width of the nanowires can be tuned over a wide range. Responsible for this novel technique is a previously unknown nanowire growth mechanism that roots in the mild porosity of the vanadium thin film. Infiltrated into the vanadium pores, the bismuth domains (~ 1 nm) carry excessive surface energy that suppresses their melting point and continuously expels them out of the vanadium matrix to form nanowires. This discovery demonstrates the feasibility of scalable vapor phase synthesis of high purity nanomaterials without using any catalysts.

A protocol for seedless and high yield growth of bismuth nanowire arrays through vacuum thermal evaporation technique is presented.

Crecimiento Seedless de bismuto nanocables matriz a través del vacío de evaporación térmica

Here a seedless and template-free technique is demonstrated to scalably grow bismuth nanowires, through thermal evaporation in high vacuum at RT. ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

La fabricación de la impresión a granel heterounión células solares y<em&gt; In Situ</em&gt; Morfología Caracterización

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical properties. The possibility of doping was investigated by adding monovalent cation halides with similar ionic radii to Pb2+, including Cu+, Na+, and Ag+. A shift in the Fermi level and a remarkable decrease of sub-bandgap optical absorption, along with a lower energetic disorder in the perovskite, was achieved. An order-of-magnitude enhancement in the bulk hole mobility and a significant reduction of transport activation energy within an additive-based perovskite device was attained. The confluence of the aforementioned improved properties in the presence of these cations led to an enhancement in the photovoltaic parameters of the perovskite solar cell. An increase of 70 mV in open circuit voltage for AgI and a 2 mA/cm2 improvement in photocurrent density for NaI- and CuBr-based solar cells were achieved compared to the pristine device. Our work paves the way for further improvements in the optoelectronic quality of CH3NH3PbI3 perovskite and subsequent devices. It highlights a new avenue for investigations on the role of dopant impurities in crystallization and controls the electronic defect density in perovskite structures.

Monovalent Cation Doping of CH3NH3PbI3 for Efficient Perovskite Solar Cells

Here, we present a protocol to adjust the properties of solution-processed CH3NH3PbI3 through the incorporation of monovalent cation additives in order to achieve highly efficient perovskite solar cells.

Dopaje de cationes monovalentes de CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Para células solares eficientes perovskita

Here, we demonstrate the incorporation of monovalent cation additives into CH3NH3PbI3 perovskite in order to adjust the optical, excitonic, and electrical ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

In Situ Monitoreo de la degradación de rendimiento acelerado de células solares y módulos: un estudio de caso para celdas solares de Cu (In, Ga) Se2

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

Bien alineados verticalmente orientado a ZnO Nanorod matrices y su aplicación en invertida pequeña molécula de las células solares

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Production of Single Tracks of Ti-6Al-4V by Directed Energy Deposition to Determine the Layer Thickness for Multilayer Deposition

Directed Energy Deposition (DED), which is an additive manufacturing technique, involves the creation of a molten pool with a laser beam where metal powder is injected as particles. In general, this technique is employed to either fabricate or repair different components. In this technique, the final characteristics are affected by many factors. Indeed, one of the main tasks in building components by DED is the optimization of process parameters (such as laser power, laser speed, focus, etc.) which is usually carried out through an extensive experimental investigation. However, this sort of experiment is extremely lengthy and costly. Thus, in order to accelerate the optimization process, an investigation was conducted to develop a method based on the melt pool characterizations. In fact, in these experiments, single tracks of Ti-6Al-4V were deposited by a DED process with multiple combinations of laser power and laser speed. Surface morphology and dimensions of single tracks were analyzed, and geometrical characteristics of melt pools were evaluated after polishing and etching the cross-sections. Helpful information regarding the selection of optimal process parameters can be achieved by examining the melt pool features. These experiments are being extended to characterize the larger blocks with multiple layers. Indeed, this manuscript describes how it would be possible to quickly determine the layer thickness for the massive deposition, and avoid over or under-deposition according to the calculated energy density of the optimum parameters. Apart from the over or under-deposition, time and materials saving are the other great advantages of this approach in which the deposition of multilayer components can be started without any parameter optimization in terms of layer thickness.

In this research, a rapid method based on melt pool characterization is developed to estimate the layer thickness of Ti-6Al-4V components produced by directed energy deposition.

Producción de pistas individuales de Ti-6Al-4V por deposición de energía dirigida a determinar el espesor de la capa de deposición multicapa

Directed Energy Deposition (DED), which is an additive manufacturing technique, involves the creation of a molten pool with a laser beam where metal ...

Atomic Layer Deposition of Vanadium Dioxide and a Temperature-dependent Optical Model

Vanadium dioxide is a material that has a reversible metal-insulator phase change near 68 &#176;C. To grow VO2 on a wide variety of substrates, with wafer-scale uniformity and angstrom level control of thickness, the method of atomic-layer deposition was chosen. This ALD process enables high-quality, low-temperature (&#8804;150 &#176;C) growth of ultrathin films (100-1000 &#197;) of VO2. For this demonstration, the VO2 films were grown on sapphire substrates. This low temperature growth technique produces mostly amorphous VO2 films. A subsequent anneal in an ultra-high vacuum chamber with a pressure of 7x10-4 Pa of ultra-high purity (99.999%) oxygen produced oriented, polycrystalline VO2 films. The crystallinity, phase, and strain of the VO2 were determined by Raman spectroscopy and X-ray diffraction, while the stoichiometry and impurity levels were determined by X-ray photoelectron spectroscopy, and finally the morphology was determined by atomic force microscopy. These data demonstrate the high-quality of the films grown by this technique. A model was created to fit to the data for VO2 in its metallic and insulating phases in the near infrared spectral region. The permittivity and refractive index of the ALD VO2 agreed well with the other fabrication methods in its insulating phase, but showed a difference in its metallic state. Finally, the analysis of the films&#39; optical properties enabled the creation of a wavelength- and temperature-dependent model of the complex optical refractive index for developing VO2 as a tunable refractive index material.

Thin films (100-1000 &#197;) of vanadium dioxide (VO2) were created by atomic-layer deposition (ALD) on sapphire substrates. Following this, the optical properties were characterized through the metal-insulator transition of VO2. From the measured optical properties, a model was created to describe the tunable refractive index of VO2.

Deposición de capa atómica de dióxido de vanadio y un modelo óptico dependiente de la temperatura

Vanadium dioxide is a material that has a reversible metal-insulator phase change near 68 &#176;C. To grow VO2 on a wide variety of substrates, with ...