Les auteurs tiennent à remercier Paul Ciszek et Keith Emery du National Renewable Energy Laboratory (NREL) pour les mesures de JV certifiés, Riley Brandt (MIT) pour les mesures de spectroscopie de photoélectrons, et Jeff Cotter (ASU) d&#39;inspiration pour la section de tests d&#39;hypothèses. Ce travail est soutenu par le Département américain de l&#39;énergie grâce à l&#39;Initiative Sunshot sous contrat DE-EE0005329, et par Robert Bosch LLC à travers le Réseau de recherche sur l&#39;énergie Bosch en vertu subvention 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, et K. Hartman reconnaissent le soutien de la fondation Alexander von Humboldt, une bourse de recherche postdoctorale DOE EERE, et Intel PhD Fellowship, respectivement. Cette utilisation de travail fait du Center for Nanoscale Systems à l&#39;Université Harvard qui est soutenu par la National Science Foundation sous sentence ECS-0335765.

1. Substrat Sélection et coupe <ol><li> Achat poli tranches de Si avec un oxyde thermique d&#39;épaisseur. Pour les appareils rapportés ici, utiliser 500 um d&#39;épaisseur des plaquettes avec une nm 300 ou oxyde thermique plus épaisse. Les critères de sélection de substrat sont discutés dans la section Discussion. </li><li> manteau de Spin le côté poli de la plaquette avec une résine positive typique (SPR 700 ou PMMA A. 495) et cuisson douce (30 sec à 100 ° C). Note: Ceci est une couche de protection pour éviter d&#39;endommager ou de contamination lors de l&#39;étape de coupe ultérieure. </li><li> Utilisez une scie de la filière pour couper la tranche en 1 &quot;x 1&quot; (25,4 x 25,4 mm 2) substrats carrés. </li></ol> 2. Substrat nettoyage <ol><li> Éliminer les particules et autres résidus qui résultent de l&#39;étape de découpage à l&#39;aide d&#39;un pistolet à azote comprimé, suivi par un bain à ultrasons en (DI) de l&#39;eau désionisée pendant 5 minutes à 45 - 60 ° C. </li><li> Retirer la couche de résine photosensible avec un ba ultrasonse dans de l&#39;acétone pendant 5 min à 45 - 60 ° C. </li><li> Nettoyer le substrat exposé avec 3 salles de bains ultrasonores ultérieures, tous les pendant 5 min à 45 - 60 ° C: l&#39;acétone, l&#39;éthanol et l&#39;alcool isopropylique. Terminer par séchage avec un pistolet à azote comprimé, tandis que les substrats restent dans le support de quartz. </li></ol> 3. Mo de pulvérisation <ol><li> Chargez les propres Si / SiO 2 substrats dans un système de pulvérisation sous vide poussé. Assurez-vous que la plaque de substrat est chauffé et la rotation du substrat est activé. Pour les appareils présentés ici, le processus dans un système commercial avec des pistolets à magnétron inclinés avec 2 &quot;cibles et une distance de jet d&#39;environ 4&quot;. </li><li> Déposer la première couche (la couche d&#39;adhérence) à relativement haute pression de fond tels que 10 mTorr de Ar. Pour les appareils présentés ici, le processus avec une puissance de pulvérisation de 180 W (DC), ce qui donne un taux de 2,6 Å / sec croissance, et une première couche de Mo qui est épaisse de 360 ​​nm. </li><li> Déposez la secondecouche (la couche conductrice) à une pression relativement basse de fond tels que 2 mTorr de Ar. Utilisez la même puissance de pulvérisation que la première couche (180 W) et déposer la même épaisseur. Remarque: Les dispositifs présentés ici avaient une seconde couche qui a été lu à 360 nm d&#39;épaisseur, identique à la première couche. </li><li> Après Mo dépôt, stocker les substrats sous vide jusqu&#39;à ce que l&#39;étape de dépôt SnS. </li></ol> 4. SnS dépôt Remarque: La technique de dépôt ALD est décrit dans la sous-section 4.1, et le dépôt TE est décrite dans la sous-section 4.2. Le système de dépôt ALD est représenté sur la figure 2, et un système de dépôt TE est représenté sur la Figure 3. <ol><li> SnS de dépôt par ALD <ol><li> Avant de charger dans le réacteur, mis substrats Mo dans un nettoyeur d&#39;ozone UV pendant 5 min pour éliminer les particules organiques. Ensuite, placer les substrats sur le support de substrat et l&#39;insérer dans la zone de dépôt. </li><li> Stabiliser la tempe du fourrature à 200 ° C avant de commencer dépôt. </li><li> SnS croître des films minces à partir de la réaction de bis (N, N &#39;-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N -iPr) 2) 2, désigné ici en tant que Sn (DMLA) 2] et de l&#39;hydrogène sulfuré (H 2 S) 4. <ol><li> Gardez le Sn (amd) 2 précurseur à une température constante de 95 ° C. Utilisation de N 2 gazeux pur à aider la distribution de Sn (DMLA) 2 en phase vapeur à partir du récipient dans le four à la zone de dépôt. Au cours de chaque cycle de ALD, approvisionnement trois doses de Sn (amd) 2 précurseur pour l&#39;exposition totale de 1,1 Torr seconde. </li><li> Utilisation d&#39;un mélange gazeux de 4% de H 2 S en N 2 en tant que source de soufre. Veiller à ce que l&#39;exposition à la vapeur de sulfure d&#39;hydrogène est de 1,5 Torr seconde par dose. Assurez-vous que la pression partielle de H 2 S et la pression totale de l&#39;H 2 S en N 2 sont 0,76 Torr et 19 Torr, respectivement. </li></ol></li><li> Set til temps de pompage entre la dose de précurseur Sn et dose H 2 S soit seulement 1 sec (courte par rapport à la plupart des autres procédures d&#39;ALD conventionnels) afin d&#39;accélérer le dépôt. Remarque: Parce que le précurseur Sn est pas complètement éliminé par ce temps de pompage à court, certains précurseur Sn résiduelle reste lorsque le H 2 S arrive. Ainsi, le processus pourrait être décrit comme un procédé CVD pulsé. Le taux d&#39;un film SnS de croissance est de 0,33 Å / cycle, ou 0,04 Å / sec. </li></ol></li><li> SnS de dépôt par TE <ol><li> Assurez-vous que la pression de la chambre de traitement est de 2 x 10 -7 torr ou moins. substrats de charge dans la chambre à travers la serrure de charge. Tenez les substrats à la plaque soit avec un seul clip, ou avec un support de substrat personnalisé avec des poches de taille appropriée qui est vissée à la plaque de substrat. </li><li> Rampe de la source et des radiateurs de substrat à leurs consignes. Pour le dispositif rapporté ici la température du substrat est de 240 ° C et le taux de croissance est une7; / sec; pour atteindre ce taux de croissance régler la température de la source dans la gamme de 550 à 610 ° C (la source requise température augmente avec le temps pour un seul chargement de poudre source). L&#39;épaisseur de film cible est 1000 nm. </li><li> Mesurer le taux de dépôt en utilisant le moniteur de cristal de quartz (QCM) avant et après le dépôt d&#39;un film SnS en déplaçant le bras QCM dans la chambre de processus. Pour cette mesure, le substrat est augmentée de sorte que le QCM peut être déplacé dans la position de croissance du substrat. Note: Le taux de dépôt reste assez constant tout au long d&#39;un temps de dépôt de 3 h (± 0,05 Å / écart de sec). </li><li> Après le dépôt, transférer les échantillons de nouveau dans la serrure de la charge avant de la ventilation à l&#39;air. Transporter rapidement les échantillons à travers l&#39;air dans le stockage soit dans le vide ou dans une atmosphère inerte boîte à gants avant la prochaine étape de traitement. Remarque: Le temps d&#39;exposition involontaire de l&#39;air typique est d&#39;environ 3 min. La durée de conservation typique est comprise entre un jour et aweek. </li></ol></li></ol> 5. SnS recuit Remarque: Cette étape est effectuée de façon légèrement différente pour les cellules solaires ALD et TE. La procédure de recuit pour les cellules solaires ALD est décrit dans la sous-section 5.1, et la procédure pour les cellules solaires TE est décrite dans la sous-section 5.2. Le but de recuit est discuté dans la section Discussion. <ol><li> Recuire les films SnS ALD cultivés en gaz H 2 S. Remarque: Cette étape est réalisée dans le même système utilisé pour la croissance des ALD. <ol><li> Utiliser pur H 2 S gazeux (99,5%) à un débit de 40 sccm et la pression de 10 Torr écoulement. </li><li> Chauffer le film SnS à une température de 400 ° C et maintenir pendant 1 heure dans l&#39;environnement H 2 S du gaz. Assurez-vous que le gaz circule à travers l&#39;ensemble du processus, y compris la température montée en puissance et en bas. </li></ol></li><li> Recuire les films SnS TE-cultivés dans le gaz de H 2. Effectuez cette étape dans un four à tube dédié. <ol><li> e de chargee échantillons sur une plaque de quartz propre et glisser dans la région de la zone chaude du four. </li><li> Après que le four est fermé, purge trois fois avec du N2 pur et permettre à la pompe jusqu&#39;à la pression de base. </li><li> Établir un flux de gaz à 100 sccm de 4% H 2 S à 28 Torr. </li><li> Rampe de la température à 400 ° C pendant 10 min. Tenir à 400 ° C pendant 1 h, puis laisser les échantillons refroidir sans aide dans la chaude-zone. Maintenir H 2 flux de gaz de S constante et pression jusqu&#39;à ce que les échantillons au frais en dessous de 60 ° C. Retirer les échantillons et soit procéder immédiatement à l&#39;étape suivante, ou de les placer dans le stockage dans une boîte à gants de gaz inerte. </li></ol></li></ol> 6. SnS passivation de surface avec un oxyde natif Remarque: Cette étape est effectuée de façon légèrement différente pour les cellules solaires ALD et TE. Dans la sous-section 6.1 de la procédure de passivation de surface pour les cellules solaires ALD est décrite, et la procédure pour les cellules solaires TE est décrite dans la sous-section6.2. La fonction de cette étape est en outre discuté dans la section Discussion. <ol><li> Pour les échantillons de ALD cultivés, développer une mince couche de SnO 2 par ALD. Note: On utilise un réacteur différent de celui utilisé pour la croissance SnS. <ol><li> Cultiver SnO 2 par la réaction d&#39;un amide cyclique de l&#39;étain [(1,3-bis (1,1-diméthyléthyl) -4,5-diméthyl- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ylidène) Sn (II)] et du peroxyde d&#39;hydrogène (H 2 O 2). Stocker le précurseur d&#39;étain amide cyclique dans une étuve à 43 ° C, et le H 2 O 2 dans un barboteur à température ambiante. </li><li> Maintenir la température du substrat à 120 ° C pendant le dépôt. </li><li> Exposer le précurseur de l&#39;étain et du H 2 O 2 en utilisant 0,33 et 1,5 Torr secondes par cycle, respectivement, pour un total de 5 cycles. Vérifier que l&#39;épaisseur de la résultante de SnO 2 est de 0,6 à 0,7 nm, tel que mesuré par spectroscopie photoélectronique par rayons X (XPS) analyse 10. </li></ol></li><li> Pour les échantillons TE-cultivés, former un thin couche de SnO 2 par exposition à l&#39;air. <ol><li> Exposer les échantillons au labo de l&#39;air ambiant pendant 24 heures. Vérifier que l&#39;épaisseur de la résultante de SnO 2 est d&#39;environ 0,5 nm, comme mesuré par analyse XPS. Remarque: La RT est typique 24 ± 1 ° C, et l&#39;humidité typique est de 45% ± 13% (supérieur à l&#39;été); pour les appareils présentés ici, les valeurs étaient de 24,6 ° C et &lt;30%, respectivement. </li></ol></li></ol> 7. Le dépôt de Zn (O, S) / ZnO tampon Couche Remarque: Cette étape est réalisée dans la même chambre ALD qui est utilisé pour la croissance SnS par ALD. <ol><li> Cultivez une Zn (O, S): N couche par ALD. <ol><li> Maintenir la température du substrat à 120 ° C. </li><li> Cultiver Zn (O, S): N par ALD de la réaction de diéthylzinc (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), de l&#39;eau désionisée (H 2 O), 4% de H 2 S en N 2, et de l&#39;ammoniac (NH 3) 11. Stocker les Contai barboteurNing DEZ à TA. Utilisez une séquence de cycle [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, et répéter ce cycle de super 12 fois. Veiller à ce que l&#39;exposition de l&#39;ammoniac est 11 Torr seconde. </li><li> Assurez-vous que le rapport S / Zn dans le film résultant est de 0,14, tel que mesuré par spectroscopie de rétrodiffusion Rutherford 12, et que l&#39;épaisseur du film est d&#39;environ 36 nm. </li></ol></li><li> Croître une couche de ZnO par ALD. <ol><li> Maintenir la température du substrat à 120 ° C. </li><li> Cultivez ZnO avec 50 cycles ALD de DEZ-H 2 O. Note: L&#39;épaisseur du film de ZnO résultant est d&#39;environ 18 nm. </li></ol></li></ol> 8. dépôt de l&#39;oxyde conducteur transparent (TCO), Indium Tin Oxide (ITO) <ol><li> Couper ITO masques d&#39;ombre d&#39;un 0,024 &quot;feuille (610 um) en aluminium 6061 avec un cutter laser de laboratoire. Remarque: Les masques définissent 11 appareils rectangulaires qui sont 0,25 cm 2de taille plus un plus grand pad dans un coin qui est utilisé pour les mesures de réflectivité optique, voir figure 4. </li><li> Montez les dispositifs et les masques dans un dispositif d&#39;alignement de masque. Note: Ceci est une plaque d&#39;aluminium avec des poches imbriqués pour le substrat et des masques et des clips pour fixer les masques en place. </li><li> Dépôt ITO par pulvérisation magnétron réactive. <ol><li> Chauffer le substrat à environ 80 - 90 ° C et à permettre la rotation du substrat. </li><li> Utilisez une cible diamètre de ITO 2 pouces (In 2 O 3 / SnO 2 90/10 en poids.%, Pur à 99,99%) à 65 W de puissance RF pulvérisation avec 40 / 0,1 sccm Ar / O 2 flux de gaz à 4 mTorr pression totale. </li><li> Développer un film d&#39;ITO d&#39;épaisseur de 240 nm. Remarque: Avec ces paramètres, les taux de croissance de 0,5 A / sec et de feuille résistances dans la gamme 40 - 60 Ω / sq sont atteints. </li></ol></li></ol> 9. La métallisation <ol><li> Masques Cut métallisation fictifs de 127 um Austen un épaisfeuille d&#39;acier inoxydable itic. Remarque: Ces masques sont coupés avec + 10 / -5 tolérance um par une société commerciale. Le motif métallique se compose de 2 doigts séparés par 1,5 mm, chaque 7 mm de long, et un plot de contact 1 x 1 mm 2, voir figure 4. </li><li> Montez les dispositifs et les masques dans un dispositif d&#39;alignement de masque, comme dans l&#39;étape 8.2. </li><li> Ag-fort (pour les appareils TE) ou Ni / Al (pour les dispositifs ALD) par évaporation par faisceau d&#39;électrons. <ol><li> Montage masque d&#39;alignement sur la plaque de substrat d&#39;un système d&#39;évaporation des métaux par faisceau d&#39;électrons. Pompe jusqu&#39;à une pression de base inférieure à 1 x 10 -6 Torr. </li><li> Évaporer métal à un taux de 2 Å / sec. Dépôt de 500 épaisseur totale de métal nm. </li></ol></li></ol> Caractérisation 10. Device <ol><li> Effectuer courant-tension (&quot;J - V&quot;) des mesures sur tous les appareils de la lumière solaire sombre et dans AM1.5 simulé. <ol><li> Calibrer le simulateur solaire en recueillant J - V données from une cellule solaire au silicium calibrés et en ajustant la puissance de la lampe du simulateur solaire et de la hauteur jusqu&#39;à ce qu&#39;il atteigne la valeur du courant calibré pour AM1.5 insolation. </li><li> Contactez les appareils en mode à quatre fils en utilisant béryllium de cuivre doubles pointes de sonde à contacter à la fois le haut (anode, Ag ou Al) et en bas (cathode, Mo) couches. Contactez la couche inférieure par grattant les couches tampons et SNS avec une lame de scalpel. </li><li> la lumière de mesure et J sombres - les données V utilisant une source mètres par la tension de l&#39;approvisionnement et de mesure de courant. Remarque: Les périphériques sont généralement mesurés dans la plage de ± 0,5 V. Les appareils ne sont pas sensibles à la direction ou le taux des balayages de tension. Pour les tests de routine une ouverture lumineuse zone définissant est pas utilisé, voir la section de discussion pour plus de détails. </li></ol></li><li> Effectuer rendement quantique externe (EEQ) des mesures sur tous les appareils, avec la lumière variable et tension de polarisation. <ol><li> Calibrer le système de EEQ en mesurant la response d&#39;un étalonnage photodiode Si. Remarque: Le logiciel compare ces données à des mesures effectuées à une norme NIST soutenu pour ajuster le niveau de luminosité en conséquence. </li><li> Contactez les appareils utilisant la méthode à quatre fils, comme dans l&#39;étape 10.1.2. </li><li> Mesurer EQE aide d&#39;un système commercial qui éclaire l&#39;échantillon avec une lumière monochromatique haché à 100 Hz sur une plage de longueur d&#39;onde de 270 nm et 1 100 mesure le courant qui en résulte. Effectuer cette mesure conformément à la procédure d&#39;exploitation standard du fabricant. </li><li> Répéter la mesure de EEQ à tension variable et le biais de la lumière blanche. Utiliser un SourceMeter à fournir la polarisation de tension, et une lampe à halogène à fournir la polarisation de la lumière. Mesurer dispositifs à la fois avant et arrière tension de polarisation, et sous une intensité variable de la lumière blanche jusqu&#39;à ~ 1 Suns. </li><li> Mesurer réflectance optique (% R) de la surface supérieure ITO aide d&#39;un spectrophotomètre avec une sphère d&#39;intégration afin de convertir extérieur vers l&#39;intérieurrendement quantique (IQE). Effectuer cette mesure conformément à la procédure d&#39;exploitation standard du fabricant. </li></ol></li></ol>

<ol>
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Les auteurs ont rien à révéler.

Substrat sélection nettoyage Si plaquettes oxydées sont utilisés comme substrats. Les substrats sont le support mécanique pour les cellules solaires résultantes, et leurs propriétés électriques ne sont pas importants. Des tranches de Si sont préférés au verre parce tranches de Si achetés dans le commerce sont généralement plus propres que des plaquettes de verre achetés dans le commerce, et cela fait gagner du temps dans le nettoyage de substrat. Si substrats ...

Photovoltaïque en couches minces (PV) continuent de susciter l&#39;intérêt et l&#39;activité de recherche significative. Cependant, l&#39;économie de marché de PV se déplacent rapidement et de développer un succès commercial PV en couches minces est devenu une perspective plus difficile. avantages de coût de fabrication plus de technologies à base de gaufrette ne peuvent plus être pris pour acquis, et améliorer à la fois l&#39;efficacité et le coût doivent être recherchées sur un pied d&#39;égalité. 1,2 À la lumière de cette réalité, nous avons choisi de développer SnS comme un matériau absorbant pour PV mince film. SnS présente des avantages pratiques intrinsèques qui pourraient se traduire par un faible coût de fabrication. Si des rendements élevés peuvent être démontrés, il pourrait être considéré comme un remplacement de drop-in pour CdTe commerciale film mince PV. Ici, le procédé de fabrication des cellules solaires fiche SnS récemment rapportés est démontrée. Nous nous concentrons sur les aspects pratiques tels que le choix du substrat, des conditions de dépôt, mise en page de l&#39;appareil, et les protocoles de mesure. SnS est composé d&#39;éléments non toxiques, Terre-abondants et bon marché (étain et de soufre). SnS est un semi-conducteur solide (nom de minéral Herzenbergite) inerte et insoluble avec une bande interdite indirecte de 1,1 eV, l&#39;absorption de la lumière forte pour les photons avec une énergie supérieure à 1,4 eV (α&gt; 10 4 cm -1), et intrinsèque conductivité p de type avec une concentration de support dans la gamme 15 octobre-17 octobre cm -3 3 - 7. Surtout, SnS évapore congruente et est en phase stable jusqu&#39;à 600 ° C 8,9 Cela signifie que SnS peut être déposé par évaporation thermique (TE) et sa haute. cousine -speed, la sublimation de l&#39;espace fermé (CSS), comme il est employé dans la fabrication de cellules solaires au CdTe. Cela signifie également que SnS contrôle de phase est beaucoup plus simple que la plupart des matériaux films photovoltaïques minces, y compris notamment Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) et Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Par conséquent, des cellules efficacité se présente comme le principal obstacle à la commercialisation de SnS PV, et SNS pourrait être considéré comme un remplacement de la halte-accueil pour CdTe fois des rendements élevés sont démontrés à l&#39;échelle du laboratoire. Cependant cette barrière de l&#39;efficacité ne peut être surestimée. Nous estimons que l&#39;efficacité d&#39;enregistrement doit augmenter par un facteur de quatre, à partir de ~ 4% à environ 15%, afin de stimuler le développement commercial. Le développement d&#39;une croissance SnS que solution de remplacement pour CdTe exigera également de SnS haute qualité des films minces par CSS, et le développement d&#39;un matériau de type n partenaire sur lequel on peut cultiver SnS directement. Ci-dessous est décrite la procédure étape par étape pour la fabrication de disques SnS cellules solaires en utilisant deux techniques de dépôt différentes, dépôt de couches atomiques (ALD) et TE. ALD est une méthode de croissance lente, mais à ce jour a donné les dispositifs d&#39;efficacité les plus élevés. TE est plus rapide et industriellement évolutive, mais accuse ALD dans l&#39;efficacité. En plus des différentes méthodes de dépôt SNS, le TEet des cellules solaires ALD diffèrent légèrement dans le recuit, la passivation de surface et les étapes de métallisation. Les étapes de fabrication du dispositif sont énumérés sur la figure 1. Après avoir décrit la procédure, les résultats des tests pour les dispositifs de disques certifiés et les échantillons connexes sont présentés. Les résultats records ont été rapportés précédemment. Ici, l&#39;accent est sur la diffusion des résultats d&#39;un essai typique de traitement.

<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

Le sulfure d&#39;étain (SnS) est un matériau absorbeur d&#39;candidat pour des cellules solaires Terre-abondantes, non-toxiques. SnS offre un contrôle de phase facile et une croissance rapide par évaporation thermique congruent, et il absorbe fortement la lumière visible. Cependant, pendant longtemps le record de conversion de puissance efficacité des cellules solaires SnS est resté en dessous de 2%. Récemment, nous avons démontré l&#39;efficacité de nouveaux records certifiés de 4,36% à l&#39;aide de SnS déposés par dépôt de couches atomiques, et 3,88% en utilisant l&#39;évaporation thermique. Voici la procédure de fabrication de ces cellules solaires records est décrite, et la distribution statistique du processus de fabrication est rapporté. L&#39;écart-type de l&#39;efficacité mesurée sur un seul substrat est typiquement supérieure à 0,5%. Toutes les étapes y compris la sélection et le nettoyage substrat, Mo pulvérisation cathodique pour le contact arrière (cathode), le dépôt SnS, le recuit, la passivation de surface, Zn (O, S) Sélection de la couche tampon et le dépôt, conducteur transparent (anode) dépôt, et la métallisation sont décrits. Sur chaque substrat nous fabriquons 11 appareils individuels, chacun avec zone active de 0,25 cm 2. En outre, un système pour les mesures à haut débit de courbes courant-tension sous la lumière solaire simulée, et la mesure du rendement quantique externe de partialité de lumière variable est décrite. Avec ce système, nous sommes capables de mesurer des ensembles de données complètes sur l&#39;ensemble des 11 appareils de manière automatisée et en un temps minimal. Ces résultats illustrent la valeur d&#39;étudier de grandes séries d&#39;échantillons, plutôt que de se concentrer étroitement sur les appareils les plus performants. Grands ensembles de données nous aident à distinguer et à remédier à des mécanismes de perte individuelles affectant nos appareils.

Dans les figures 6-8 résultats sont présentés pour deux &quot;de base&quot; des échantillons représentatifs TE-cultivées comme décrit ci-dessus. J Illumination - données de V pour ces deux échantillons est représentée sur la figure 6 Le premier échantillon (&quot;SnS140203F&quot;) a donné le dispositif avec une efficacité certifiée de 3,88% qui a été précédemment rapporté 9 distributions Représentant JV sont également indiqués...

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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%.

Faire Enregistrez-efficacité SnS cellules solaires par évaporation thermique et Atomic Layer Deposition

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 vues.  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.

La récolte de l&#39;énergie solaire au moyen de nanocristaux de charge de séparation des solides et de leurs

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

Recherche

Ingénierie

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.

Fabrication de nano-oxydes conducteurs transparents conçus par ablation laser

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.

Intégration de la Lumière de piégeage argent Nanostructures dans hydrogénée microcristalline cellules solaires en silicium par impression par transfert

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.

Croissance sans pépins de Bismuth Nanowire tableau par évaporation thermique sous vide

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.

Fabrication d&#39;impression de gros hétérojonction cellules solaires et<em&gt; In Situ</em&gt; Morphologie Caractérisation

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.

Monovalents Cation dopage du CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PbI<sub&gt; 3</sub&gt; Pour Efficient cellules solaires perovskite

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 Suivi de la dégradation de Performance accélérée des cellules et Modules solaires : une étude de cas pour les cellules solaires 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 alignées verticalement orienté ZnO nanotige tableaux et leur Application en inversé petite molécule Solar Cells

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.

Production de Single Tracks de Ti-6Al-4V par le dépôt d’énergie dirigée pour déterminer l’épaisseur de la couche pour les dépôts multicouches

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.

Dépôt de couches atomiques du dioxyde de Vanadium et un modèle optique dépend de la température

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 ...