Gli autori desiderano ringraziare Paul Ciszek e Keith Emery dal National Renewable Energy Laboratory (NREL) per misure JV certificati, Riley Brandt (MIT) per photoelectron misure di spettroscopia, e Jeff Cotter (ASU) per l&#39;ispirazione per la sezione verifica di ipotesi. Questo lavoro è supportato dal Dipartimento dell&#39;Energia degli Stati Uniti attraverso l&#39;iniziativa SunShot sotto contratto DE-EE0005329, e da Robert Bosch LLC attraverso la Bosch Energy Research Network sotto concessione 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, e K. Hartman riconoscono il sostegno, la fondazione Alexander von Humboldt, una DOE EERE Postdoctoral Research Award, e Intel PhD Fellowship, rispettivamente. Questo uso lavoro fatto del Center for Nanoscale Sistemi dell&#39;Università di Harvard, che è sostenuto dalla National Science Foundation sotto award ECS-0.335.765.

1. Supporto di selezione e taglio <ol><li> Acquisto lucido wafer silicio con un ossido termico spessore. Per i dispositivi qui riportati, utilizzare 500 micron di spessore con un wafer nm 300 o ossido termico spessore. I criteri di selezione del substrato sono discussi nella sezione di discussione. </li><li> Spin rivestire il lato lucido di wafer con una tipica photoresist positivo (SPR 700 o PMMA A. 495) e cuocere morbido (30 sec a 100 ° C). Nota: Questo è uno strato protettivo per impedire danni o contaminazione durante la successiva fase di taglio. </li><li> Utilizzare una sega per tagliare il dado fetta in 1 &quot;× 1&quot; (25,4 x 25,4 millimetri 2) substrati quadrati. </li></ol> 2. Substrato di pulizia <ol><li> Rimuovere particolato e altri residui che derivano dalla fase di taglio utilizzando una pistola azoto compresso, seguito da un bagno ad ultrasuoni in (DI) acqua deionizzata per 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Rimuovere lo strato di resina fotosensibile con un ba ultrasuonith in acetone per 5 minuti a 45 - 60 ° C. </li><li> Pulire il substrato esposto con 3 successive bagni ad ultrasuoni, il tutto per 5 min a 45 - 60 ° C: acetone, etanolo, e alcol isopropilico. Terminare asciugatura con una pistola azoto compresso, mentre i substrati rimangono nel supporto di quarzo. </li></ol> 3. Mo Sputtering <ol><li> Caricare i puliti Si / SiO 2 substrati in un sistema di sputtering alto vuoto. Assicurarsi che la piastra di supporto è riscaldata e la rotazione del substrato è abilitato. Per i dispositivi qui riportati, processo in un sistema commerciale con le pistole magnetron inclinati con 2 &quot;obiettivi e una distanza di proiezione di circa 4&quot;. </li><li> Depositare il primo strato (lo strato di adesione) a pressione relativamente alta di fondo come 10 mTorr di Ar. Per i dispositivi qui riportati, processo con una potenza di 180 W sputtering (DC), che dà un tasso di crescita del 2,6 Å / sec, e un primo strato di Mo che è a 360 nm di spessore. </li><li> Depositare il secondostrato (strato conduttore) ad una pressione relativamente bassa di fondo come 2 mTorr di Ar. Utilizzare la stessa potenza sputtering del primo strato (180 W) e depositare lo stesso spessore. Nota: I dispositivi qui riportati hanno avuto un secondo strato di Mo che era 360 nm di spessore, uguale al primo strato. </li><li> Dopo la deposizione Mo, memorizzare i substrati sotto vuoto fino alla fase di deposizione SnS. </li></ol> 4. SnS Deposizione Nota: La tecnica di deposizione ALD è descritta al comma 4.1, e la deposizione TE è descritta nella sottosezione 4.2. Il sistema ALD deposizione è mostrato nella Figura 2, e il sistema di deposizione TE è mostrato in figura 3. <ol><li> Deposito SnS di ALD <ol><li> Prima di caricare nel reattore, mettere substrati Mo in un pulitore di ozono UV per 5 minuti per rimuovere le particelle organiche. Poi posizionare i substrati sulla porta substrato e inserire nella zona di deposizione. </li><li> Stabilizzare la tempe fornotura a 200 ° C prima di iniziare la deposizione. </li><li> Grow SnS film sottili dalla reazione di bis (N, N &#39;-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MEC (N -DPI) 2) 2, qui definito Sn (AMD) 2] e solfuro di idrogeno (H 2 S) 4. <ol><li> Mantenere la Sn (AMD) 2 precursore ad una temperatura costante di 95 ° C. Utilizzare puro N 2 gas per aiutare la consegna di Sn (AMD) 2 vapore dal contenitore nel forno per la zona di deposizione. Durante ogni ciclo ALD, fornitura di tre dosi di Sn (AMD) 2 precursore per l&#39;esposizione totale di 1.1 Torr secondo. </li><li> Utilizzare una miscela gassosa di 4% H 2 S in N 2 come fonte di zolfo. Assicurarsi che l&#39;esposizione al vapore di idrogeno solforato è di 1,5 Torr secondo per dose. Assicurarsi che la pressione parziale di H 2 S e la pressione totale di H 2 S in N 2 sono 0,76 Torr e 19 Torr, rispettivamente. </li></ol></li><li> Set tha tempo di pompaggio tra dose precursore Sn e H 2 S dosaggio sia solo 1 sec (breve rispetto alla maggior parte delle procedure convenzionali ALD) al fine di accelerare la deposizione. Nota: Poiché il precursore Sn non viene completamente rimosso da questo tempo di pompaggio breve, qualche precursore residuo Sn rimane quando l&#39;H 2 S arriva. Così il processo potrebbe essere descritto come un processo CVD pulsata. Il tasso di crescita di film di SNS è 0,33 Å / ciclo, o 0,04 Å / sec. </li></ol></li><li> Deposito SnS di TE <ol><li> Assicurarsi che la pressione della camera di processo è di 2 x 10 -7 Torr o inferiore. Substrati di carico nella camera attraverso la serratura carico. Tenere i substrati alla piastra con un singolo clip, o con un supporto substrato personalizzato con tasche opportunamente dimensionati che è avvitata alla piastra substrato. </li><li> Rampa la fonte e riscaldatori substrato ai loro valori di riferimento. Per il dispositivo qui riportato la temperatura del substrato è di 240 ° C e la velocità di crescita è 17; / sec; per ottenere questo tasso di crescita impostare la temperatura della sorgente nel range 550-610 ° C (le richieste fonte temperatura aumenta con il tempo per un solo carico di polvere di origine). Lo spessore del film di destinazione è di 1.000 nm. </li><li> Misurare velocità di deposizione utilizzando il monitor a cristalli di quarzo (QCM) prima e dopo la deposizione di film SnS muovendo il braccio QCM nella camera di processo. Per questa misurazione il substrato viene sollevato in modo che la QCM può essere spostato nella posizione di crescita substrato. Nota: il tasso di deposizione rimane abbastanza costante per tutto un tempo di deposizione di 3 ore (± 0,05 Å / sec deviazione). </li><li> Dopo la deposizione, trasferire i campioni indietro nella serratura carico prima sfiato all&#39;aria. Trasportare rapidamente i campioni attraverso l&#39;aria in deposito sia sotto vuoto o in atmosfera inerte portaoggetti prima della successiva fase di lavorazione. Nota: Il tempo di esposizione all&#39;aria tipico involontaria è di circa 3 minuti. Il tempo di conservazione tipico è tra un giorno e aweek. </li></ol></li></ol> 5. SnS ricottura Nota: Questa operazione viene eseguita in modo leggermente diverso per le celle solari ALD e TE. La procedura di ricottura per celle solari ALD è descritto al comma 5.1, e la procedura per le celle solari TE è descritta nella sottosezione 5.2. Lo scopo di ricottura è discusso nella sezione di discussione. <ol><li> Ricottura i ALD coltivati ​​SnS film in H 2 S gas. Nota: Questo passo viene eseguito nello stesso sistema utilizzato per la crescita ALD. <ol><li> Utilizzare puro H 2 S gas (99,5% puro) ad una portata di 40 sccm e pressione di 10 Torr. </li><li> Riscaldare il film SnS ad una temperatura di 400 ° C e mantenere per 1 ora in ambiente H 2 S gas. Assicurarsi che il gas sta fluendo in tutto il processo, tra cui la temperatura rampa su e giù. </li></ol></li><li> Ricottura film SnS TE-coltivate in gas H 2 S. Eseguire questo passaggio in un forno tubolare dedicato. <ol><li> Carica the campioni su una piastra di quarzo pulito e scorrevole nella regione hot-zone del forno. </li><li> Dopo il forno viene sigillato, spurgare tre volte con puro N 2 e consentire a pompare fino a pressione di base. </li><li> Stabilire flusso di gas a 100 sccm del 4% H 2 S a 28 Torr. </li><li> Rampa la temperatura a 400 ° C in 10 min. Tenere a 400 ° C per 1 ora, quindi consentire ai campioni di raffreddare senza assistenza nella vasca zona. Mantenere costante H 2 flusso e la pressione del gas S fino a quando i campioni raffreddare sotto i 60 ° C. Rimuovere i campioni e sia procedere immediatamente alla fase successiva, o metterli in deposito in un vano portaoggetti gas inerte. </li></ol></li></ol> 6. SnS passivazione della superficie con un ossido nativo Nota: Questa operazione viene eseguita in modo leggermente diverso per le celle solari ALD e TE. Nell&#39;Africa sub-paragrafo 6.1 la procedura passivazione della superficie per le celle solari ALD è descritto, e la procedura per le celle solari TE è descritta nella sottosezione6.2. La funzione di questa fase è ulteriormente discusso nella sezione di discussione. <ol><li> Per i campioni ALD coltivate, crescere un sottile strato di SnO 2 da ALD. Nota: Usiamo un reattore diverso da quello utilizzato per la crescita SnS. <ol><li> Grow SnO 2 dalla reazione di ammide ciclica di stagno [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ilidene) Sn (II)] e perossido di idrogeno (H 2 O 2). Conservare il ciclico precursore ammide stagno in stufa a 43 ° C, e l&#39;H 2 O 2 in un gorgogliatore a RT. </li><li> Mantenere la temperatura del substrato a 120 ° C per la deposizione. </li><li> Esporre il precursore stagno e H 2 O 2 utilizzando 0,33 e 1,5 Torr secondo per ciclo, rispettivamente, per un totale di 5 cicli. Verificare che lo spessore del risultante SnO 2 è di 0,6 0,7 nm, come misurato mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) analisi 10. </li></ol></li><li> Per i campioni TE-coltivate, formare un thin strato di SnO 2 di esposizione all&#39;aria. <ol><li> Esporre i campioni di aria ambiente di laboratorio per 24 ore. Verificare che lo spessore del risultante SnO 2 è di circa 0,5 nm, come misurato mediante analisi XPS. Nota: Il tipico RT è di 24 ± 1 ° C, e l&#39;umidità tipica è del 45% ± 13% (più alta in estate); per i dispositivi riportati qui, i valori erano 24,6 ° C e &lt;30%, rispettivamente. </li></ol></li></ol> 7. Deposizione della Zn (O, S) / strato ZnO Buffer Nota: Questa operazione viene eseguita nella stessa camera ALD che viene utilizzata per la crescita SnS da ALD. <ol><li> Crescere un Zn (O, S): N strato ALD. <ol><li> Mantenere la temperatura del substrato a 120 ° C. </li><li> Grow Zn (O, S): N dalla ALD dalla reazione di dietilzinco (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), acqua deionizzata (H 2 O), 4% H 2 S in N 2, e l&#39;ammoniaca (NH 3) 11. Conservare le contai gorgogliatorening DEZ a temperatura ambiente. Usare una sequenza del ciclo di [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, e ripetere questo ciclo eccellente 12 volte. Assicurarsi che l&#39;esposizione di ammoniaca è di 11 Torr secondo. </li><li> Verificare che il rapporto S / Zn nel film risultante è 0,14, misurata mediante spettroscopia Rutherford backscattering 12, e che lo spessore della pellicola è di circa 36 nm. </li></ol></li><li> Crescere uno strato ZnO da ALD. <ol><li> Mantenere la temperatura del substrato a 120 ° C. </li><li> Crescere ZnO con 50 cicli di ALD DEZ-H 2 O. Nota: Lo spessore del film di ZnO risultante è di circa 18 nm. </li></ol></li></ol> 8. Deposizione della ossido conduttore trasparente (TCO), Indium Tin Oxide (ITO) <ol><li> Tagliare ITO ombra maschere da un 0.024 &quot;(610 micron) 6061 fogli con un taglio laser di laboratorio. Nota: Le maschere definiscono 11 dispositivi rettangolari che sono 0,25 centimetri 2size e un pad più grande in un angolo che viene utilizzato per le misure di riflettività ottica, vedi figura 4. </li><li> Montare i dispositivi e le maschere in un assetto maschera. Nota: Si tratta di una piastra di alluminio con tasche nidificati per il substrato e maschere e clip per fissare le maschere a posto. </li><li> Deposito ITO da reattiva magnetron sputtering. <ol><li> Riscaldare il substrato di circa 80-90 ° C e abilitare la rotazione del substrato. </li><li> Utilizzare un bersaglio del diametro ITO 2 pollici (In 2 O 3 / SnO 2 90/10 in peso.%, 99,99% puro) a 65 W di potenza RF sputtering con Ar / O flusso 2 gas 40 / 0,1 SCCM a 4 mTorr pressione totale. </li><li> Crescere un film ITO spessa 240 nm. Nota: Con questi parametri, i tassi di crescita di 0,5 A / sec e foglio resistenze nel range 40 - 60 Ω / mq si ottengono. </li></ol></li></ol> 9. Metallizzazione <ol><li> Maschere Cut metallizzazione ombra di un 127 micron di spessore austenlamiera di acciaio inox ITIC. Nota: Queste maschere vengono tagliati con + 10 / -5 tolleranza micron da una società commerciale. Il modello di metallo composta da 2 dita separate da 1,5 millimetri, ogni lungo 7 mm e un contatto pad 1 x 1 mm 2, vedere Figura 4. </li><li> Montare i dispositivi e le maschere in un assetto maschera, come nel passo 8.2. </li><li> Deposito Ag (per dispositivi TE) o Ni / Al (per dispositivi ALD) per evaporazione a fascio elettronico. <ol><li> Mount maschera allineatore sulla piastra substrato di un sistema di metalli di evaporazione a fascio di elettroni. Pompare fino ad una pressione di base al di sotto di 1 x 10 -6 Torr. </li><li> Far evaporare metallo ad una velocità di 2 Å / sec. Deposita 500 spessore del metallo totale nm. </li></ol></li></ol> Caratterizzazione 10. Dispositivo <ol><li> Eseguire corrente-tensione (&quot;J - V&quot;) misurazioni su tutti i dispositivi alla luce solare buio e in AM1.5 simulato. <ol><li> Calibrare il simulatore solare attraverso la raccolta di J - dati V from una cella solare di silicio calibrata e regolando la potenza della lampada simulatore solare ed altezza fino a raggiungere il valore corrente tarati per AM1.5 insolazione. </li><li> Contattare i dispositivi in ​​modalità a quattro fili utilizzando berillio rame doppie punte delle sonde di contattare sia l&#39;alto (anodo, Ag o Al) e inferiore (catodo, Mo) strati. Contatta lo strato inferiore graffiando via gli strati di buffer e SnS con una lama di bisturi. </li><li> Luce Misurare e J scuri - dati V utilizzando una sorgente di metri da una tensione di sourcing e la corrente di misura. Nota: I dispositivi sono normalmente misurati all&#39;interno dell&#39;intervallo ± 0,5 V. I dispositivi non sono sensibili alla direzione o la velocità delle scansioni di tensione. Per i test di routine un&#39;apertura area light-definizione non viene utilizzato, vedere la sezione di discussione per ulteriori dettagli. </li></ol></li><li> Eseguire efficienza quantica esterna (EQE) misure su tutti i dispositivi, con la luce variabile e tensione di polarizzazione. <ol><li> Calibrare il sistema EQE misurando la respoNSE un fotodiodo calibrazione Si. Nota: Il software confronta questi dati alle misurazioni effettuate con uno standard NIST garantiti per regolare il livello di luce di conseguenza. </li><li> Contattare i dispositivi che utilizzano il metodo a quattro fili, come al punto 10.1.2. </li><li> Misurare EQE utilizzando un sistema commerciale che illumina il campione con luce monocromatica tritato a 100 Hz in un intervallo di lunghezza d&#39;onda di 270 nm e 1100 misura la corrente risultante. Eseguire questa misurazione secondo procedura operativa standard del produttore. </li><li> Ripetere la misura EQE con tensione variabile e la polarizzazione della luce bianca. Utilizzare un SourceMeter per fornire la tensione di polarizzazione, e una lampada alogena per fornire la polarizzazione della luce. Misurare i dispositivi sia in avanti che in retromarcia tensione di polarizzazione, e sotto la variabile intensità della luce bianca fino a ~ 1 Suns. </li><li> Misurare riflettanza ottica (% R) della superficie superiore ITO utilizzando uno spettrofotometro con una sfera di integrazione per convertire dall&#39;esterno all&#39;internoefficienza quantica (IQE). Eseguire questa misurazione secondo procedura operativa standard del produttore. </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>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Substrato pulizia selezione Wafer di Si ossidati sono utilizzati come substrati. I substrati sono il supporto meccanico per le celle solari risultanti, e le loro proprietà elettriche non sono importanti. Wafer di Si sono preferiti al vetro perché wafer di silicio commercialmente acquistati sono in genere più pulito di wafer di vetro commerciali acquistati, e questo consente di risparmiare tempo nella pulizia del substrato. Si substrati devono anche alta conducibilità ter...

Il fotovoltaico a film sottile (PV) continuano ad attrarre l&#39;interesse e notevole attività di ricerca. Tuttavia, l&#39;economia del mercato fotovoltaico si stanno spostando rapidamente e in via di sviluppo di successo commerciale fotovoltaico a film sottile è diventata una prospettiva più impegnativo. Vantaggi di costo di produzione rispetto alle tecnologie basate su wafer non possono più essere dato per scontato, e vanno ricercate miglioramenti in efficienza e costi su un piano di parità. 1,2 Alla luce di questa realtà abbiamo scelto di sviluppare SnS come materiale assorbente per fotovoltaico a film sottile. SnS ha vantaggi pratici intrinseci che potrebbero tradursi in basso costo di produzione. Se elevati rendimenti possono essere dimostrati, potrebbe essere considerato come una sostituzione drop-in per CdTe in commerciale fotovoltaico a film sottile. Qui, la procedura di fabbricazione per la cronaca SnS celle solari recentemente segnalati è dimostrata. Ci concentriamo sugli aspetti pratici quali la scelta del substrato, condizioni di deposizione, il layout del dispositivo, e protocolli di misura. SnS è composto da elementi non tossici, Terra abbondanti e poco costoso (stagno e zolfo). SNS è un semiconduttore solido (nome minerale Herzenbergite) inerte ed insolubile con un bandgap indiretta di 1,1 eV, forte assorbimento della luce per fotoni con energia sopra 1,4 eV (α&gt; 10 4 cm -1), e intrinseco conducibilità p tipo di concentrazione dei portatori nell&#39;intervallo 15 ottobre-17 ottobre cm 3 3 -. 7 Importante, SnS evapora congruente ed è fase stabile fino a 600 ° C 8,9 Ciò significa che SnS può essere depositato per evaporazione termica (TE) e la sua alta. cugino -speed, sublimazione spazio chiuso (CSS), come impiegato nella fabbricazione di celle solari CdTe. Significa anche che il controllo di fase SnS è molto più semplice rispetto alla maggior parte dei materiali fotovoltaici a film sottile, che prevedono in particolare Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) e Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Pertanto, ef cellularecienza si pone come il maggiore ostacolo alla commercializzazione di SnS PV, e SnS potrebbe essere considerato un rimpiazzo per CdTe una volta elevati rendimenti sono dimostrate alla scala di laboratorio. Tuttavia questa barriera efficienza non può essere sopravvalutata. Si stima che l&#39;efficienza record deve aumentare di un fattore di quattro, dal ~ 4% al ~ 15%, al fine di stimolare lo sviluppo commerciale. Sviluppare SnS come crescita richiederà anche rimpiazzo per CdTe di SnS alta qualità film sottili da CSS, e lo sviluppo di un materiale socio n tipo su cui SnS possono essere coltivate direttamente. Di seguito viene descritta la procedura passo-passo per la realizzazione di celle solari SnS registrare utilizzando due diverse tecniche di deposizione, deposizione di strati atomici (ALD) e TE. ALD è un metodo di crescita lenta ma aggiornata ha prodotto i più alti dispositivi di efficienza. TE è più veloce e scalabile industrialmente, ma ritardi ALD in efficienza. Oltre ai diversi metodi di deposizione SnS, il TEe celle solari ALD divergenti nella ricottura, passivazione della superficie, e passi di metallizzazione. Le fasi di fabbricazione del dispositivo sono elencate in Figura 1. Dopo aver descritto la procedura, i risultati dei test per i dispositivi di registrazione certificati e campioni correlati sono presentati. I risultati record sono stati segnalati in precedenza. Qui l&#39;attenzione è rivolta alla diffusione dei risultati di una tipica corsa di elaborazione.

<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

Tin solfuro (SNS) è un materiale assorbente candidato per la Terra-abbondanti celle solari non tossici,. SnS offre un controllo di fase semplice e rapida crescita da congruenti evaporazione termica, ed assorbe la luce visibile fortemente. Tuttavia, per lungo tempo l&#39;efficienza di conversione di potenza record di celle solari SnS rimasto inferiore al 2%. Recentemente abbiamo dimostrato nuovi livelli di efficienza record di certificati di 4,36% con SnS depositati da deposizione di strati atomici, e 3,88% con evaporazione termica. Qui il procedimento di fabbricazione per queste celle solari registrazione è descritto, e la distribuzione statistica del processo di fabbricazione viene segnalato. La deviazione standard di efficienza misurata su un unico substrato è tipicamente superiore a 0,5%. Tutte le fasi tra cui la selezione del substrato e la pulizia, Mo sputtering per il contatto posteriore (catodo), SnS deposizione, ricottura, passivazione della superficie, Zn (O, S) Selezione strato intermedio e la deposizione, conduttore trasparente (anodo) di deposizione, e metallizzazione sono descritti. Su ogni substrato fabbrichiamo 11 dispositivi individuali, ciascuno con area attiva 0,25 centimetri 2. Inoltre, un sistema per la misurazione di throughput elevato di curve corrente-tensione sotto la luce solare simulata, e la misurazione efficienza quantica esterna con polarizzazione variabile della luce viene descritta. Con questo sistema siamo in grado di misurare insiemi di dati completi su tutti i dispositivi 11 in modo automatico e in tempo minimo. Questi risultati illustrano il valore dello studio di grandi serie di campioni, piuttosto che concentrarsi strettamente sui più alti dispositivi performanti. Grandi insiemi di dati ci aiutano a distinguere e risolvere i singoli meccanismi di perdita che interessano i nostri dispositivi.

Nelle figure 6-8 risultati sono illustrati due rappresentativi &quot;base&quot; campioni TE-coltivate come descritto sopra. Illuminato J - dati V per questi due campioni è tracciata in figura 6 Il primo campione (&quot;SnS140203F&quot;), ha prodotto il dispositivo con efficienza certificata del 3,88% che è stato segnalato in precedenza 9 distribuzioni Rappresentante JV sono indicate anche per ogni campione... Per una data tensione di polarizzazion...

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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%.

Rendere record efficienza SnS celle solari per evaporazione termica e 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 Views.  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.

Raccolta di energia solare per mezzo di separatori di carica-nanocristalli e loro Solidi

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

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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.

Fabbricazione di nano-ingegneria trasparenti Ossidi Conducting da 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, ...

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.

Integrazione di luce Trapping Argento Nanostrutture in silicio microcristallino idrogenato celle solari tramite bonifico stampa

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.

Crescita senza semi di bismuto Nanowire Array via Vacuum evaporazione termica

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 stampa Fabbricazione di massa eterogiunzione celle solari e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caratterizzazione

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.

Cationi monovalenti doping di CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; Per efficienti celle solari 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 Monitoraggio del degrado prestazioni accelerate di celle e moduli solari: un caso di studio per le celle solari di 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%.

Ben allineati verticalmente orientato ZnO Nanorod matrici e la loro applicazione in invertito piccola molecola solare celle

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.

Produzione di singole tracce di Ti-6Al-4V per deposizione di energia diretta per determinare lo spessore di strato per deposizione multistrato

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.

Deposizione di strati atomici di diossido di vanadio e un modello ottico temperatura-dipendente

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 ...