著者らは、認定JV測定のため国立再生可能エネルギー研究所（NREL）からポールCiszekとキースエメリーに感謝したいと思い、ライリーブラント（MIT）光電子分光測定のため、と仮説試験部のためのインスピレーションのためのジェフ·コッター（ASU）。この作品は、付与02.20.MC11下ボッシュエネルギー研究ネットワークを介して契約DE-EE0005329下、およびロバート·ボッシュLLCによってSunShotイニシアティブを通じて、米国エネルギー省によってサポートされています。 V.シュタインマン、R. Jaramilloの、およびK.ハートマンは、アレクサンダー·フォン·フンボルト財団、それぞれDOE EEREポスドク研究賞、およびIntel博士号フェローシップ、のサポートを認めます。この作品は賞ECS-0335765の下で国立科学財団によってサポートされているハーバード大学のナノスケールシステムセンターを利用しました。

1。基板の選択および切断<ol><li>購入厚い熱酸化物とSiウエハを研磨します。ここで報告されたデバイスについては、300 nm以下厚い熱酸化物で厚さ500μmのウェーハを使用しています。基板の選択基準は、ディスカッションのセクションで説明されています。 </li><li>代表的なポジ型フォトレジスト（SPR 700またはPMMA A. 495）およびソフトベーク（100℃で30秒）をスピンコートウェーハの研磨面を。 注：これは、その後の切断工程時に損傷や汚染を防止するための保護層です。 </li><li> 1 &quot;×1&quot;（25.4 X 25.4ミリメートル2）の正方形基板にウエハーを切断するために、ダイソーを使用してください。 </li></ol> 2.基板洗浄<ol><li> 60°C - 45で5分​​間、脱イオン（DI）水中で超音波浴に続く圧縮窒素銃を使用して切断工程から生じる微粒子および他の残留物を除去。 </li><li>超音波BAにフォトレジスト層を除去60℃ - 45で5分​​間アセトン中番目。 </li><li>アセトン、エタノール、イソプロピルアルコール：60°C - 3以降の超音波風呂、45で5分​​間すべてと露出された基板をきれいにしてください。基板は石英キャリアに残っている間、圧縮窒素銃で乾燥させることによって終了します。 </li></ol> 3. Moのスパッタリング<ol><li>高真空スパッタ装置に清浄なSi /のSiO 2基板をロードします。基板プレートが非加熱であり、基板の回転が有効になっていることを確認してください。ここで報告されたデバイスの場合、2「ターゲットと約4の投写距離」と傾斜マグネトロン銃を持った商用システムでの処理。 </li><li>比較的高いバックグラウンド圧力のArのような10ミリトールで第1の層（接着層）を堆積させます。ここで報告されたデバイスについては、2.6オングストローム/秒の成長率、および360nmの厚さである第一のMo層を与える180 W（DC）のスパッタパワーを持つプロセス。 </li><li>第二の入金比較的低いバックグラウンド圧力のArのような2ミリトールで層（導電層）。第一層（180 W）と同じスパッタパワーを使用し、同じ厚さで堆積させます。 注：ここで報告デバイスは、第一層と同じ、厚い360 nmであった第二のMo層を有していました。 </li><li> Moの堆積の後、のSNS成膜工程まで真空下で基板を格納します。 </li></ol> 4.のSNS堆積注：ALD堆積技術は、サブセクション4.1に記載されており、TE堆積は、サブセクション4.2に記載されています。 ALD堆積システムを図2に示し、TE堆積システムは、 図3に示されています。 <ol><li> ALDによる預金のSnS <ol><li>反応器内にロードする前に、有機粒子を除去するために、5分間UVオゾンクリーナーでのMo基板を置きます。その後、基板ホルダーに基板を配置し、堆積ゾーンに挿入。 </li><li>炉テンペを安定させます堆積を開始する前に、200℃でrature。 </li><li>のSnSにビス（N、N &#39;-diisopropylacetamidinato） -錫（II）の反応から薄膜を成長[錫（MEC（N -iPr）2）2、Snの（AMD）としてここで呼ばれる2]、硫化水素（H 2 S）、4。 <ol><li> 95℃の一定温度でのSn（AMD）2前駆体を保管してください。堆積ゾーンにオーブンで容器からのSn（AMD）2蒸気の供給を支援するために、純粋なN 2ガ ​​スを使用してください。各ALDサイクルの間に、Snを供給3回投与（AMD）1.1トル秒の合計露光用2前駆体。 </li><li>硫黄源としてN 2中4％のH 2 Sの混合ガスを使用してください。硫化水素蒸気への曝露は、用量あたり1.5トル秒であることを確認してください。 H 2 Sの分圧とN 2中のH 2 Sの全圧は、それぞれ、0.76トルと19トルであることを確認します。 </li></ol></li><li>集合T彼は、Snの前駆体量と堆積速度を上げるためにわずか1秒（ほとんどの他の従来のALD手法に比べて短く）なるようにH 2 S量との間の時間をポンピング。 注：Snの前駆体は完全にこの短い励起時間によって除去されないため、H 2 Sが到着したときに、いくらかの残留錫前駆体が残っています。したがって、プロセスは、パルスCVDプロセスとして記述することができました。のSNS膜の成長速度は0.33Å/サイクル、または0.04オングストローム/秒です。 </li></ol></li><li> TEによる預金のSnS <ol><li>プロセスチャンバ圧力は2×10 -7 Torr以下であることを確認してください。ロードロックを介してチャンバ内に基板をロードします。単一のクリップで、または基板プレートにネジ止めされている適切なサイズのポケットを持つカスタム基板ホルダーのいずれかでプレートに基板を保持します。 </li><li>その設定値にソースと基板ヒータをランプアップします。装置は、基板温度が240°Cであり、ここで報告され、成長率が1の場合7; /秒; 610°C（源粉末の単一のロード時間と必要なソース温度が上昇） - 領域550のソース温度を設定し、この成長率を達成します。目標膜厚は1000nmです。 </li><li>プロセスチャンバ内にQCMアームを移動させることによってのSNS成膜前後の水晶モニタ（QCM）を使用して堆積速度を測定します。 QCMは、基板成長位置に移動させることができるように、この測定のために基板を上昇させます。 注：堆積速度は（0.05Å/秒の偏差±）3時間の堆積時間にわたってかなり一定のままです。 </li><li>堆積後、空気に通気する前に戻ってロードロックにサンプルを転送します。すぐに真空中または次の処理ステップの前に、不活性雰囲気グローブボックスのいずれかで貯蔵中に空気を介してサンプルを輸送します。 注：典型的な意図しない空気曝露時間は約3分です。典型的な保存時間は一日とAWとの間にありますEEK。 </li></ol></li></ol> 5.のSNSアニーリング注：このステップは、ALDおよびTE太陽電池に少し異なる方法で実行されています。 ALD太陽電池のアニーリング手順は、サブセクション5.1に記載されており、TE太陽電池のための手順は、サブセクション5.2に記載されています。アニーリングの目的は、ディスカッションのセクションで説明します。 <ol><li> H 2 Sガス中のALD成長のSNSフィルムをアニール。 注：このステップは、ALDの成長のために使用したのと同じ方式で行われます。 <ol><li> 10トールの40 SCCMと圧力の流量で純粋なH 2 Sガス（純度99.5％）を使用します。 </li><li> 400°Cの温度までのSNSフィルムを加熱し、H 2 Sガス環境中で1時間保持します。ガスが上下に傾斜温度など、プロセス全体を通して流れていることを確認してください。 </li></ol></li><li> H 2 Sガス中のTE-成長のSNSフィルムをアニール。専用のチューブ炉で、この手順を実行します。 <ol><li>ロード番目炉のホットゾーン領域にきれいな水晶板とスライド上に電子サンプル。 </li><li>炉を密封した後、純粋なN 2で3回パージし、ベース圧力までポンプダウンすることを可能にします。 </li><li> 28トールで4％のH 2 Sの100 SCCMでガスの流れを確立します。 </li><li> 10分かけて400℃まで温度をランプアップします。サンプルは、ホットゾーンで補助なし冷却することができ、その後、1時間400℃で保持します。サンプルは60℃以下に冷却されるまで一定のH 2 Sガスの流量と圧力を維持します。サンプルを削除して、いずれかの次のステップに進んですぐ、または不活性ガスグローブボックス内のストレージに入れます。 </li></ol></li></ol>ネイティブ酸化物と6のSNS表面パッシベーション注：このステップは、ALDおよびTE太陽電池に少し異なる方法で実行されています。サブセクション6.1でALD太陽電池用表面保護手順が記述され、TE太陽電池のための手順は、サブセクションに記載されています6.2。このステップの機能は、さらなる議論のセクションで説明します。 <ol><li> ALD-成長したサンプルについては、ALDでのSnO 2の薄層を成長させます。 注：私たちはのSNSの成長のために使用されるものとは異なる反応装置を使用しています。 <ol><li>スズの環状アミドとの反応によりたSnO 2を成長[（1,3-ビス（1,1-ジメチルエチル）-4,5-ジメチル- （4R、5R）-1,3,2-diazastannolidin -2-イリデン）錫（II）]と、過酸化水素（H 2 O 2）。 43℃のオーブン内で環状アミドスズ前駆体を保管し、そしてRTでバブラー中のH 2 O 2。 </li><li>堆積のための120℃の基板温度を維持します。 </li><li> 5サイクルの合計のために、それぞれ0.33およびサイクル当たり1.5トル秒を使用して、スズ前駆体とH 2 O 2を公開します。 X線光電子分光法（XPS）分析10によって測定されるように、得られたSnO 2の厚さは、0.6〜0.7 nmであることを確認してください。 </li></ol></li><li> TE-成長したサンプルの場合は、THIを形成大気暴露によるSnO 2をN層。 <ol><li> 24時間実験室周囲の空気にサンプルを公開します。 XPS分析によって測定されるように、得られたSnO 2の厚さは、約0.5 nmであることを確認してください。 注意：一般的なRTが24±1℃であり、典型的な湿度は45％±13％（夏に高い）です。ここで報告されたデバイスのために、値はそれぞれ24.6 Cおよび&lt;30％でした。 </li></ol></li></ol>のZn（O、S）/ ZnOのバッファ層7を堆積注：このステップでは、ALDによるのSNS成長のために使用されるのと同じALDチャンバ内で行われます。 <ol><li> ALDによるN層：亜鉛（O、S）を成長させます。 <ol><li> 120℃の基板温度を維持します。 </li><li>成長のZn（O、S）：ジエチル亜鉛の反応亜鉛（Zn（C 2 H 5）2、DEZ）、脱イオン水（H 2 O）、S 2 N 2中4％H、およびアンモニアからALDによるN（NH 3）11。バブラcontaiを保存RTで寧DEZ。のサイクルシーケンスを使用して、[DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1、このスーパーサイクルを12回繰り返します。アンモニアの露出が11トル秒であることを確認してください。 </li><li>ラザフォード後方散乱分光法12によって測定されるように得られたフィルム中のS / Znの比は、0.14であることを確認し、フィルムの厚さは約36 nmであること。 </li></ol></li><li> ALDによりZnO層を成長させます。 <ol><li> 120℃の基板温度を維持します。 </li><li> DEZ-H 2 Oの50 ALDサイクルでのZnOを成長させます 注：得られたZnO膜の厚さは約18 nmです。 </li></ol></li></ol>透明導電酸化物（TCO）、インジウムスズ酸化物（ITO）の8堆積<ol><li>実験用レーザーカッターを使用して、0.024 &quot;（610μm）のアルミニウム6061シートからITOのシャドウマスクをカットします。 注：マスクは0.25 cm 2である11長方形のデバイスを定義しますサイズと光反射率測定のために使用される一つの角が大きいパッドは、 図4を参照してください。 </li><li>マスクアライナ内のデバイスとマスクをマウントします。 注：これは、所定の位置にマスクを確保するために、ネストされた基板用ポケットやマスクやクリップでアルミ板です。 </li><li>反応性マグネトロンスパッタリングによりデポジットITO。 <ol><li>約80に基板を加熱 - 90℃と基板回転を可能にします。 </li><li> 4ミリトールの全圧のAr / O 2ガス流量SCCM 40 / 0.1と65 W、RFスパッタ電力で直径2インチのITOターゲット（2 O 3 / SnO 2の 90/10重量で。％、純度99.99％）を使用します。 </li><li> 240 nmのITO膜を成長させます。 注：これらのパラメータを使用すると、範囲の0.5オングストローム/秒、シート抵抗の成長率は40から60Ω/□が達成されます。 </li></ol></li></ol> 9.メタライゼーション<ol><li> 127ミクロンの厚さのオースティンからのメタライゼーションシャドウマスクをカットITICステンレス鋼板。 注：これらのマスクは、営利企業による+ 10 / -5μmの公差で切断されています。金属パターンは、1.5ミリメートルで区切られた2本の指、長い各7ミリメートルであり、x 1 mm 2のコンタクトパッドで構成され、 図4を参照してください。 </li><li>ステップ8.2のように、マスクアライナ内のデバイスとマスクをマウントします。 </li><li> （TEデバイスの場合）デポジットのAgまたはNi / Alの（ALDデバイスの場合）、電子ビーム蒸着により。 <ol><li>電子ビーム金属蒸着装置の基板プレート上にマウントマスクアライナ。 1×10 -6トール未満のベース圧力にポンプダウン。 </li><li> 2オングストローム/秒の速度で金属を蒸発させます。 500 nmの全金属の厚さを堆積。 </li></ol></li></ol> 10.デバイスの特性評価<ol><li>太陽の光をシミュレートし、暗所でとAM1.5内のすべてのデバイスの測定-電流-電圧（「V J」）を実行します。 <ol><li> Jを収集することによってソーラーシミュレータを校正- Vデータ FR較正されたシリコン太陽電池OMとAM1.5の日射のために較正された電流値に達するまで、ソーラシミュレータのランプ電力と高さを調整します。 </li><li>トップ（アノード、AgやAl）で、ボトム（カソードはMo）層の両方に接触するベリリウム銅ダブルプローブ·チップを使用して、4線式モードでデバイスにお問い合わせください。メスの刃でバッファやSNS層を離れてスクラッチすることにより底層にお問い合わせください。 </li><li>メジャー明暗J - Vデータソーシング電圧によってソースメータを使用し、電流を測定します。 注：デバイスは、典型的には0.5±範囲内で測定されたV.デバイスは、電圧スイープの方向や速度に応答しません。通常の試験のための領域を規定する光開口部が使用されていません、詳細については、議論のセクションを参照してください。 </li></ol></li><li>可変光と電圧バイアスで、すべてのデバイス上の外部量子効率（EQE）の測定を行います。 <ol><li> RESPOを測定することにより、EQEシステムのキャリブレーションSiの較正フォトダイオードのNSE。 注意：ソフトウェアは、それに応じて光レベルを調整するために、NIST担保規格に行われた測定に、このデータを比較します。 </li><li>ステップ10.1.2のように、4線式の方法を使用してデバイスにお問い合わせください。 </li><li> 270 1100ナノメートルの波長範囲にわたって100Hzでチョップ単色光を試料に照射し、結果として生じる電流を測定する商業的システムを使用して、EQEを測定します。メーカーの標準的な操作手順に従って、この測定を行います。 </li><li>可変電圧と白色光バイアスをEQE測定を繰り返します。光バイアスを供給するために電圧バイアスを供給するためのソースメータ、およびハロゲンランプを使用してください。前方の両方でデバイスを測定し、電圧バイアスを逆転し、〜1太陽までの可変白色光強度の下で。 </li><li>内部に外部変換するために積分球を分光光度計を使用してITOの上部表面の光反射率（％のR）を測定量子効率（IQE）。メーカーの標準的な操作手順に従って、この測定を行います。 </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>

著者らは、開示することは何もありません。

基板選択クリーニング 酸化されたSiウエハが基板として使用されています。基材は、得られる太陽電池の機械的支持体であり、その電気的特性は重要ではありません。市販Siウエハは、典型的には、市販のガラスウェーハよりもきれいであり、これは、基板の洗浄に時間を節約するため、Siウエハをガラスに好適です。 Siはまた、成長およびアニーリングの?...

薄膜太陽光発電（PV）は、関心と重要な研究活動を魅了し続けます。しかし、太陽光発電市場の経済は急速にシフトし、商業的に成功した薄膜PVを開発しているが、より困難な見通しとなっています。当然のウエハベースの技術を介して製造コストの優位性はもはや行われないことができ、効率化とコストの両方の改善が対等な立場で求められている必要があります。1,2このような現実を踏まえて、我々はのための吸収材料としてのSnSを開発することを選択しました薄膜PV。 SNSが低い製造コストにつながる可能性が本質的な実用上の利点があります。高い効率を示すことができる場合は、商用薄膜PVでのCdTeのドロップイン代替品として考えられます。ここでは、最近報告されたSnS記録太陽電池の製造手順が示されています。我々は、このような基板の選択、堆積条件、デバイスレイアウト、及び測定プロトコルなどの実用的な側面に焦点を当てます。 SNは、非毒性地球豊富で安価な要素（錫と硫黄）で構成されています。 SNSは1.1 eVでの間接的なバンドギャップを有する不活性、不溶性の半導体固体（鉱物名Herzenbergite）で、1.4 eVの上記のエネルギーを有する光子のための強力な光吸収（α&gt; 10 4 cm -1で）、およびキャリア濃度の内因性のp型の導電性範囲の10月15日から10月17日まで cm -3の3 -重要な7は 、SNSが合同蒸発し600℃までの相安定である8,9これは、たSnSは熱蒸発（TE）と高いによって堆積することができることを意味します。のCdTe太陽電池の製造に使用されているよう-speedいとこ、密閉空間昇華（CSS）。またのSNS位相制御は、特にたCu（In、Gaの）（S、SE）2（CIGS）及びCu 2 ZnSnS 4（CZTS）を含む、ほとんどの薄膜PV材料よりもはるかに単純であることを意味します。したがって、細胞EFFICIENCYはPVのSnSの商業化への一次障壁として立って、やSNSを一旦高い効率を実験室規模で実証されたCdTeのドロップイン置換と考えることができます。しかし、この効率の障壁は誇張することはできません。我々は、記録効率が商業開発を刺激するために、〜4％〜15％から、4倍に増加しなければならないと推定しています。ドロップインのCdTeの代替としてSNを開発することは、高品質のSNの成長CSSによる薄膜、およびSNSは直接成長させることができるその上のn型の相手材料の開発が必要になります。 以下は、2つの異なる堆積技術、原子層堆積（ALD）とTEを使用して、レコードのSnS太陽電池を製造するための段階的な手順について説明します。 ALDは、低成長法であるだけに、最新の高効率のデバイスをもたらしました。 TEは、より速く、工業的にスケーラブルであるが、効率がALDに遅れます。別のSNS堆積方法に加えて、TEとALD太陽電池は、アニール、表面パッシベーション、および金属化ステップで若干異なります。デバイスの製造工程を図1に列挙されています。 手順を説明した後、認定記録装置および関連するサンプルについての試験結果を示します。記録結果は、以前に報告されています。ここでの焦点は、典型的な処理の実行の結果の分布にあります。

<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

錫スルフィド（SNS）は、地球の豊富な、非毒性の太陽電池の候補吸収材料です。 SNSが合同熱蒸着によって容易位相制御と急速な成長を提供し、それが強く、可視光を吸収します。しかし、長時間のSnS太陽電池の記録パワー変換効率は2％未満のままでした。最近では、熱蒸着を用いた原子層堆積によって堆積のSnS、および3.88パーセントを使用して4.36パーセントの新しい認定記録効率を実証しました。ここでは、これらのレコードの太陽電池の製造手順を説明すると、製造プロセスの統計的分布が報告されています。単一の基板上で測定効率の標準偏差は、典型的には0.5％以上です。基質の選択および洗浄を含むすべてのステップは、Moが記載されているリアコンタクト（カソード）のSNS堆積、アニーリング、表面パッシベーションはZn（O、S）バッファ層の選択および堆積、透明導電体（陽極）の堆積、及び金属スパッタリング。各基板上に、我々は、アクティブ領域とそれぞれ0.25センチメートル2 11個々のデバイスを、製造します。また、模擬太陽光の下での電流 - 電圧曲線の高スループット測定、及び可変軽バイアスと外部量子効率測定のためのシステムが記載されています。このシステムでは、我々は、自動化された方法で、最小限の時間ですべての11のデバイスの完全なデータセットを測定することができます。これらの結果は、大規模なサンプルセットを勉強ではなく、最高のパフォーマンスデバイスに狭くフォーカスの値を示しています。大規模なデータセットは、私たちは私たちの機器に影響を与える個々の損失機構を区別し、改善するのに役立ちます。

上述したように図において6-8の結果は2つの代表的な「ベースライン」TE-成長したサンプルについて示されています。イルミネーションJ -これらの二つのサンプルに対するVデータを図6にプロットされた第1のサンプル（「SnS140203F」）は、以前に報告された3.88パーセントの認定された効率を有するデバイスをもたらした9代表JV分布<...

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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%.

熱蒸着および原子層堆積法によって記録し、効率のSnS太陽電池を作ります

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 ...

making-record-efficiency-sns-solar-cells-thermal-evaporation-atomic

Research

JoVE Journal

Engineering

42.6K ビュー.  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.

電荷分離ナノ結晶とその固体の手段によって太陽エネルギーを収穫

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

工学

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.

パルスレーザー蒸着法によるナノエンジニアリング透明導電性酸化物の作製

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.

転写印刷により水素化微結晶シリコン太陽電池の光トラッピング銀ナノ構造の統合

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.

真空熱蒸発によりビスマスナノワイヤーアレイの成長シードレス

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.

バルクヘテロ接合太陽電池の印刷作製と<em&gt;その場で</em&gt;形態キャラクタリゼーション

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.

CHの一価の陽イオンドーピング<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt;効率的なペロブスカイト太陽電池用

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.

その場で太陽電池とモジュールの加速劣化のモニタリング: Cu (In, Ga) Se2太陽電池に関するケーススタディ

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%.

整列垂直方向に配向 ZnO ナノロッド配列と反転小さな分子の太陽電池の応用

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.

多層成膜の層の厚さを決定する指向性エネルギー蒸着法による Ti 6al-4 v の単一トラックの生産

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.

二酸化バナジウムと温度依存性の光学モデルの原子層堆積法

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 ...