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Method Article
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%.
주석 설파이드 (SNS)는 지구 풍부한 무독성 태양 전지 후보 흡수 재료이다. SNS 쉽게 위상 제어와 일치하는 열 증발에 의한 급속한 성장을 제공하며, 가시광을 강하게 흡수한다. 그러나, 장시간 SNS 태양 전지의 기록 전력 변환 효율은 2 % 이하로 유지되었다. 최근 우리는 원자 층 증착에 의해 증착 SNS 4.36 %를 사용하여 새로운 인증 레코드 효율성을 입증하고, 3.88 %의 열 증발을 이용하여. 여기서이 레코드 태양 전지의 제조 과정을 설명하고, 제조 공정의 통계적 분포가보고된다. 단일 기판상에서 측정 효율의 표준 편차는 일반적으로 0.5 % 이상이다. 기판의 선택 및 클리닝을 포함한 모든 단계를, MO 설명한다 후방 접촉 (음극), SNS 증착, 열처리, 표면 패시베이션, 아연 (O, S) 버퍼층의 선택 및 증착, 투명도 전막 (양극) 증착하고, 금속 증 스퍼터링. 각각의 기판에 우리는 활성 영역 0.25 cm 2 (11) 개별 장치, 각각 제작. 또한, 모의 태양 광 하에서 전류 - 전압 곡선의 높은 처리량 측정 및 가변 광 바이어스와 외부 양자 효율 측정을위한 시스템이 설명된다. 이 시스템을 우리는 자동화 된 방식으로 최소의 시간에 11 개 장치에 대한 전체 데이터 세트를 측정 할 수 있습니다. 이러한 결과는 많은 샘플 세트를 연구보다는 높은 성능 장치에 좁게 초점 값을 나타낸다. 대형 데이터 세트를 구별하고 우리의 장치에 영향을 미치는 개별 손실 메커니즘을 해결하는 데 도움이.
박막 태양 전지 (PV)의 관심과 의미있는 연구 활동을 유치하는 것을 계속한다. 그러나, 태양 광 발전 시장의 경제가 빠르게 변화하고 상업적으로 성공 박막 태양 광을 개발하고보다 도전적인 전망되고있다. 동등한 웨이퍼 기반 기술을 통해 제조 비용 이점이 더 이상 당연시 할 수 없다, 모두 효율성 및 비용 개선이 모색되어야한다. 1, 2를 우리가 흡수 재료로 SNS를 개발하기 위해 선택한이 현실에 비추어 박막 태양 광 발전. SNS는 낮은 제조 비용으로 번역 할 수있는 고유의 실용적인 장점이있다. 높은 효율을 입증 할 수 있다면, 그것은 상업 박막 태양 광 발전에서의 CdTe위한 드롭 인 (drop-in) 교체로 간주 될 수 있습니다. 여기서, 최근에보고 레코드 SNS 태양 전지 제조 과정은 설명된다. 우리는, 기판의 선택, 증착 조건, 장치 레이아웃, 및 측정 프로토콜과 같은 실용적인 측면에 초점을 맞춘다.
SNS는, 비 독성 지구 풍부하고 저렴한 요소 (주석 및 황)로 구성되어있다. SNS는 1.1 eV의의 간접 밴드 갭과 불활성 불용성 반도체 고체 (광물 이름 Herzenbergite)이며, 1.4 eV의 위의 에너지와 광자에 대한 강한 빛의 흡수 (α> 10 4cm-1) 및 캐리어 농도와 고유 P의 형 전도도 범위 10월 15일에서 10월 17일까지 cm -3 3 -. 중요한 7, SNS는 congruently 증발 및 600 ℃에서 최대 위상 안정 8,9이 SNS는 열 증발 (TE) 및 그 높이에 의해 증착 될 수 있다는 것을 의미한다. 의 CdTe 태양 전지의 제조에 사용되는 것처럼 속단 사촌 승화 폐쇄 공간 (CSS). 또한 SNS 위상 제어가 특히 구리 (에서, GA) (S, Se를) 2 (CIGS) 및 Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS)을 포함, 대부분의 박막 태양 광 발전 재료보다 훨씬 단순하다 것을 의미한다. 따라서, 셀 EFFICIENCY는 SNS 태양 광 발전의 상용화에 주요 장벽으로 의미하고, SNS는 한 번 높은 효율은 실험실 규모에서 시연되는의 CdTe위한 드롭 인 (drop-in) 교체 간주 될 수 있습니다. 그러나이 효율 장벽은 아무리 강조해도 지나치지 않을 것입니다. 우리는 기록 효율 상업적인 발전을 촉진하기 위해, 4 % ~ 행에서 4 배에 의해 15 % 증가 할 것으로 예상한다. CSS에 의한 고품질의 박막 SNS의 드롭의 CdTe 교체도 필요로 성장하고, SNS 직접 성장 될 수있는 N 형의 상대 재료의 개발과 같은 SNS 개발.
다음은 두 개의 다른 증착 기법, 원자 층 증착 (ALD)과 TE를 사용하여 기록을 SNS 태양 전지를 제조하기위한 절차를 단계별로 설명한다. ALD는 느린 성장 법이지만 - 날짜 최고 효율 장치를 산출했다. TE는 빠르고 확장 성이 산업이지만, 효율 ALD를 지연. , TE 다른 SNS 증착법 이외에ALD 및 태양 전지는 소둔, 표면 보호막, 및 금속 화 단계에서 약간 다르다. 장치의 제조 단계는도 1에 열거되어있다.
절차를 설명하면, 인증 된 기록 장치 및 관련 샘플에 대한 시험 결과를 제시한다. 기록 된 결과는 이전에보고 된 바있다. 여기서 초점은 일반적인 처리 실행에 대한 결과의 분포에 있습니다.
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1. 기판 선택 및 절단
2. 기판 청소
3. 모 스퍼터링
4. SNS 증착
주 : ALD 증착 기술이 서브 섹션 4.1에 설명하고, TE 증착이 서브 섹션 4.2에 기재되어있다. ALD 증착 시스템은도 2에 도시되고, TE 증착 시스템은도 3에 도시된다.
5. SNS 소둔
참고 :이 단계는 ALD 및 TE 태양 전지 약간 다르게 수행됩니다. ALD 태양 전지를위한 어닐링 과정은 서브 섹션 5.1에 설명하고, TE 태양 전지 절차는 서브 섹션 5.2에 기재되어있다. 열처리의 목적은 토론 섹션에서 논의된다.
자연 산화물 6. SNS 표면 패시베이션
참고 :이 단계는 ALD 및 TE 태양 전지 약간 다르게 수행됩니다. 서브 섹션 6.1에서 ALD 태양 전지 표면 패시베이션 절차를 설명하고, TE 태양 전지 절차는 서브 섹션에서 설명하는6.2. 이 단계의 기능은 더 토론 섹션에서 설명합니다.
7. Zn을 증착 (O, S) / ZnO의 버퍼층
주의 :이 단계는 ALD에 의해 SNS 성장에 사용되는 것과 동일한 ALD 챔버에서 수행된다.
투명 전도성 산화물의 8. 증착 (TCO), 인듐 주석 산화물 (ITO)
9. 금속 화
10. 장치 특성
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상술 한 바와 같이 그림에 6-8 결과는 두 대표 "기준"TE-성장 샘플 표시됩니다. 조명 J -이 두 샘플에 대한 V 데이터는 그림 6에 도시된다 첫 번째 샘플 ( "SnS140203F")는 이전에보고 된 3.88 %의 인증 효율 장치를 굴복 9 대표적인 합작 분포는 각 샘플에 대해 표시됩니다... 주어진 바이어스 전압에 대해, 이러한 분포는 다음과 같이 계산?...
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기판의 선택 청소
산화 된 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용된다. 기판은 그 결과 태양 전지에 대한 기계적 지원하고, 그들의 전기적 특성은 중요하지 않습니다. 상업적으로 구입 된 Si 웨이퍼를 구입 한 상업적으로 유리 웨이퍼보다 일반적으로 청소기 때문에 실리콘 웨이퍼는 유리에 바람직하고,이 기판 세정 시간을 저장한다. 또한 Si의 성장 및 어닐링 동안보다 ?...
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저자가 공개하는 게 없다.
저자는 인증을 합작 측정을 위해 국립 신 재생 에너지 연구소 (NREL)에서 폴 Ciszek과 키스 에머리에게 감사의 말씀을, 라일리 브란트 (MIT) 광전자 분광 측정 및 가설 테스트 섹션에 대한 영감을 제프 카터 (ASU). 이 작품은 부여 02.20.MC11에서 보쉬 에너지 연구 네트워크를 통해 계약 DE-EE0005329에서 SunShot 이니셔티브를 통해 미국 에너지 부에 의해 로버트 보쉬 LLC에 의해 지원됩니다. V. 스타 인, R. 자라 밀로 및 K. 하트 맨의 지원, 각각 알렉산더 폰 훔볼트 재단, DOE EERE 박사후 연구 상, 인텔 박사 친목을 인정합니다. 수상 ECS-0335765 아래에있는 국립 과학 재단 (National Science Foundation)에서 지원하는 하버드 대학의 나노 시스템 센터의이 작품 만들어 사용.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Quartz wafer carrier | AM Quartz, Gainesville, TX | bespoke design | |
Sputtering system | PVD Products | High vacuum sputtering system with load lock | |
4% H2S in N2 | Airgas Inc. | X02NI96C33A5626 | |
99.5% H2S | Matheson Trigas | G1540250 | |
SnS powder | Sigma Aldrich | 741000-5G | |
Effusion cell | Veeco | 35-LT | Low temperature, single filament effusion cell |
diethylzinc (Zn(C2H5)2) | Strem Chemicals | 93-3030 | |
Laser cutter | Electrox | Scorpian G2 | Used for ITO shadow masks |
ITO sputtering target (In2O3/SnO2 90/10 wt.%, 99.99% pure) | Kurt J. Lesker | EJTITOX402A4 | |
Metallization shadow masks | MicroConnex | bespoke design | |
Electron Beam Evaporator | Denton | High vacuum metals evaporator with load-lock | |
AM1.5 solar simulator | Newport Oriel | 91194 | 1,300 W Xe-lamp using an AM1.5G filter |
Spectrophotometer | Perkin Elmer | Lambda 950 UV-Vis-NIR | 150 mm Spectralon-coated integrating sphere |
Calibrated Si solar cell | PV Measurements | BK-7 window glass | |
Double probe tips | Accuprobe | K1C8C1F | |
Souce-meter | Keithley | 2400 | |
Quantum efficiency measurement system | PV Measurements | QEX7 | |
Calibrated Si photodiode | PV Measurements | ||
High-throughput solar cell test station | PV Measurements | bespoke design | |
Inert pump oil | DuPont | Krytox | PFPE oil, grade 1514; vendor: Eastern Scientific |
H2S resistant elastomer o-rings | DuPont | Kalrez | compound 7075; vendor: Marco Rubber |
H2S resistant elastomer o-rings | Marco Rubber | Markez | compound Z1028 |
H2S resistant elastomer o-rings | Seals Eastern, Inc. | Aflas | vendor: Marco Rubber |
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