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.

1. 기판 선택 및 절단 <ol><li> 구매는 두꺼운 열 산화물과 실리콘 웨이퍼를 연마. 여기에보고 된 장치의 경우, 300 nm의 두꺼운 열 산화막 500 μm의 두께 웨이퍼를 사용합니다. 기판의 선택 기준은 토론 섹션에서 설명합니다. </li><li> 스핀 코트 일반적인 긍정적 인 포토 레지스트와 웨이퍼의 연마면 (SPR (700) 또는 PMMA A의 495) 및 소프트 베이크 (100 ℃에서 30 초). 주의 : 이것은 후속 절단 공정 동안 손상이나 오염을 방지하기 위해 보호 층이다. </li><li> 1 &quot;× 1&quot;(25.4 X 25.4 mm 2) 정사각형 기판에 웨이퍼를 잘라 다이 톱을 사용합니다. </li></ol> 2. 기판 청소 <ol><li> 60 ° C - (45)에서 5 분 동안 탈 이온화 (DI) 물에 초음파 욕 뒤에 압축 질소 총을 사용하는 단계를 절단 인한 분진 및 다른 잔류 물을 제거한다. </li><li> 초음파 BA와 포토 레지스트 층을 제거60 ° C의 - 45에서 5 분 동안 아세톤 일. </li><li> 아세톤, 에탄올, 이소 프로필 알코올 : 60 ° C의 - 5 45 분 동안 3 이후 초음파 화장실, 모두와 함께 노출 된 기판을 청소합니다. 기판은 석영 캐리어에 남아있는 동안, 압축 된 질소 총을 건조하여 마침. </li></ol> 3. 모 스퍼터링 <ol><li> 높은 진공 스퍼터링 시스템으로 깨끗한시 / 그런가 2 기판을로드합니다. 기판 플레이트 밖이며, 기판 회전이 활성화되어 있는지 확인합니다. 2 기울어 진 마그네트론 총을 가진 상용 시스템 &quot;목표와 약 4의 투사 거리&quot;에 여기에보고 장치, 처리하십시오. </li><li> 비교적 높은 배경 압력의 Ar 등의 10 mTorr 이하에 제 층 (접착층)을 입금. 360 nm의 두께가 2.6 Å / 초의 성장 속도를 제공 180 W의 스퍼터링 전력 (DC), 및 제 1 몰리브덴 층과 여기에보고 된 디바이스 프로세스에 대한. </li><li> 두 번째 입금비교적 낮은 배경 압력의 Ar 등의 2 mTorr 이하에서 층 (도전 층). 제 층 (180 W)와 동일한 스퍼터링 파워를 사용하고 동일한 두께로 증착. 주 : 여기에보고 장치가 제 층과 같은 360 nm 두께였다 제 몰리브덴 층을 가졌다. </li><li> Mo를 증착 한 후, SNS 증착 단계까지 진공 하에서 기판을 저장한다. </li></ol> 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. <ol><li> ALD에 의해 예금 SNS <ol><li> 반응기에 넣기 전에, 유기 입자를 제거하기 위해 5 분 동안 UV 오존 클리너에 몰리브덴 기판을 넣어. 그 다음, 기판 홀더 상에 기판을 배치하고 증착 지역에 삽입. </li><li> 노 템피 안정화증착을 시작하기 전에 200 ° C에서 rature. </li><li> 반응 비스 (N, N &#39;-diisopropylacetamidinato) - 주석 (II) 2의 Sn, Sn을 여기 (AMD) 라 (2 인 MeC (N -iPr)) 2]와 황화 수소 (H로부터 SNS에게 박막 성장 2 S) 4. <ol><li> 주석 (AMD) 95 ℃의 일정한 온도에서 2 전구체를 유지합니다. 증착 지역에 오븐에 용기로부터의 Sn (AMD)이 증기의 전달을 지원하기 위해 순수한 N 2 가스를 사용한다. 각 ALD주기 동안, 주석 (AMD)의 공급 세 가지 용량 1.1 토르 제의 총 노출을위한 2 전구체. </li><li> 황 원으로서 N이 4 % H 2 S의 가스 혼합물을 사용한다. 황화수소 증기에 노출 선량 1.5 토르의 두 번째 있는지 확인합니다. H 2 S의 부분 압력 및 N 2 H 2 S의 총 압력은 각각 0.76 토르 19 토르 있는지 확인합니다. </li></ol></li><li> 설정 T주석 전구체 도즈 및 H 2 S 도즈 사이의 시간을 펌핑 고 성막 속도를 높이기 위해 (짧은 대부분의 다른 종래의 ALD 절차에 비해) 1 초 만한다. 주 : 주석 전구체가 완전히 펌핑이 짧은 시간에 의해 제거되지 않으므로 H 2 S이 도착하면, Sn을 일부 잔존 전구체가 남아있다. 따라서 프로세스는 펄스 화 된 CVD 프로세스로서 설명 될 수있다. SNS 막의 성장 속도는 0.33 Å /주기, 또는 0.04 Å / 초이다. </li></ol></li><li> (TE)에 의해 입금 SNS <ol><li> 공정 챔버 압력이 2 × 10-7 토르 이하인지 확인합니다. 로드 락을 통해 챔버로로드 기판. 하나의 클립, 또는 기판 플레이트까지 조여 적절한 크기의 포켓 사용자 정의 기판 홀더 중 하나 플레이트에 기판을 잡으십시오. </li><li> 자신의 설정 값에 소스와 기판 히터 램프. 여기에보고 장치의 기판 온도는 240 ° C에이며 성장율은 17 / 초; 610 ° C (소스 분말 단일로드 시간과 필요한 소스 온도 상승) - 범위 (550)의 소스의 온도 설정이 성장 속도를 달성했다. 타깃 막 두께는 1000 ㎚이다. </li><li> 전 공정 챔버 내로 QCM 아암을 움직여 SNS 성막 후, 석영 결정 모니터 (QCM)를 사용하여, 증착 속도를 측정한다. QCM 기판 성장 위치로 이동 될 수 있도록,이 측정 용 기판은 상승된다. 주 : 증착 속도는 3 시간의 증착 시간에 걸쳐 비교적 일정하게 유지된다 (0.05 Å / sec의 편차 ±). </li><li> 증착 후 대기에 배출되기 전에 다시로드 락 내로 샘플을 옮긴다. 신속하게 진공 또는 다음 처리 단계 전에 불활성 분위기의 글로브 박스 중 하나를 저장에 공기를 통해 샘플을 수송. 주의 : 전형적인 의도 공기 노출 시간은 약 3 분이다. 전형적인 저장 시간은 하루 AW 사이EEK. </li></ol></li></ol> 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. <ol><li> H 2 S 가스의 ALD 성장 SNS 막을 어닐링. 주의 :이 단계는 ALD 성장에 사용 된 것과 같은 시스템에서 수행된다. <ol><li> 40 sccm 내지 10 Torr의 압력의 유량으로 순수한 S H 2 가스 (순수 99.5 %)을 사용한다. </li><li> 400 ° C의 온도로 SNS 필름을 열 및 H 2 S 가스 환경에서 1 시간 동안 유지. 가스가 온도를 늘리고 아래를 포함, 전 과정에 걸쳐 흐르는되어 있는지 확인합니다. </li></ol></li><li> H 2 S 가스의 TE-성장 SNS 필름을 어닐링. 전용 튜브로에서이 단계를 수행합니다. <ol><li> 부하 일노의 핫존 영역으로 깨끗한 석영 플레이트와 슬라이드에 E 샘플. </li><li> 가열 밀봉 한 후, 순수한 N 2로 3 회 정화하고 기본 압력으로 펌프 다운 할 수있다. </li><li> 28 torr를 4 % H 2 S 100 SCCM에서 가스 흐름을 설정. </li><li> 10 분 동안 400 ° C의 온도를 진입로. 샘플을 고온 영역에서 비 보조 냉각되도록 한 다음, 1 시간 동안 400 ° C에 파악. 샘플을 60 ℃ 이하까지 냉각 상수 H 2 S 가스 유동 및 압력을 유지한다. 샘플을 제거하거나 다음 단계로 바로 진행, 또는 불활성 가스 글러브 박스에 저장에 배치합니다. </li></ol></li></ol> 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. <ol><li> ALD 성장 된 샘플은, ALD에서의 SnO2의 얇은 층을 성장. 주 : 우리는 SNS 성장에 사용 된 것보다 상이한 반응기를 사용한다. <ol><li> 주석의 환상 아미드의 반응에 의해 SnO2를 성장 [(1,3- 비스 (1,1- 디메틸 에틸) -4,5- 다이 메틸 - (4R, 5R) -1,3,2- diazastannolidin -2- 이리 덴) 주석 (II)] 및 과산화수소 (H 2 O 2). 43 ° C의 오븐 및 RT에서 버블의 H 2 O 2에 클릭 아미드 주석 전구체 보관. </li><li> 증착, 120 ° C에서 기판 온도를 유지한다. </li><li> 5 사이클의 총 사이클 당 각각 0.33 내지 1.5 토르 제를 사용하여 주석 전구체 및 H 2 O 2를 노출시킨다. X 선 광전자 분광법 (XPS) 분석 (10)에 의해 측정 결과의 SnO2의 두께가 0.6 내지 0.7 인 것을 확인한다. </li></ol></li><li> TE-성장 샘플은, 생을 형성공기 노출에 의해 산화 주석 2의 N 층. <ol><li> 24 시간 동안 실험실 주변 공기 샘플을 노출. XPS 분석에 의해 측정 한 결과 산화 주석 (2)의 두께가 약 0.5 nm 인 것을 확인한다. 주의 : 전형적인 RT C가 24 ± 1 °이며, 전형적인 습도 (여름에 더 높은) 45 % ± 13 %이며; 여기에보고 장치를 위해, 값은 각각 24.6 C 및 &lt;30 %이었다. </li></ol></li></ol> 7. Zn을 증착 (O, S) / ZnO의 버퍼층 주의 :이 단계는 ALD에 의해 SNS 성장에 사용되는 것과 동일한 ALD 챔버에서 수행된다. <ol><li> ALD에 의해 해당 층 : 아연 (O, S)을 성장. <ol><li> 120 ℃로 기판 온도를 유지한다. </li><li> 철 아연 (O, S) : 디 에틸 아연의 반응 (Zn으로 (C 2 H 5) 2, DEZ), 탈 이온수 (H 2 O), (2) S N 2 4 % H, 및 암모니아로부터 ALD에 의해 N (NH 3) 11. 버블 contai 저장실온에서 닝 DEZ. 의주기 시퀀스를 사용하여 [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1,이 슈퍼 사이클을 12 회 반복한다. 암모니아의 노출이 11 토르의 두 번째 있는지 확인합니다. </li><li> 러더 포드 후방 산란 분광법 (12)에 의해 측정 한 결과 막 중의 S / 아연의 비율이 0.14 인 것을 확인하고, 필름의 두께는 대략 36 나노 미터가된다. </li></ol></li><li> ALD에 의한 ZnO 층을 성장. <ol><li> 120 ℃로 기판 온도를 유지한다. </li><li> DEZ-H 2 O의 50 ALD주기와 ZnO의 성장 주의 : 수득 된 ZnO 박막의 두께는 약 18 ㎚이다. </li></ol></li></ol> 투명 전도성 산화물의 8. 증착 (TCO), 인듐 주석 산화물 (ITO) <ol><li> (610 μm의) 알루미늄 6061 시트 실험실 레이저 커터를 사용하여 &quot;0.024에서 ITO 섀도 마스크를 잘라. 참고 : 마스크는 0.25 cm 2에 11 직사각형 장치를 정의크기 플러스 광 반사율 측정에 사용되는 한 구석에 큰 패드는, 그림 4 참조. </li><li> 마스크 얼 라이너에 장치와 마스크를 탑재합니다. 참고 :이 자리에 마스크를 확보하기 위해 중첩 된 기판 포켓 마스크와 클립 알루미늄 판이다. </li><li> 반응성 마그네트론 스퍼터링에 의한 예금 ITO. <ol><li> 약 80 기판을 가열 - 90 ℃ 및 기판의 회전을 가능하게한다. </li><li> 4 mTorr로 총 압력에서 40 / 0.1 sccm의 아르곤 / O 2 가스 흐름 65 W의 RF 스퍼터링 전력 (2 O 3 / 산화 주석이 90/10 중량. %, 순수 99.99 %에서) 2 인치 직경의 ITO 타겟을 사용합니다. </li><li> 240 nm 두께의 ITO 필름을 성장. 주의 : 이러한 파라미터로, 범위는 0.5 Å / sec의 시트 저항의 증가율은 40-60 Ω / 스퀘어를 얻을 수있다. </li></ol></li></ol> 9. 금속 화 <ol><li> 127 μm의 두께 오스틴에서 컷 금속 섀도우 마스크ITIC 스테인레스 강판. 참고 :이 마스크는 상업 회사가 + 10 / -5 μm의 허용 오차로 절단된다. 금속 패턴 2가 1.5mm로 구분 손가락, 각각 7mm 길이, 및 1 × 1mm 2 접촉 패드, 그림 4 참조로 구성되어 있습니다. </li><li> 단계 8.2에서와 같이, 마스크 얼 라이너에서 장치 및 마스크를 탑재. </li><li> 전자빔 증발 (TE 장치의 경우) 또는 입금 AG (ALD 장치 용) 니켈 / 알. <ol><li> 전자선 금속 증착 시스템의 기판 플레이트 상에 탑재 마스크 얼 라이너. 1 × 10-6 토르 미만의 기본 압력으로 펌프 다운. </li><li> 2 / sec의 속도로 금속을 증발. 500nm의 총 두께의 금속을 증착. </li></ol></li></ol> 10. 장치 특성 <ol><li> 시뮬레이션 어둡고 AM1.5 태양 빛의 모든 장치에 - ( &quot;V J&quot;) 측정 전류 - 전압을 수행합니다. <ol><li> V 데이터 FR - J를 수집하여 솔라 시뮬레이터를 보정교정 된 실리콘 태양 전지 및 AM1.5 일사량 용 보정 전류 값에 도달 할 때까지 솔라 시뮬레이터 램프 전력 및 높이 조절을 OM. </li><li> 상단 (양극),은 (Ag 또는 알)과 하단 (음극, MO) 층 모두에 문의 구리 베릴륨 이중 프로브 팁을 사용하여 4 선 모드에서 장치를 문의하십시오. 메스 블레이드 버퍼와 SNS 층을 멀리 긁어서 바닥 층에 문의하십시오. </li><li> 측정 빛과 어둠 J - 소싱 전압 소스 미터를 사용하여 전류를 측정 V 데이터. 주 : 장치는 일반적 ± 0.5 범위 내의 측정 V. 장치 전압 스위프 방향 또는 속도에 응답하지 않다. 일상적인 테스트를 위해 지역 - 정의 광 조리개 자세한 내용은 토론 섹션을 참조 사용되지 않습니다. </li></ol></li><li> 변수 빛과 전압 바이어스, 모든 장치에서 외부 양자 효율 (EQE) 측정을 수행합니다. <ol><li> RESPO을 측정함으로써 EQE 시스템 교정시 캘리브레이션 포토 다이오드의 NSE. 참고 :이 소프트웨어는 따라 빛 레벨을 조정하기 위해 NIST의 지원을받는 표준 측정을 수행하는이 데이터를 비교합니다. </li><li> 10.1.2 단계에서와 같이, 4- 와이어 방법을 사용하여 디바이스에게 문의. </li><li> 270 1,100 nm 파장 범위에서 100 Hz에서 다진 단색광으로 샘플을 조명하고, 생성 된 전류를 측정하는 시스템을 사용하여 상업적 EQE를 측정한다. 제조업체의 표준 운영 절차에 따라이 측정을 수행합니다. </li><li> 가변 전압과 흰색 빛 바이어스와 EQE 측정을 반복합니다. 바이어스 전압 및 바이어스 광을 공급하는 할로겐 램프를 제공하는 소스 미터를 사용한다. 앞으로 모두에서 장치를 측정하고 전압 바이어스 역, 그리고 1 ~ 태양 최대 변수 하얀 빛의 강도에 따라. </li><li> 외부에서 내부로 변환하기 위해서 적분 구 광도계를 이용하여 ITO 상부 표면의 광 반사율 (%의 R)을 측정양자 효율 (IQE). 제조업체의 표준 운영 절차에 따라이 측정을 수행합니다. </li></ol></li></ol>

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저자가 공개하는 게 없다.

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 ?...

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&gt; 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.

<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

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, 장시​​간 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.

상술 한 바와 같이 그림에 6-8 결과는 두 대표 &quot;기준&quot;TE-성장 샘플 표시됩니다. 조명 J -이 두 샘플에 대한 V 데이터는 그림 6에 도시된다 첫 번째 샘플 ( &quot;SnS140203F&quot;)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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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%.

열 증발 및 원자 층 증착에 의해 기록 효율 SNS 태양 전지 만들기

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 조회수.  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.

충전 분리 Nanocrystals와 고체를 통해 태양 에너지를 수확

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

연구

공학

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.

의 제작 펄스 레이저 증착에 의해 투명 실시 산화물 나노 설계

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.

전송 인쇄하여 수소 첨가 미세 결정 실리콘 태양 전지에 빛 트래핑 실버 나노 구조의 통합

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.

진공 열 증발을 통해 비스무트 나노 와이어 어레이의 씨앗 성장

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.

벌크 이종 접합 태양 전지의 인쇄 제작 및<em&gt; 현장에서</em&gt; 형태학 특성

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.

CH의 일가 양이온 도핑<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; 효율적인 페 로브 스카이 트 태양 전지에 대한

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.

제자리에서 태양 전지 및 모듈의 가속된 성능 저하의 모니터링: Cu (In, Ga) Se2 태양 전지에 대 한 사례 연구

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%.

잘 정렬 된 수직 지향 ZnO Nanorod 배열 및 그들의 응용 프로그램에서 반전 된 작은 분자 태양 전지

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.

Ti-6Al-4V 멀티 레이어 증 착에 대 한 레이어 두께 결정 하기 위해 증 착 지시 에너지의 단일 트랙의 생산

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.

바나듐이 산화물 및 온도 따른 광 모델의 원자 층 증 착

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 ...