Os autores gostariam de agradecer a Paul Ciszek e Keith Emery, do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) para medições JV certificadas, Riley Brandt (MIT) para medidas de espectroscopia de fotoelétrons, e Jeff Cotter (ASU) para a inspiração para a seção de testes de hipóteses. Este trabalho é apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA por meio da Iniciativa SunShot sob contrato DE-EE0005329, e por Robert Bosch LLC por meio da Rede de Pesquisas Energéticas Bosch sob concessão 02.20.MC11. V. Steinmann, R. Jaramillo, e K. Hartman agradecer o apoio de, a fundação Alexander von Humboldt, uma DOE EERE Pós-Investigação Award, e Intel PhD Fellowship, respectivamente. Este trabalho fez uso do Centro de Sistemas de Nanoscale da Universidade de Harvard, que é apoiado pela National Science Foundation, prêmio ECS-0335765.

1. Substrato Seleção e de corte <ol><li> Compra polido wafers Si com um óxido térmico de espessura. Para os dispositivos aqui apresentados, usar pastilhas 500 um de espessura, com um óxido de 300 nm ou térmica mais espessa. Os critérios de selecção de substrato são discutidos na secção Discussão. </li><li> Casaco de rotação do lado polido de wafer com um photoresist típico positiva (SPR 700 ou PMMA A. 495) e leve ao forno quente (30 seg a 100 ° C). Nota: Esta é uma camada protectora para evitar danos ou contaminação durante o passo de corte subsequente. </li><li> Utilize uma serra para cortar a matriz bolacha em 1 &quot;x 1&quot; (25,4 x 25,4 milímetros 2) substratos quadrados. </li></ol> 2. Substrato Limpeza <ol><li> Remover partículas e outros resíduos que resultam da etapa de corte usando uma pistola de azoto comprimido, seguido por um banho de ultra-sons em (DI) de água desionizada durante 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Retirar a camada foto-resistente com uma ba de ultra-sonsth em acetona durante 5 min a 45 - 60 ° C. </li><li> Limpar o substrato exposto com três banhos de ultra-sons, todos os subsequentes durante 5 min a 45 - 60 ° C: acetona, etanol, e álcool isopropílico. Concluir por secagem com uma arma de nitrogênio comprimido, enquanto substratos permanecer no suporte de quartzo. </li></ol> 3. Mo Sputtering <ol><li> Coloque os limpos de Si / SiO 2 substratos em um sistema de pulverização de alto vácuo. Certifique-se de que a placa de substrato é aquecido e rotação substrato é activado. Para os dispositivos aqui relatados, processo em um sistema comercial com armas magnetron inclinadas com 2 &quot;alvos e uma distância de projeção de aproximadamente 4&quot;. </li><li> Depositar a primeira camada (camada de aderência) a uma pressão relativamente elevada, tais como o fundo 10 mTorr de Ar. Para os dispositivos aqui relatados, o processo de pulverização catódica, com uma potência de 180 W (DC), o que dá uma taxa de crescimento de 2,6 Â / seg, e uma primeira camada de Mo que é de 360 ​​nm de espessura. </li><li> Deposite o segundocamada (a camada condutora), a uma relativamente baixa pressão de fundo, tais como 2 mTorr de Ar. Utilizar o mesmo poder de pulverização como a primeira camada (180 W) e depositar a mesma espessura. Nota: Os dispositivos aqui relatados teve uma segunda camada de Mo, que foi de 360 ​​nm de espessura, mesmo como a primeira camada. </li><li> Após a deposição Mo, armazenar os substratos, sob vácuo até que o passo de deposição SnS. </li></ol> 4. SnS Deposição Nota: A técnica de deposição ALD é descrito na sub-seção 4.1, ea deposição TE é descrito na subsecção 4.2. O sistema de deposição de ALD é mostrado na Figura 2, e sistema de deposição de TE é mostrado na Figura 3. <ol><li> SnS depósito por ALD <ol><li> Antes de carregar para dentro do reactor, colocado em substratos Mo ozono um aspirador de UV durante 5 minutos para remover as partículas orgânicas. Em seguida, coloque os substratos no suporte do substrato e inserir na zona de deposição. </li><li> Estabilizar a tempe fornotura a 200 ° C antes de começar a deposição. </li><li> Cresça SnS filmes finos a partir da reacção de cloreto de bis (N, N &#39;-diisopropylacetamidinato) -tin (II) [Sn (MeC (N -iPr) 2) 2, referido aqui como Sn (AMD) 2] e sulfureto de hidrogénio (H S 2) 4. <ol><li> Manter o Sn (AMD) 2 precursor a uma temperatura constante de 95 ° C. Use puro gás N2 para ajudar a entrega de Sn (AMD) 2 de vapor a partir do recipiente no forno para a zona de depósito. Durante cada ciclo de ALD, de abastecimento de três doses de Sn (AMD) 2 precursor para a exposição total de 1,1 Torr segundo. </li><li> Utilize uma mistura gasosa de 4% de H 2 em N 2 S como a fonte de enxofre. Certifique-se de que a exposição ao vapor de sulfeto de hidrogênio é de 1,5 Torr segundo por dose. Assegure-se que a pressão parcial de H2S e a pressão total de H 2 em N 2 S são 0,76 Torr e 19 Torr, respectivamente. </li></ol></li><li> Set tele tempo de bombeamento entre Sn dose de precursor e H 2 S ser de dose única de 1 seg (curto em comparação com a maioria dos outros processos convencionais ALD), a fim de acelerar a deposição. Nota: Como o precursor Sn não é completamente removido por este tempo de bombeamento curto, alguns precursor Sn residual permanece quando o H 2 S chega. Assim, o processo pode ser descrito como um processo CVD pulsado. A taxa de crescimento de SNS filme é 0,33 Â / ciclo, ou 0,04 Â / seg. </li></ol></li><li> SnS depósito por TE <ol><li> Assegure-se que a pressão da câmara de processo é de 2 x 10 -7 Torr ou menos. Substratos de carga para a câmara através do bloqueio de carga. Manter os substratos para a placa, quer com um único grampo, ou com um suporte de substrato costume com os bolsos de tamanho apropriado, que é aparafusado à placa de substrato. </li><li> Rampa da fonte e aquecedores de substrato aos seus setpoints. Para o dispositivo relatado aqui a temperatura do substrato é de 240 ° C e a taxa de crescimento é 17; / seg; para atingir esta taxa de crescimento definir a fonte de temperatura na gama 550-610 ° C (a temperatura aumenta com o tempo necessário de origem para uma única carga da fonte de pó). A espessura do filme de destino é de 1.000 nm. </li><li> Medir a taxa de deposição utilizando o monitor de cristal de quartzo (QCM), antes e depois da película de deposição de SnS movendo o braço QCM na câmara de processo. Para esta medição, o substrato é levantada de modo que a QCM pode ser movido para a posição de substrato de crescimento. Nota: A taxa de deposição permanece relativamente constante ao longo de um tempo de deposição de 3 h (± 0,05 Â / seg desvio). </li><li> Após a deposição, transferir as amostras de volta para o bloqueio da carga antes de ventilação de ar. Transportar rapidamente as amostras por meio de ar em armazém ou sob vácuo ou numa caixa de luvas atmosfera inerte antes do próximo passo de processamento. Nota: O tempo típico de exposição ao ar involuntária é de aproximadamente 3 min. O tempo de armazenamento típico é entre um dia e aweek. </li></ol></li></ol> 5. SnS Annealing Nota: Esta etapa é realizada de forma ligeiramente diferente para células solares ALD e TE. O procedimento de recozimento para as células solares ALD é descrito na sub-secção 5.1, e o procedimento para células solares TE é descrito na sub-secção 5.2. O objectivo de recozimento é discutido na secção Discussão. <ol><li> Emparelhar os filmes adulto ALD SNS H 2 S de gás. Nota: Esta etapa é realizada no mesmo sistema utilizado para o crescimento de ALD. <ol><li> Use H 2 S de gás puro (99,5% puro) a uma taxa de fluxo de 40 sccm e pressão de 10 Torr. </li><li> Aquece-se a película de SNS para uma temperatura de 400 ° C e mantido durante 1 h em ambiente de H 2 S de gás. Certifique-se de que o gás está a fluir ao longo de todo o processo, incluindo a temperatura aumentando de cima para baixo. </li></ol></li><li> Emparelhar os filmes SnS TE-cultivadas em H 2 S de gás. Execute esta etapa em um forno de tubo dedicado. <ol><li> Th de cargae amostras sobre uma placa de quartzo limpo e slide na região hot-zona do forno. </li><li> Depois de o forno é selada, purgar três vezes com N2 puro e permitir que a bomba de pressão de base para baixo. </li><li> Estabelecer fluxo de gás a 100 sccm de 4% de H 2 S a 28 Torr. </li><li> Rampa a temperatura para 400 ° C ao longo de 10 min. Segure a 400 ° C por 1 hora, em seguida, permitir que as amostras para se refrescar sem assistência na zona quente. Manter constante o fluxo de H 2 S e da pressão do gás até que as amostras arrefecer abaixo de 60 ° C. Retirar as amostras e quer prosseguir imediatamente para a próxima etapa, ou colocá-los em armazenamento em um porta-luvas de gás inerte. </li></ol></li></ol> 6. SnS Passivation superfície com um óxido nativo Nota: Esta etapa é realizada de forma ligeiramente diferente para células solares ALD e TE. Na sub-secção 6.1 o processo de passivação de superfície por células solares ALD é descrito, e o procedimento para células solares TE é descrito na sub-secção6.2. A função deste passo é discutido adiante na secção Discussão. <ol><li> Para as amostras cultivadas-ALD, crescer uma fina camada de SnO 2 por ALD. Nota: Nós usamos um reactor diferente do que o utilizado para o crescimento de SnS. <ol><li> Cresça SnO 2 pela reacção de amida cíclica de estanho [(1,3-bis (1,1-dimetiletil) -4,5-dimetil- (4R, 5R) -1,3,2-diazastannolidin-2-ilideno) Sn (II)] e peróxido de hidrogénio (H 2 O 2). Armazenar o precursor de amida cíclica de estanho num forno a 43 ° C, e o H 2 O 2 em um borbulhador à TA. </li><li> Manter a temperatura do substrato a 120 ° C durante a deposição. </li><li> Expor o precursor de estanho e H 2 O 2 utilizando 0,33 e 1,5 Torr segundo por ciclo, respectivamente, para um total de 5 ciclos. Verificar que a espessura da resultante SnO 2 é de 0,6 0,7 nm, como medido por espectroscopia de fotoelectrão de raios-X (XPS) análise 10. </li></ol></li><li> Para as amostras de TE-cultivadas, formar um thin camada de SnO 2 por exposição ao ar. <ol><li> Expor as amostras para laboratório ar ambiente, durante 24 horas. Verificar que a espessura da resultante SnO 2 é de aproximadamente 0,5 nm, como medido por análise de XPS. Nota: O típico de RT é de 24 ± 1 ° C, e a humidade típica é de 45% ± 13% (superior no Verão); para os dispositivos aqui apresentados, os valores foram de 24,6 C e &lt;30%, respectivamente. </li></ol></li></ol> 7. Depósito de Zn (O, S) / ZnO Tampão Camada Nota: Esta etapa é realizada na mesma câmara de ALD que é utilizado para o crescimento de SnS por ALD. <ol><li> Cresça um Zn (O, S): N camada por ALD. <ol><li> Manter a temperatura do substrato a 120 ° C. </li><li> Cresça Zn (O, S): N por ALD a partir da reacção de dietil-zinco (Zn (C 2 H 5) 2, DEZ), água desionizada (H2O), 4% de H 2 S no N2, e amoníaco (NH 3) 11. Armazenar os contai bubblerNing DEZ à TA. Use uma seqüência de ciclo [DEZ-H 2 O-DEZ-NH 3] 14 - [DEZ-H 2 S] 1, e repetir este ciclo de super 12 vezes. Certifique-se de que a exposição de amônia é de 11 Torr segundo. </li><li> Verificar que a relação S / Zn no filme resultante é de 0,14, como medido por espectroscopia de retrodifusão Rutherford 12, e que a espessura da película é de aproximadamente 36 nm. </li></ol></li><li> Crescer uma camada de ZnO por ALD. <ol><li> Manter a temperatura do substrato a 120 ° C. </li><li> Crescer ZnO com 50 ciclos de ALD DEZ-H 2 O. Nota: A espessura da película de ZnO resultante é cerca de 18 nm. </li></ol></li></ol> 8. A deposição do óxido condutor transparente (TCO), Indium Tin Oxide (ITO) <ol><li> Corte ITO máscaras de sombra de um 0,024 &quot;(610 mm) de alumínio 6061 folha usando um cortador a laser laboratório. Nota: As máscaras definir dispositivos rectangulares 11 que são 0,25 centímetros 2 emmais o tamanho de uma almofada maior em um canto que é utilizado para as medições de reflectividade óptica, ver Figura 4. </li><li> Monte os dispositivos e máscaras em um alinhador de máscara. Nota: Esta é uma placa de alumínio com bolsos aninhadas para o substrato e máscaras e clipes para prender as máscaras no lugar. </li><li> Depósito ITO por pulverização catódica reactiva. <ol><li> Aqueça o substrato para aproximadamente 80 - 90 C e permitir a rotação do substrato. </li><li> Use um alvo ITO 2 polegadas de diâmetro (In 2 O 3 / SnO2 90/10 wt.%, 99,99% puro) a 65 W de potência RF pulverização com 40 / 0,1 sccm Ar / O fluxo de gás de 2 a 4 mTorr pressão total. </li><li> Cresça um filme de ITO 240 nm de espessura. Nota: Com estes parâmetros, a taxa de crescimento de 0,5 A / seg e de folha de resistências na gama de 40 - 60 Ω / sq são alcançados. </li></ol></li></ol> 9. Metalização <ol><li> Máscaras de corte de metalização sombra de um 127 mm de espessura austenchapa de aço inoxidável ITIC. Nota: Estas máscaras são cortados com + 10 / -5 mm tolerância por uma empresa comercial. O padrão de metal é constituída por dois dedos separados por 1,5 mm, cada 7 mm de comprimento, e uma almofada de contacto de 1 x 1 mm2, ver Figura 4. </li><li> Montar os dispositivos e máscaras em um alinhador de máscara, como na etapa 8.2. </li><li> Depósito Ag (para dispositivos TE) ou Ni / Al (para dispositivos ALD) por evaporação por feixe de elétrons. <ol><li> Mount alinhador de máscara sobre a placa de substrato de um sistema de metais evaporação por feixe de elétrons. Bombear para baixo a uma pressão de base abaixo de 1 x 10 -6 Torr. </li><li> Evapora-se de metal a uma taxa de 2 A / seg. Deposite 500 nm de espessura de metal total. </li></ol></li></ol> Caracterização 10. Dispositivo <ol><li> Execute corrente-tensão - medições (&quot;J V&quot;) em todos os dispositivos à luz solar, escuro e em AM1.5 simulado. <ol><li> Calibrar o simulador solar através da recolha de J - V fr dadosom uma célula solar de silício e calibrado ajustando a potência da lâmpada simulador solar e altura até atingir o valor actual calibrado para AM1.5 insolação. </li><li> Contacte os dispositivos no modo de quatro fios de cobre de berílio usando pontas duplas sonda para entrar em contato tanto para o (cátodo, Mo) camadas de topo (ânodo, Ag ou Al) e na parte inferior. Contacte a camada inferior riscando as camadas de buffer e SNS com uma lâmina de bisturi. </li><li> Luz medida e J escuros - dados V usando uma fonte de metros por tensão sourcing e de medição atual. Nota: Os dispositivos são tipicamente medidos dentro do intervalo ± 0,5 V. Os dispositivos não são sensíveis à direção ou taxa dos varrimentos de tensão. Para testes de rotina de uma abertura de luz definir a área não for usado, consulte a seção de discussão para mais detalhes. </li></ol></li><li> Execute eficiência quântica externa (EQE) medições em todos os dispositivos, com luz variável e viés de tensão. <ol><li> Calibrar o sistema EQE medindo a respoNSE de um fotodiodo de calibração Si. Nota: O software compara estes dados com as medições realizadas com um padrão NIST-backed para ajustar o nível de luz em conformidade. </li><li> Contacte os dispositivos usando o método de quatro fios, como no passo 10.1.2. </li><li> Medir EQE utilizando um sistema comercial, que ilumina a amostra com luz monocromática a 100 Hz picada durante um intervalo de comprimento de onda de 270 nm e 1100 mede a corrente resultante. Esta medição de acordo com o procedimento operacional padrão do fabricante. </li><li> Repita a medição EQE com tensão variável e polarização luz branca. Use um sourcemeter para abastecer o viés tensão, e uma lâmpada de halogéneo para abastecer o viés luz. Meça dispositivos em ambos frente e verso, viés de tensão, e sob a intensidade da luz branca variável até ~ 1 Suns. </li><li> Medir reflectância óptica (% R) da superfície superior ITO usando um espectrofotómetro com uma esfera de integração de modo a converter exterior para o interioreficiência quântica (IQE). Esta medição de acordo com o procedimento operacional padrão do fabricante. </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>

Os autores não têm nada a revelar.

Limpeza seleção substrato Si wafers oxidados são usados ​​como substratos. Os substratos são o suporte mecânico para as células solares resultantes, e as suas propriedades eléctricas não são importantes. Wafers Si são preferidos ao vidro porque wafers Si adquiridos comercialmente são tipicamente mais limpo do que wafers de vidro adquiridos comercialmente, e isso poupa tempo na limpeza do substrato. Si substratos também possuem uma condutividade térmica mais ...

Fotovoltaicos de filme fino (PV) continuam a atrair interesse e atividade de pesquisa significativa. No entanto, a economia do mercado de PV estão mudando rapidamente e desenvolver comercialmente bem sucedido PV de filme fino tornou-se uma perspectiva mais desafiador. Vantagens de custo de fabricação mais tecnologias baseadas wafer já não pode ser tida como certa, e melhorias na eficiência e de custos deve ser procurada em pé de igualdade. 1,2 À luz desta realidade que escolhemos para desenvolver SnS como um material absorvente para PV de filme fino. SnS tem vantagens práticas intrínsecas que poderia traduzir-se em baixo custo de fabricação. Se altas eficiências pode ser demonstrado, que poderia ser considerado como um substituto drop-in para CdTe no comercial PV película fina. Aqui, o processo de fabricação para o registro SnS células solares recentemente relatados é demonstrada. Nós nos concentramos em aspectos práticos como a selecção de substrato, condições de deposição, layout do dispositivo, e os protocolos de medição. SNS é composto por elementos não-tóxicos, Terra-abundantes e baratos (de estanho e enxofre). SNS é um sólido (nome mineral Herzenbergite) semiconducting inerte e insolúvel com um bandgap indireta de 1,1 eV, absorção de luz forte para fótons com energia acima de 1,4 eV (α&gt; 10 4 cm-1), e condutividade intrínseca do tipo p, com concentração de portadores na gama de 15 outubro - 17 outubro cm -3 3 -. 7 Importante, SnS e evapora congruentemente fase é estável até 600 ° C 8,9 Isto significa que os SNS pode ser depositada por evaporação térmica (TE) e a sua alta. primo velocidades, sublimação espaço fechado (CSS), como é empregue no fabrico de células solares de CdTe. Também significa que o controlo de fase SNS é muito mais simples do que para a maioria dos materiais de película fina PV, nomeadamente incluindo Cu (In, Ga) (S, Se) 2 (CIGS) e Cu 2 ZnSnS 4 (CZTS). Portanto, células efência se destaca como o principal obstáculo à comercialização de SnS PV, e SnS poderia ser considerado um substituto drop-in para CdTe uma vez altas eficiências são demonstradas na escala de laboratório. No entanto, esta barreira eficiência não pode ser exagerada. Estima-se que a eficiência ficha deve aumentar por um factor de quatro, de ~ 4% para ~ 15%, a fim de estimular o desenvolvimento comercial. O desenvolvimento de um crescimento SnS como substituto para CdTe também exigirá de SNS de alta qualidade filmes finos por CSS, e o desenvolvimento de um material do tipo n parceiro no qual SnS podem ser cultivadas directamente. A seguir é descrito o procedimento passo-a-passo para o fabrico de células solares de SnS ficha utilizando duas técnicas de deposição diferentes, camada de deposição atómica (ALD) e TE. ALD é um método de crescimento lento, mas em dia produziu os maiores dispositivos de eficiência. TE é mais rápido e industrialmente escalável, mas retarda-se na eficiência de ALD. Para além dos diferentes métodos de deposição SnS, o TEe células solares ALD diferem ligeiramente no recozimento, passivação de superfície, e as etapas de metalização. As etapas de fabricação do dispositivo são enumerados na Figura 1. Depois de descrever o procedimento, os resultados dos testes para os dispositivos de registro certificadas e amostras relacionadas são apresentados. Os resultados recordes foram relatados anteriormente. Aqui, o foco está na distribuição de resultados para uma corrida de processamento típica.

<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

Sulfureto de estanho (SNS) é um material absorvente de candidato a Terra-abundantes células solares, não-tóxicos. SnS oferece controle de fase fácil e rápido crescimento por evaporação térmica congruente, e absorve a luz visível fortemente. No entanto, por um longo tempo a ficha eficiência de conversão de energia de células solares SnS permaneceu abaixo de 2%. Recentemente, demonstrou novas eficiências recordes autenticadas de 4,36% usando SnS depositados por deposição de camada atômica, e 3,88%, utilizando evaporação térmica. Aqui, o processo de fabricação para estas células solares ficha está descrito, e a distribuição estatística do processo de fabricação é relatado. O desvio padrão de eficiência medida num único substrato é tipicamente mais de 0,5%. Todos os passos, incluindo a selecção de substrato e limpeza, Mo pulverização catódica para o contato posterior (cátodo), deposição SnS, recozimento, passivação de superfície, Zn (O, S) seleção de camada tampão e deposição, condutor transparente (ânodo) deposição, e metalização são descritos. Em cada substrato podemos fabricar 11 dispositivos individuais, cada um com área ativa 0,25 centímetros 2. Além disso, um sistema de medições de alta taxa de transferência de curvas corrente-tensão sob a luz solar simulada, e medição da eficiência quântica externa com viés luz variável é descrito. Com este sistema, somos capazes de medir os conjuntos de dados completos sobre todos os dispositivos 11 de uma forma automatizada e em tempo mínimo. Estes resultados ilustram o valor de estudar grandes conjuntos de amostras, ao invés de focar estreitamente nos dispositivos mais alto desempenho. Grandes conjuntos de dados nos ajudam a distinguir e remediar mecanismos individuais que afetam a perda de nossos dispositivos.

Nas Figuras 6-8 são mostrados os resultados para duas amostras de &quot;linha de base&quot; TE-cultivados representativos como descrito acima. Iluminado J - V dados para estas duas amostras está representada na Figura 6 A primeira amostra (&quot;SnS140203F&quot;) obteve-se o dispositivo com eficiência certificada de 3,88%, que foi previamente relatado 9 distribuições representativas JV também são mostrados para cada amostra... Para uma dada t...

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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%.

Fazendo Record-eficiência SnS Células solares por evaporação térmica e Deposição Camada Atómica

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 visualizações.  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.

Captação de energia solar por meio da carga de separação de nanocristais e seus sólidos

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

Engenharia

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.

Fabricação de Nano-engenharia transparentes Óxidos Realização por deposição por laser pulsado

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.

Integração da luz Interceptação de prata Nanoestruturas em células solares de silício hidrogenado microcristalina por Transferência de impressão

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.

Crescimento sem sementes de bismuto Nanowire matriz via vácuo evaporação térmica

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.

Impressão Fabricação de massa Heterojunction células solares e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caracterização

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.

Monovalente Cation Doping de CH<sub&gt; 3</sub&gt; NH<sub&gt; 3</sub&gt; PBI<sub&gt; 3</sub&gt; For eficientes células solares Perovskita

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 Monitoramento da degradação desempenho acelerado de células solares e módulos: um estudo de caso de Cu (In, Ga) Se2 células solares

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%.

Bem alinhados verticalmente orientado ZnO Nanorod matrizes e sua aplicação em invertida pequena molécula células solares

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.

Produção de Single Tracks de Ti-6Al-4V pela deposição de energia dirigida para determinar a espessura de camada para deposição de várias camada

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.

Deposição de camada atômica de dióxido de vanádio e um modelo ótico de temperatura-dependente

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 ...