Tin Sulphide solar cells by Ionized Jet Deposition

Project promoted by LAPS laboratory at Verona University and Noivion S.r.l. supported by Fondazione Cassa di Risparmio di Trento e Rovereto under the program “BANDO 2014 PER PROGETTI DI RICERCA SCIENTIFICA FINALIZZATI ALLO SVILUPPO DI INIZIATIVE IMPRENDITORIALI”

The project aims to demonstrate the production of Tin Sulfide (SnS) thin film solar cells by means of Ionized Jet Deposition, the innovative deposition technique developed by Noivion S.r.l..
Tin Sulfide is an excellent candidate for the mass manufacturing of solar cells since is composed by abundant and non-toxic elements. Some materials currently used in commercial thin film solar panels (mainly CdTe and CIGS) undergo limitations due to scarcity and/or toxicity of some of its elements constraining the diffusion on a very large scale of the most competitive thin film photovoltaic technologies.
Research on SnS solar cells is raising a lot of interest and is performed by important research institutions like MIT in Boston and the Harvard University. However, much still work needs to be done: efficiencies not greater than 5% have been obtained especially due to the difficulty of maintaining proper stoichiometry avoiding spurious phases. We believe that the IJD technique developed by Noivion Srl may represent an element of turn in the production of this material thanks to the possibility of control of the stoichiometry and low temperature deposition offered by this technique.

The methods for the production of SnS solar cells will be mainly the Ionized Jet Deposition, provided by Noivion Srl for the light absorber layers and other growth techniques (such as RF sputtering, vacuum evaporation, and chemical bath) available at the laboratory of applied physics that will be used to manufacture the other parts of the photovoltaic device such as contacts (front and rear) and the so-called window material (the part of the p/n junction) which is typically CdS but that for reasons of convenience will be subsequently changed in ZnS.

The materials used in the production of the cells will be the Tin Sulphide as light absorbing material and other conventional materials for the construction of the p/n junctions, the buffer layers and the contacts such as Mo, Au and Cu for the back contact, CdS or ZnS (for the buffer layer), ZnO and indium-tin oxide (ITO) or tin oxide doped with fluorine for the front contact.
The characterization of the individual layers of the photovoltaic cells and finished devices will be carried out with the following techniques: atomic force microscopy, X-ray diffraction, current-voltage and capacitance-voltage profiling of the finished photovoltaic device.

The project has the aim of producing working Tin Sulphide photovoltaic cells produced by IJD with high photovoltaic conversion efficiency, using a low temperature process which allows on the one hand a strong reduction of the energies in play (and hence cost) and the other the possibility of depositing layers on a flexible substrate in the future. The process will be of industrial interest both in the photovoltaics and semiconductor sector.

Beyond the main goal, we expect to achieve the following results:
1- a fine tuning of the deposition process by IJD that can show the critical issues related to the deposition of a polycrystalline layer as that of SnS.
2- Production of a polycrystalline layer of stoichiometric SnS
3- Optimization of the joint system p/n SnS / ZnS (alignment of the energy bands).
4- Finding an optimum back contact for SnS.

Related publications:

D. Menossi et al, “SnS by Ionized Jet Deposition for photovoltaic applications”, on proceedings of 2017 IEEE 44th, Washington, D.C., 25-30 June 2017”


Progetto promosso dal laboratorio LAPS dell’Unversità di Verona in collaborazione con Noivion S.r.l. supportato dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Trento e Rovereto con un assegno di ricerca nell’ambito del programma BANDO 2014 PER PROGETTI DI RICERCA SCIENTIFICA FINALIZZATI ALLO SVILUPPO DI INIZIATIVE IMPRENDITORIALI

Il progetto mira a dimostrare la produzione celle solari a film sottile in Solfuro di Stagno (SnS) mediante l’innovativa tecnica di deposizione IJD sviluppata da Noivion Srl. Il Solfuro di Stagno rappresenta infatti un eccellente candidato per la produzione di massa di celle solari in quanto è composto da elementi abbondanti e non tossici al contrario dei materiali attualmente utilizzati per la produzione di massa di pannelli solari a film sottile (prevalentemente CdTe e CIGS) i quali soffrono di limitazioni legate ad aspetti di scarsità e/o tossicità di alcuni elementi che li compongono rappresentando così un vincolo alla diffusione su larghissima scala delle più economiche tecnologie fotovoltaiche a film sottile.

La ricerca sulle celle solari in SnS viene svolta attivamente da importanti centri di ricerca quali il MIT di Boston e Harvard University a riprova del grande interesse per questo materiale. Tuttavia ancora molto deve essere fatto: efficienze non superiori al 5% sono state ottenute soprattutto per via della difficoltà di mantenere una stechiometria corretta evitando fasi spurie.
Siamo convinti che la tecnica IJD sviluppata da Noivion Srl potrebbe rappresentare un elemento di svolta nella produzione di questo materiale grazie alle possibilità di controllo della stechiometria e deposizione a bassa temperatura offerte da questa tecnica.

I metodi per la produzione delle celle solari SnS saranno principalmente la Ionized Jet Deposition messa a disposizione da Noivion Srl per gli strati assobitori e altre tecniche di crescita dei policristalli (quali Sputtering in radio frequenza, evaporazione in vuoto e bagno chimico) disponibili presso il laboratorio di fisica applicata che serviranno per preparare le altre parti del dispositivo fotovoltaico quali i contatti (anteriore e posteriore) e il così detto materiale finestra (la parte n della giunzione p/n) che tipicamente è CdS ma che per ragioni di opportunità verrà successivamente cambiato in ZnS.
I materiali utilizzati nella produzione delle celle saranno il solfuro di stagno come materiale assorbitore della luce ed altri materiali convenzionali per la realizzazione delle giunzioni p/n, gli strati buffer ed i contatti come ad esempio Mo, Au e Cu per il contatto posteriore, CdS o ZnS (per lo strato buffer), ZnO e ossido di stagno-indio (ITO) o ossido di stagno drogato con fluoro per il contatto frontale.
La caratterizzazione dei singoli strati e delle celle fotovoltaiche finite sarà svolta con le seguenti tecniche: microscopia a forza atomica, diffrazione a raggi X, analisi di corrente-tensione e di capacità tensione del dispositivo fotovoltaico finito.

Il progetto ha l’obiettivo di produrre celle fotovoltaiche funzionanti in solfuro di stagno prodotte mediante IJD ad alta efficienza di conversione fotovoltaica, utilizzando un processo a bassa temperatura che permetta da una parte una forte riduzione delle energie in gioco (e quindi dei costi) e dall’altra la possibilità di depositare in futuro gli strati su substrato flessibile. Il processo potrà avere ricadute industriali sia nel campo del fotovoltaico sia nel campo dell’applicazione della tecnica di IJD nella deposizione dei semiconduttori.
Al di là dell’obiettivo principale, ci aspettiamo di ottenere i seguenti risultati :
1- una messa a punto del sistema di deposizione per Ion Jet che possa mostrare le criticità legate alla deposizione di uno strato policristallino come quello di SnS.
2- Realizzazione di uno strato policristallino stechiometrico di SnS
3- Ottimizzazione del sistema di giunzione p/n SnS/ZnS (allineamento delle bande energetiche).
4- Individuazione di un contatto posteriore ottimale per SnS.

Pubblicazioni collegate:

D. Menossi et al, “SnS by Ionized Jet Deposition for photovoltaic applications”, on proceedings of 2017 IEEE 44th, Washington, D.C., 25-30 June 2017”