在本实验方案中，我们详细描述了在CIGS薄膜太阳能电池中制备银纳米线网络与CdS缓冲层之间稳定纳米级接触的实验步骤。
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摘要
摘要
银纳米线透明电极已被用作Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳能电池的窗口层。裸露的银纳米线电极通常会导致电池性能极差。使用导电性适中的透明材料（如掺铟氧化锡或氧化锌）将银纳米线嵌入或夹在中间，可改善电池性能。然而，溶液法制备的基质层可能在透明电极与CdS缓冲层之间引入大量界面缺陷，最终导致电池性能低下。本文描述了如何在Cu(In,Ga)Se2太阳能电池中实现银纳米线电极与下方CdS缓冲层之间的稳定电接触，从而实现采用无基质银纳米线透明电极的高性能电池。我们方法制备的无基质银纳米线电极证明，只要银纳米线与CdS之间具有高质量的电接触，基于银纳米线电极的电池载流子收集能力可与采用溅射ZnO:Al/i-ZnO的标准电池相媲美。高质量电接触是通过在银纳米线表面沉积一层仅10 nm厚的额外CdS层实现的。
引言
银纳米线（AgNW）网络因其在加工成本更低和机械柔韧性更优方面的优势，已被广泛研究作为氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜的替代材料，相较于传统的透明导电氧化物（TCO）具有显著优点。溶液法制备的AgNW网络透明导电电极（TCE）已应用于铜铟镓硒（Cu(In,Ga)Se2，CIGS）薄膜太阳能电池中1,2,3,4,5,6。溶液法制备的AgNW TCE通常以嵌入式AgNW或三明治结构AgNW的形式制备于导电基质中，如PEDOT:PSS、ITO、ZnO等7,8,9,10,11。基质层可增强对AgNW网络空隙中电荷载流子的收集能力。
然而，基质层可能在CIGS薄膜太阳能电池中于基质层与下方的CdS缓冲层之间产生界面缺陷12,13界面缺陷通常会导致电流密度-电压（J-V）曲线出现拐点，从而引起电池的填充因子（FF）降低，这对太阳能电池的性能不利。我们此前报道了一种通过选择性沉积额外的薄层CdS（2nd AgNWs与CdS缓冲层之间的CdS层14. 引入额外的CdS层改善了AgNW层与CdS层之间结区的接触特性。因此，AgNW网络中的载流子收集效率显著提高，电池性能得以增强。在本实验方案中，我们描述了通过使用2nd CIGS薄膜太阳能电池中的CdS层
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方案
1. 通过直流磁控溅射法制备Mo涂层玻璃
- 将清洗后的玻璃基板装入直流磁控溅射仪中，并抽真空至低于 4 × 10-6 Torr。
- 通入 Ar 气体，并将工作压力调节至 20 mTorr。
- 开启等离子体，并将直流输出功率提高至 3 kW。
- 进行 3 分钟的预溅射以清洁靶材，随后开始沉积 Mo 薄膜，直至 Mo 膜厚度达到约 350 nm。
- 保持相同的输出功率（即 3 kW），将工作压力调节至 15 mTorr。
- 继续 Mo 薄膜的沉积，直至 Mo 总厚度达到约 750 nm。
2. 通过三阶段共蒸发法沉积CIGS吸收层
- 将Mo镀膜玻璃载入预热的共蒸发器中，真空度低于5 x 10⁻⁶ mbar-6 Torr.
- 设定In、Ga和Se蒸发源的温度，使其沉积速率分别为2.5 Å/s、1.3 Å/s和15 Å/s。
- 使用石英晶体微天平（QCM）技术检测沉积速率。沉积速率取决于外束源炉的设定温度以及源炉内材料的含量。
- 开始将In、Ga和Se沉积到镀钼玻璃上，形成1 μm厚的(In,Ga)xSey 在450 °C的衬底温度下沉积前驱体层。沉积时间为15分钟（即，1st 阶段。
- 停止供应 In 和 Ga，并将衬底温度升高至 550 °C。
- 开始将 Cu（沉积速率：1.5 Å/s）沉积到 (In,Ga) 上xSey 前驱体，并持续沉积直至薄膜的 Cu/(In + Ga) 组成比达到 1.15。注意，整个过程中 Se 的沉积速率保持在 15 Å/snd 阶段（即，2nd 阶段）
- 停止供应 Cu，并以与之前相同的沉积速率再次蒸发 In 和 Gast 阶段，最终形成厚度约为 2 μm、Cu/(In+Ga) 成分比为 0.9 的 CIGS 薄膜。保持 Se 的沉积速率为 15 Å/s，衬底温度为 550 °C。该阶段的沉积时间为 4 分钟（即 3rd 阶段。
- 为确保反应完全，在基底温度为550 °C的条件下，将沉积的CIGS薄膜在环境硒气氛（15 Å/s）中退火5分钟。
- 在环境硒气氛（15 Å/s）下将基板温度冷却至450 °C，然后当基板温度降至250 °C以下时取出已沉积CIGS的基板。
3. 采用化学浴沉积法（CBD）在CIGS吸收层上生长CdS缓冲层
- 在250 mL烧杯中配制CdS反应浴溶液：加入97 mL去离子水、0.079 g Cd(CH3COO)2·2H2O、0.041 g NH2CSNH2和0.155 g CH3COONH4。搅拌数分钟以充分混合，确保所有溶质完全溶解。
- 向反应浴溶液中加入3 mL NH4OH（28% NH3），继续搅拌2 min。图1展示了CdS化学浴沉积的实验装置。
- 使用聚四氟乙烯样品架将CIGS样品放入反应浴溶液中。
- 将反应浴置于保持在65 °C的水浴中，并在沉积过程中使用磁力搅拌子以200 rpm的速度持续搅拌反应浴溶液。
- 反应20 min，使CIGS表面生成厚度约为70至80 nm的CdS缓冲层。
- 反应结束后，将样品从反应浴中取出，用去离子水冲洗，并用N2气体吹干。
- 将样品在热板上于120 °C退火30 min。
4. 银纳米线透明导电电极网络的制备
- 通过将19 mL乙醇与1 mL市售的乙醇基银纳米线（AgNW）分散液（20 mg/mL）混合，制备稀释后的AgNW分散液（1 mg/mL）。
- 将0.2 mL稀释后的AgNW分散液滴加到CdS/CIGS样品（2.5 cm × 2.5 cm）表面，使其完全覆盖样品表面，并以1,000 rpm转速旋转样品30秒。
- 根据需要重复步骤4.2，以获得理想的光学和电学性能。共进行三次AgNW旋涂。旋涂法制备的AgNW透明导电电极（TCE）的扫描电子显微镜（SEM）图像见图2。
- 旋涂完成后，将样品置于加热板上，在120 °C下退火5分钟。
5. 2的沉积nd CdS 层
- 按照步骤3.1所述配制新的CdS反应浴溶液。
- 按照第3节的方法沉积CdS，必要时调整反应时间。
注意：我们优化了反应时间，10 min 得到了性能最佳的 CIGS 器件。2 的影响nd CdS 沉积时间对 CIGS 薄膜太阳能电池器件性能的影响可参见我们之前的研究工作14.
6. 表征技术
- 利用场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜（TEM）表征银纳米线（AgNWs）及硫化镉包覆银纳米线（CdS-coated AgNWs）的表面和横截面形貌。
- 使用配备太阳光模拟器（1,000 W/m2，AM1.5G）的电流-电压源测量太阳能电池性能。
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结果
CIGS 太阳能电池的层状结构，其中（a）采用标准 ZnO:Al/i-ZnO，（b）采用 AgNW TCE，如图所示 图3CIGS 的表面形貌较为粗糙，银纳米线层与下方的 CdS 缓冲层之间可能形成纳米级间隙。如图中所示。 图 3A，第2nd CdS 层可选择性地沉积在纳米级间隙上，以形成稳定的电接触。有关电接触的形成、电学性能及器件性能增强的详细解释，可参见参考文献14。AgNW与CdS结的结构分析，包括横截面SEM和TEM以及相应的元素分布图，也可在参考文献14中找到。
图4 显示沿 2 的横截面透射电子显微镜图像（a）nd CdS/CIGS 结构中沉积在 AgNW 网络上的 CdS 层以及 (b) 横跨 2nd
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讨论
请注意，2的沉积时间nd CdS 层必须经过优化才能实现电池的最佳性能。随着沉积时间的增加，2nd CdS层增加，从而改善电接触。然而，进一步沉积2nd CdS层过厚会降低光吸收，导致器件效率下降。我们通过10分钟的沉积时间获得了最佳的电池性能nd CdS层，并发现随着沉积时间的延长，电池效率下降。
为了评估我们的方法，我们将基于Ag@CdS纳米线的CIGS太阳能电池的器件性能与溅射ZnO:Al/i-ZnO透明导电氧化物（TCO）的标准CIGS太阳能电池进行了比较，如图3A14所示。两者的电流-电压（J-V）特性几乎相同，整体器件性能也非常接近。该结果证明，我们提出的溶液工艺方法能够制备出高性能的薄膜太阳能电池。
已采用多种方法来改善银纳米线透明导电电极（AgNW TCE）的电学性能，其中包括引入导电基质。本实验方案所描述的方法简便且...
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本研究由韩国能源研究所（KIER）的内部研究与开发计划（B9-2411）以及由教育部长资助的韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究中心项目（资助号 NRF-2016R1D1A1B03934840）支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 钼 | Materion | 纯度：3N5 | 钼溅射 |
| 铜 | 5N Plus | 纯度：4N7 | CIGS沉积 |
| 铟 | 5N Plus | 纯度：5N | CIGS沉积 |
| 镓 | 5N Plus | 纯度：5N | CIGS沉积 |
| 硒 | 5N Plus | 纯度：5N | CIGS沉积 |
| 乙酸铵 | Alfa Aesar | 11599 | CdS反应溶液 |
| 氢氧化铵 | Alfa Aesar | L13168 | CdS反应溶液 |
| 二水合乙酸镉 | Sigma-Aldrich | 289159 | CdS反应溶液 |
| 硫脲 | Sigma-Aldrich | T8656 | CdS反应溶液 |
| 银纳米线 | ACSMaterial | AgNW-L30 | AgNW分散液 |
参考文献
- Lee, S., et al. Determination of the lateral collection length of charge carriers for silver-nanowire-electrode-based Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Solar Energy. 180, 519-523 (2019).
- Langley, D., et al. Flexible transparent conductive materials based on silver nanowire networks: a review. Nanotechnology. 24 (45), 452001(2013).
- Chung, C. -H., et al. Silver nanowire composite window layers for fully solution-deposited thin-film photovoltaic devices. Advanced Materials. 24 (40), 5499-5504 (2012).
- Liu, C. -H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6 (1), (2011).
- Yu, Z., et al. Highly flexible silver nanowire electrodes for shape-memory polymer light-emitting diodes. Advanced Materials. 23 (5), 664-668 (2011).
- Chung, C. -H., Hong, K. -H., Lee, D. -K., Yun, J. H., Yang, Y. Ordered vacancy compound formation by controlling element redistribution in molecular-level precursor solution processed CuInSe2 thin films. Chemistry of Materials. 27 (21), 7244-7247 (2015).
- Kim, A., Won, Y., Woo, K., Kim, C. -H., Moon, J. Highly transparent low resistance ZnO/Ag Nanowire/ZnO composite electrode for thin film solar cells. ACS Nano. 7 (2), 1081-1091 (2013).
- Singh, M., Jiu, J., Sugahara, T., Suganuma, K. Thin-film copper indium gallium selenide solar cell based on low-temperature all-printing process. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (18), 16297-16303 (2014).
- Kim, A., Won, Y., Woo, K., Jeong, S., Moon, J. All-solution-processed indium-free transparent composite electrodes based on Ag Nanowire and Metal Oxide for thin-film solar cells. Advanced Functional Materials. 24 (17), 2462-2471 (2014).
- Shin, D., Kim, T., Ahn, B. T., Han, S. M. Solution-processed Ag Nanowires + PEDOT:PSS hybrid electrode for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. ACS Applied Materials and Interfaces. 7 (24), 13557-13563 (2015).
- Wang, M., Choy, K. -L. All-nonvacuum-processed CIGS solar cells using scalable Ag NWs/AZO-based transparent electrodes. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (26), 16640-16648 (2016).
- Jang, J., et al. Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells with solution processed silver nanowire composite window layers: buffer/window junctions and their effects. Solar Energy Materials and Solar Cells. 170, 60-67 (2017).
- Chung, C. -H., Bob, B., Song, T. -B., Yang, Y. Current-voltage characteristics of fully solution processed high performance CuIn(S,Se)2 solar cells: crossover and red kink. Solar Energy Materials and Solar Cells. 120, 642-646 (2014).
- Lee, S., et al. Robust nanoscale contact of silver nanowire electrodes to semiconductors to achieve high performance chalcogenide thin film solar cells. Nano Energy. 53, 675-682 (2018).
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