Methodenartikel

Herstellung eines robusten Nano-Kontakts zwischen einer Silber-Nanodrahtelektrode und einer CdS-Pufferschicht in Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht-Solarzellen

5.8K Ansichten

⸱

DOI:

10.3791/59909

⸱

19. Juli 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Engineering, Hanbat National University, 2Department of Materials and Manufacturing Engineering, Hanbat National University, 3Photovoltaics Laboratory, Korea Institute of Energy Research, 4Renewable Energy Engineering, University of Science and Technology, Daejeon

In diesem Artikel

Zusammenfassung

In diesem Protokoll beschreiben wir das detaillierte experimentelle Verfahren zur Herstellung eines robusten nanoskaligen Kontakts zwischen einem Silber-Nanodraht-Netzwerk und cdS-Pufferschicht in einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle.

Zusammenfassung

Silber Nanodraht transparente Elektroden wurden als Fensterschichten für Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht-Solarzellen verwendet. Bare Silber NanodrahtElektroden führen in der Regel zu sehr schlechten Zellleistung. Das Einbetten oder Sandwichen von Silber-Nanodrähten mit mäßig leitfähigen transparenten Materialien wie Indiumzinnoxid oder Zinkoxid kann die Zellleistung verbessern. Die lösungsverarbeiteten Matrixschichten können jedoch eine erhebliche Anzahl von Grenzflächendefekten zwischen transparenten Elektroden und dem CdS-Puffer verursachen, was schließlich zu einer geringen Zellleistung führen kann. Dieses Manuskript beschreibt, wie ein robuster elektrischer Kontakt zwischen einer silbernen Nanodrahtelektrode und der darunter liegenden CdS-Pufferschicht in einer Cu(In,Ga)Se 2-Solarzelle hergestellt wird, was eine hohe Zellleistung mit matrixfreiem Silber-Nanodraht transparent ermöglicht. Elektroden. Die nach unserer Methode hergestellte matrixfreie Silber-Nanodrahtelektrode beweist, dass die Ladungsträger-Sammelfähigkeit von Silber-Nanodraht-Elektroden-basierten Zellen so gut ist wie die von Standardzellen mit gesputterter ZnO:Al/i-ZnO, solange die Silber-Nanodrähte und CdS haben hochwertigen elektrischen Kontakt. Der hochwertige elektrische Kontakt wurde durch die Ablagerung einer zusätzlichen CdS-Schicht von bis zu 10 nm auf die Silber-Nanodrahtoberfläche erreicht.

Einleitung

Silber-Nanodraht-Netzwerke (AgNW) wurden als Alternative zu indium zinnoxid (ITO) transparenten Dünnschichten aufgrund ihrer Vorteile gegenüber herkömmlichen transparenten Leitoxiden (TCOs) in Bezug auf niedrigere Verarbeitungskosten und bessere mechanische Flexibilität. Lösungsbearbeitete AgNW-Netzwerk-Transparente Leitungselektroden (TCEs) wurden daher in Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) Dünnschicht-Solarzellen1,2,3,4,5 eingesetzt , 6. Lösungsbearbeitete AgNW-TCEs werden in der Regel in Form von Embedded-AgNW- oder Sandwich-AgNW-Strukturen in einer leitfähigen Matrix wie PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc. hergestellt7,8,9, 10,11 Die Matrixschichten können die Erfassung der Ladungsträger in den leeren Räumen des AgNW-Netzes verbessern.

Die Matrixschichten können jedoch Grenzflächendefekte zwischen der Matrixschicht und der zugrunde liegenden CdS-Pufferschicht in CIGS-Dünnschicht-Solarzellen12,13erzeugen. Die Grenzflächendefekte verursachen oft einen Knick in der Stromdichte-Spannungskurve (J-V), was zu einem niedrigen Füllfaktor (FF) in der Zelle führt, was die Leistung von Solarzellen beeinträchtigt. Wir hatten zuvor eine Methode zur Behebung dieses Problems gemeldet, indem eine zusätzliche dünne CdS-Schicht (2. CdS-Schicht) selektiv zwischen den AgNWs und der CdS-Pufferschicht14abgelegt wurde. Durch die Einbindung einer zusätzlichen CdS-Schicht wurden die Kontakteigenschaften im Knoten zwischen den AgNW- und CdS-Layern verbessert. Folglich wurde die Trägersammlung im AgNW-Netzwerk erheblich verbessert und die Zellleistung verbessert. In diesem Protokoll beschreiben wir das experimentelle Verfahren zur Herstellung eines robusten elektrischen Kontakts zwischen dem AgNW-Netzwerk und der CdS-Pufferschicht mit einer 2. CdS-Schicht in einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Protokoll

1. Herstellung von Mo-beschichtetem Glas durch DC-Magnetron-Sputtern

  1. Reinigene Glassubstrate in ein GLEICHstrommagnetron laden und bis unter 4 x 10-6 Torr pumpen.
  2. Durchfluss Ar Gas und stellen Sie den Arbeitsdruck auf 20 mTorr.
  3. Schalten Sie Plasma ein und erhöhen Sie die DC-Ausgangsleistung auf 3 kW.
  4. Nach dem Vorspritzen von 3 min für die Zielreinigung beginnen Sie mit der Mo-Abscheidung, bis die Mo-Foliendicke ca. 350 nm erreicht.
  5. Stellen Sie den Arbeitsdruck auf 15 mTorr ein, während Sie die gleiche Ausgangsleistung (d. h. 3 kW) beibehalten.
  6. Setzen Sie die Mo-Abscheidung fort, bis die Gesamtdicke von Mo etwa 750 nm erreicht.

2. CIGS-Absorberschichtabscheidung durch dreistufige Verdampfung

  1. Mo-beschichtetes Glas unter einem Vakuum unter 5 x 10-6 Torr in einen vorgeheizten Co-Verdampfer laden.
  2. Stellen Sie die Temperaturen von In-, Ga- und Se-Ergusszellen mit Abscheidungsraten von 2,5 ,/s, 1,3 ,/s bzw. 15 °C/s ein.
    1. Überprüfen Sie die Abscheidungsraten mit der Quarzkristall-Mikrobalance (QCM)-Technik. Die Abscheidungsraten sind abhängig von der eingestellten Temperatur der Ergusszellen und der Menge der Materialien in den Ergusszellen.
  3. Beginnen Sie, In, Ga und Se auf das Mo-beschichtete Glas zu liefern, um eine 1 m dicke (In,Ga)xSey Vorläuferschicht bei einer Substrattemperatur von 450 °C zu bilden. Die Abscheidungszeit beträgt 15 min (nämlich1. Stufe).
  4. Stoppen Sie die In- und Ga-Versorgung und erhöhen Sie die Substrattemperatur auf 550 °C.
  5. Beginnen Sie, Cu (Abscheidungsrate: 1,5 x/s) auf den (In,Ga)xSey Vorläufer zu liefern und fahren Sie fort, bis das Kompositionsverhältnis Cu/(In + Ga) des Films 1,15 erreicht. Beachten Sie, dass die Se-Abscheidungsrate bis zur 2. Stufe bei 15 °/s gehalten wird (nämlich 2. Stufe).
  6. Stoppen Sie die Versorgung von Cu und verdampfen Sie In und Ga wieder mit den gleichen Abscheidungsraten wie die 1. Stufe, um schließlich eine ca. 2 m dicke CIGS-Folie mit Cu/(In+Ga) Kompositionsverhältnis von 0,9 zu bilden. Halten Sie die Se-Abscheidungsrate und die Substrattemperatur bei 15 °s bzw. 550 °C. Die Abscheidungszeit dieser Stufe beträgt 4 min (nämlich 3. Stufe).
  7. Um eine vollständige Reaktion zu gewährleisten, wird die abgelagerte CIGS-Folie unter Umgebungss-Se (15 x/s) für 5 min bei einer Substrattemperatur von 550 °C anneal.
  8. Kühlen Sie die Substrattemperatur unter Umgebungsse auf 450 °C ab und entladen Sie dann das CIGS-abgelagerte Substrat, wenn die Substrattemperatur unter 250 °C liegt.

3. Wachstum der CdS-Pufferschicht auf der CIGS-Absorberschicht mit einer chemischen Badabscheidungsmethode (CBD)

  1. Bereiten Sie die CdS-Reaktionsbadlösung in einem 250 ml Becher vor, indem Sie 97 ml DI-Wasser, 0,079 g Cd(CH3COO)2x 2H2O, 0,041 g NH2CSNH2und 0,155 g CH3COONH4hinzufügen. Rühren Sie die Lösung für mehrere Minuten zu mischen. Stellen Sie sicher, dass alle hinzugefügten Gelösten vollständig aufgelöst sind.
  2. Fügen Sie 3 ml NH4OH (28% NH3) in die Badlösung und rühren Sie die Lösung für 2 min. Abbildung 1 zeigt den experimentellen Aufbau von CBD für CdS.
  3. Die CIGS-Probe mit einem Teflon-Probenhalter in die Reaktionsbadlösung geben.
  4. Das Reaktionsbad in das bei 65 °C gehaltene Wasser-Wärmebad geben und die Reaktionsbadlösung bei 200 Umdrehungen bei 200 Umdrehungen rühren.
  5. Reagieren Sie 20 min lang, um eine ca. 70 bis 80 nm CdS-Pufferschicht auf dem CIGS zu erzeugen.
  6. Nach der Reaktion die Probe aus dem Reaktionsbad entfernen, mit einem Di-Wasserfluss waschen und mit N2-Gas trocknen.
  7. Die Probe bei 120 °C 30 min auf einer Kochplatte annealieren.

4. Herstellung des AgNW TCE-Netzes

  1. Bereiten Sie eine verdünnte AgNW-Dispersion (1 mg/ml) vor, indem Sie 19 ml Ethanol mit 1 ml einer gekauften Ethanol-basierten AgNW-Dispersion (20 mg/ml) mischen.
  2. 0,2 ml der verdünnten AgNW-Dispersion auf eine CdS/CIGS-Probe (2,5 cm x 2,5 cm) gießen, um die gesamte Oberfläche der Probe abzudecken und die Probe mit 1.000 Umdrehungen für 30 s zu drehen.
  3. Wiederholen Sie Schritt 4.2 nach Bedarf, um die gewünschten optischen und elektrischen Eigenschaften zu erreichen. Die AgNWs 3x verschichten. Abbildung 2zeigt ein Rasterelektronenmikroskopie (SEM) des spinbeschichteten AgNW TCE .
  4. Nach der Spin-Beschichtung die Probe bei 120 °C für 5 min auf einer Kochplatte annealieren.

5. Abscheidung der 2. CdS-Schicht

  1. Bereiten Sie eine neue CdS-Reaktionsbadlösung vor, wie in Schritt 3.1 beschrieben.
  2. Legen Sie CdS wie in Abschnitt 3 ab, außer ändern Sie die Reaktionszeit bei Bedarf.
    HINWEIS: Wir haben die Reaktionszeit optimiert, und 10 min führte zu dem CIGS-Gerät mit der besten Leistung. Der Effekt der 2. CdS-Abscheidungszeit auf eine CIGS Dünnschicht-Solarzellen-Geräteleistung finden Sie in unserer vorherigen Arbeit14.

6. Charakterisierungstechniken

  1. Charakterisieren Sie die Oberflächen- und Querschnittsmorphologie von AgNWs und CdS-beschichteten AgNWs durch Feldemission SEM und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).
  2. Messen Sie die Leistung von Solarzellen mit einer Stromspannungsquelle, die mit einem Solarsimulator (1.000 W/m2, AM1.5G) ausgestattet ist.

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Ergebnisse

Die Schichtstrukturen der CIGS-Solarzellen mit (a) Standard ZnO:Al/i-ZnO und (b) AgNW TCE sind in Abbildung 3dargestellt. Die Oberflächenmorphologie von CIGS ist rau, und zwischen der AgNW-Schicht und der zugrunde liegenden CdS-Pufferschicht kann sich ein nanoskaliger Spalt bilden. Wie in Abbildung 3Ahervorgehoben, kann die 2. CdS-Schicht selektiv auf die nanoskaligen Lücke abgelagert werden, um einen stabilen elektrischen Kontak...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Diskussion

Beachten Sie, dass die Abscheidungszeit der 2. CdS-Schicht optimiert werden muss, um die optimale Zellleistung zu erzielen. Mit zunehmender Abscheidungszeit nimmt die Dicke der 2. CdS-Schicht zu, so dass sich der elektrische Kontakt verbessert. Eine weitere Ablagerung der2. CdS-Schicht führt jedoch zu einer dickeren Schicht, die die Lichtabsorption reduziert, und die Geräteeffizienz wird verringert. Wir erreichten die beste Zellleistung mit 10 min Abscheidungszeit für die2. CdS...

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Diese Forschung wurde durch das interne Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) und das Basic Science Research Program durch die National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, die vom Ministerium für Bildung (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
MoMaterionReinheit: 3N5Mo Sputtern
Cu5N PlusReinheit: 4N7CIGS Abscheidung
In5N PlusReinheit: 5NCIGS Abscheidung
Ga5N PlusReinheit: 5NCIGS Abscheidung
Se5N PlusReinheit: 5NCIGS Abscheidung
AmmoniumacetatAlfa Aesar11599CdS-Reaktionslösung
AmmoniumhydroxidAlfa AesarL13168CdS-Reaktionslösung
Cadmiumacetat-DihydratSigma-Aldrich289159CdS-Reaktionslösung
ThioharnstoffSigma-AldrichT8656CdS-Reaktionslösung
Silber NanodrahtACSMaterielleAgNW-L30AgNW-Dispersion

Referenzen

  1. 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).
  2. Langley, D., et al. Flexible transparent conductive materials based on silver nanowire networks: a review. Nanotechnology. 24 (45), 452001(2013).
  3. 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).
  4. Liu, C. -H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6 (1), (2011).
  5. Yu, Z., et al. Highly flexible silver nanowire electrodes for shape-memory polymer light-emitting diodes. Advanced Materials. 23 (5), 664-668 (2011).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).

Zugriff eingeschränkt. Bitte melden Sie sich an oder starten Sie eine Testversion, um diesen Inhalt anzuzeigen.

Nachdrucke und Genehmigungen

Genehmigung beantragen, um den Text oder die Abbildungen dieses JoVE-Artikels zu verwenden

Genehmigung beantragen

Schlagwörter

CIGS D nnschichtsolarzellenVerbesserung des elektrischen KontaktsDC Magnetron SputternMolybd n DepositionCadmiumsulfid DepositionSpin Coating VerfahrenTEM QuerschnittsanalyseMessung der Bauteilleistung

Verwandte Artikel