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

Silber-Nanodraht-Netzwerke sind eine neue Technologie, um traditionelle transparente leitfähige Oxide in der Dünnschicht-Solarzellenanwendung zu ersetzen. Der elektrische Kontakt zur darunter liegenden Schicht war jedoch ein Problem. Unser Protokoll ist eine einfache Prozessmethode zur Verbesserung der elektrischen Kontakteigenschaft zwischen dem Silber-Nanodraht-Netzwerk und der zugrunde liegenden CdS-Pufferschicht in CIGS-Dünnschicht-Solarzellen.

Unsere Methode ist ein sehr einfacher, reproduzierbarer und kostengünstiger lösungsbasierter Prozess. Es ist auch vergleichbar mit dem bestehenden lösungsbasierten Verfahren, Um CIGS Dünnschicht-Solarzellen herzustellen. Zuerst reinigensie Glassubstrate in ein GLEICHstrommagnetron laden und abpumpen, um viermal 10 bis minus sechs Torr zu blasen.

Durchfluss Argongas, und stellen Sie den Arbeitsdruck auf 20 Millitorr. Schalten Sie das Plasma ein, und erhöhen Sie die Gleichstromleistung auf drei Kilowatt. Nach drei Minuten Vorspritzen für die Zielreinigung beginnen Sie mit der Molybdänabscheidung, bis die Molybdänschichtdicke etwa 350 Nanometer erreicht.

Stellen Sie als Nächstes den Arbeitsdruck auf 15 Millitorr ein, während die Ausgangsleistung bei 3 Kilowatt bleibt. Setzen Sie die Molybdänabscheidung fort, bis die Gesamtdicke von Molybdän etwa 750 Nanometer erreicht. Das molybdän beschichtete Glas unter einem Vakuum unter 5 mal 10 bis minus 6 Torr in einen vorgeheizten Co-Verdampfer laden.

Stellen Sie die Temperaturen der Indium-, Gallium- und Selenergusszellen ein, die Abscheidungsraten von 2,5, 1,3 bzw. 15 Angstroms pro Sekunde ergeben. Überprüfen Sie die Abscheidungsraten mit der Quarzkristall-Mikrobalance-Technik. Beginnen Sie, Indium, Gallium und Selen auf das Molybdän-beschichtete Glas zu liefern, um eine ein Mikrometer dicke Indium-Gallium-Selen-Vorläuferschicht bei einer Substrattemperatur von 450 Grad Celsius zu bilden.

Nach 15 Minuten die Indium- und Galliumvorräte stoppen und die Substrattemperatur auf 550 Grad Celsius erhöhen. Als nächstes beginnen Sie, Kupfer auf den Indium-Gallium-Selen-Vorläufer zu liefern und weiterzumachen, bis das Kompositionsverhältnis von Kupfer zu Indium+Gallium 1,15 erreicht. Beenden Sie die Lieferung von Kupfer und verdampfen Sie das Indium und Gallium wieder mit den gleichen Abscheidungsraten wie die erste Stufe, um eine ca. 2 Mikrometer dicke CIGS-Folie mit einem Kupfer-Indium+Gallium-Kompositionsverhältnis von 0,9 zu bilden.

Halten Sie die Selenabscheidungsrate und Substrattemperatur bei 15 Angstroms pro Sekunde bzw. 550 Grad Celsius. Um eine vollständige Reaktion zu gewährleisten, wird die abgelagerte CIGS-Folie unter Umgebungsselen für 5 Minuten bei einer Substrattemperatur von 550 Grad Celsius anneal. Verringern Sie die Substrattemperatur unter Umgebungsselen auf 450 Grad Celsius, und entladen Sie dann das abgelagerte CIGS-Substrat, wenn die Substrattemperatur unter 250 Grad Celsius liegt.

Bereiten Sie eine Cadmiumsulfid-Reaktionsbadlösung in einem 250-Milliliter-Becher vor, indem Sie deionisiertes Wasser, Cadmiumacetat-Dihydrat, Thiourea und Ammoniumacetat hinzufügen. Rühren Sie die Lösung für mehrere Minuten, bis homogen. 3 Milliliter Ammoniumhydroxid in die Badlösung geben und 2 Minuten rühren.

Als nächstes legen Sie die CIGS-Probe mit einem Teflon-Probenhalter in die Reaktionsbadlösung. Legen Sie das Reaktionsbad in ein Wasserwärmebad, das bei 65 Grad Celsius gehalten wird. Rühren Sie die Reaktionsbadlösung bei 200 RPM während des Abscheidungsprozesses, so dass die Reaktion 20 Minuten lang fortgesetzt werden kann, um eine ca. 70-80 Nanometer Cadmiumsulfidpufferschicht auf dem CIGS zu erzeugen.

Nach der Reaktion die Probe aus dem Reaktionsbad entfernen, mit einem Fluss von entionisiertem Wasser waschen und mit Stickstoffgas trocknen. Die Probe 30 Minuten lang bei 120 Grad Celsius auf einer vorgeheizten Kochplatte anspeisen. Bereiten Sie eine 1-Milligramm-pro-Milliliter-Silber-Nanodrahtdispersion vor, indem Sie 90 Milliliter Ethanol mit 1 Milliliter einer 20-Milligramm-pro-Milliliter-Silber-basierten Silber-Nanodrahtdispersion auf Ethanolbasis mischen.

Gießen Sie 0,2 Milliliter der verdünnten Silber-Nanodrahtdispersion auf eine Cadmiumsulfid-CIGS-Probe, um die gesamte Oberfläche zu bedecken, und drehen Sie die Probe 30 Sekunden lang bei 1000 Umdrehungen. Anschließend die Silbernanodrähte dreimal verschichten. Nach der Spin-Beschichtung die Probe bei 120 Grad Celsius für 5 Minuten auf einer vorgeheizten Kochplatte annealieren.

Bereiten Sie eine neue Cadmiumsulfid-Reaktionsbadlösung wie zuvor beschrieben vor. Cadmiumsulfid wie zuvor beschrieben ablagern, außer die Reaktionszeit bei Bedarf ändern. Charakterisieren Sie nun die Oberflächenmorphologie von Cadmiumsulid-beschichteten Silber-Nanodrähten durch optische Mikroskopie.

Messen Sie die Leistung von Solarzellen mit einer Stromspannungsquelle, die mit einem Solarsimulator ausgestattet ist. Die Schichtstrukturen der CIGS-Solarzellen mit Standard-Aluminium-dotiertem Zinkoxid auf intrinsischen Zinkoxid und Silber-Nanodraht-Netzwerk transparent leitenden Elektroden werden hier gezeigt. Die zweite Cadmiumsulfidschicht kann selektiv auf den nanoskaligen Spalt abgelagert werden, um einen stabilen elektrischen Kontakt zu erzeugen.

Hier werden Querschnitts-Transmissionselektronenmikroskopiebilder entlang der zweiten Cadmiumsulfidschicht gezeigt, die sich auf dem Silber-Nanodraht-Netzwerk auf der Cadmiumsulfid-CIGS-Struktur und über die zweite Cadmiumsulfidschicht, die auf dem Silber-Nanodraht-Netzwerk abgelagert ist, ablagert. Die zweite Cadmiumsulfidschicht wird gleichmäßig auf der Oberfläche der Silber-Nanodrähte abgelagert und die Cadmiumschicht auf der Kernschalen-Silber-Nanodrahtstruktur hergestellt. Die zweite Cadmiumsulfidschicht füllt die Luftspalte zwischen den Cadmiumpuffer- und Silber-Nanodrahtschichten, und ein stabiler elektrischer Kontakt wird erreicht.

Hier wird die Geräteleistung einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle mit blanken Silber-Nanodrähten und die Cadmiumsulfidschicht auf der Kernschalen-Silber-Nanodraht-Transparent-Leitelektroden gezeigt. Durch instabilen elektrischen Kontakt hat die Zelle mit blanken Silber-Nanodrähten eine schlechte Geräteleistung. Die Ablagerung einer zweiten Cadmiumschicht verbessert die Zellleistung erheblich.

Der wichtigste Schritt in unserem Protokoll ist die Herstellung einer zweiten CdS-Schicht im Silber-Nanodraht-Netzwerk. Die unterschiedliche Zeit kann durch Messung der Geräteleistung der CIGS Dünnschicht-Solarzelle optimiert werden. Wir schlagen eine Methode zur Herstellung robuster nanoskaliger elektrischer Kontakte im CIGS-System vor.

Wir glauben, dass unsere Methode auf andere Solarzellensysteme angewendet werden kann, die eine Verbesserung der elektrischen Kontakteigenschaften erfordern.