Fabricación de contacto robusto a nanoescala entre un electrodo de nanohilo de plata y una capa de búfer CdS en Cu(In,Ga)Se₂ Thin-film Solar Cells

Las redes de nanohilos de plata son una tecnología emergente para reemplazar los óxidos conductores transparentes tradicionales en la aplicación de células solares de película delgada. Sin embargo, el contacto eléctrico con la capa subyacente ha sido un problema. Nuestro protocolo es un método de proceso simple para mejorar la propiedad de contacto eléctrico entre la red de nanohilos de plata y la capa de búfer CdS subyacente en las células solares de película delgada CIGS.

Nuestro método es un proceso muy simple, reproducible y barato basado en soluciones. También es comparable al proceso existente basado en soluciones, para fabricar células solares de película delgada CIGS. En primer lugar, cargue los sustratos de vidrio limpios en un magnetrón de CC, y bombee hacia abajo para soplar cuatro veces 10 a menos seis torr.

Flute el gas de argón y ajuste la presión de trabajo a 20 milivatros. Encienda el plasma y aumente la potencia de salida de CC a tres kilovatios. Después de pre-pulverizar tres minutos para la limpieza del objetivo, comience la deposición del molibdeno hasta que el espesor de la película de molibdeno alcance aproximadamente 350 nanómetros.

A continuación, ajuste la presión de trabajo a 15 milcitores, manteniendo la potencia de salida en 3 kilovatios. Reanudar la deposición del molibdeno hasta que el espesor total del molibdeno alcance aproximadamente 750 nanómetros. Cargue el vidrio recubierto de molibdeno en un co-evaporador precalentado bajo un vacío inferior a 5 veces 10 a menos 6 torr.

Establecer las temperaturas de las células de derrame de indio, galio y selenio produciendo tasas de deposición de 2.5, 1.3, y 15 angstroms por segundo, respectivamente. Compruebe las tasas de deposición utilizando la técnica de microbalance de cristal de cuarzo. Comience a suministrar indio, galio y selenio en el vidrio recubierto de molibdeno para formar una capa precursora de indium-galio-selenio de un micrómetro de espesor a una temperatura de sustrato de 450 grados Celsius.

Después de 15 minutos, detenga los suministros de indio y galio y aumente la temperatura del sustrato a 550 grados centígrados. A continuación, comience a suministrar cobre en el precursor de indio-galio-selenio y continúe hasta que la relación compositiva de cobre a indio+galio de la película alcance 1.15. Deje de suministrar cobre y evapore el indio y el galio de nuevo con las mismas tasas de deposición que la primera etapa para formar una película CIGS de aproximadamente 2 micrómetros de espesor con una relación compositiva de cobre a indio+galio de 0,9.

Mantener la tasa de deposición de selenio y la temperatura del sustrato en 15 angstroms por segundo y 550 grados Celsius, respectivamente. Con el fin de garantizar una reacción completa, recocido la película CIGS depositada bajo selenio ambiental durante 5 minutos a una temperatura de sustrato de 550 grados centígrados. Disminuya la temperatura del sustrato a 450 grados Celsius bajo selenio ambiental, y luego descargue el sustrato depositado CIGS cuando la temperatura del sustrato esté por debajo de 250 grados Celsius.

Preparar una solución de baño de reacción de sulfuro de cadmio en un vaso de precipitados de 250 mililitros, añadiendo agua desionizada, acetato de cadmio dihidrato, tótrase y acetato de amonio. Revuelva la solución durante varios minutos hasta que quede homogénea. Agregue 3 mililitros de hidróxido de amonio a la solución de baño y revuelva durante 2 minutos.

A continuación, coloque la muestra DE CIGS en la solución de baño de reacción utilizando un portacuchillas de teflón. Coloque el baño de reacción en un baño de calor de agua, mantenido a 65 grados centígrados. Revuelva la solución de baño de reacción a 200 RPM durante el proceso de deposición, permitiendo que la reacción continúe durante 20 minutos para generar una capa tampón de sulfuro de cadmio de aproximadamente 70-80 nanómetros en el CIGS.

Después de la reacción, retire la muestra del baño de reacción, lave con un flujo de agua desionizada y seque con gas nitrógeno. Anneal la muestra a 120 grados Celsius durante 30 minutos en una placa de cocción precalentada. Prepare una dispersión de nanohilos de plata de 1 miligramo por mililitro mezclando 90 mililitros de etanol con 1 mililitro de una dispersión de nanohilos de plata a base de etanol de 20 miligramos por mililitro.

Vierta 0,2 mililitros de la dispersión de nanohilos de plata diluida en una muestra de sulfuro de cadmio CIGS, para cubrir toda la superficie, y gire la muestra a 1000 RPM durante 30 segundos. Después de esto, spin-coat los nanohilos de plata 3 veces. Después del recubrimiento de espín, recose la muestra a 120 grados Centígrados durante 5 minutos en una placa de cocción precalentada.

Prepare una nueva solución de baño de reacción de sulfuro de cadmio como se describió anteriormente. Deposite sulfuro de cadmio como se describió anteriormente, excepto cambiar el tiempo de reacción, según sea necesario. Ahora, caracterizar la morfología superficial de los nanohilos de plata recubiertos de sulfuro de cadmio por microscopía óptica.

Mida el rendimiento de la célula solar utilizando una fuente de voltaje de corriente equipada con un simulador solar. Las estructuras de capa de las células solares CIGS con óxido de zinc dopado de aluminio estándar en óxido de zinc intrínseco y electrodos conductores transparentes de red de nanohilos de plata se muestran aquí. La segunda capa de sulfuro de cadmio se puede depositar selectivamente en la brecha a nanoescala para crear un contacto eléctrico estable.

Aquí se muestran imágenes de microscopía electrónica de transmisión transversal, a lo largo de la segunda capa de sulfuro de cadmio, depositadas en la red de nanohilos de plata en la estructura CIGS de sulfuro de cadmio, y a través de la segunda capa de sulfuro de cadmio depositada en la red de nanohilos de plata. La segunda capa de sulfuro de cadmio se deposita uniformemente en la superficie de los nanohilos de plata y se produce la capa de cadmio en la estructura de nanohilos de plata de la cáscara del núcleo. La segunda capa de sulfuro de cadmio llena los espacios de aire entre las capas de tampón de cadmio y nanohilo de plata, y se logra un contacto eléctrico estable.

El rendimiento del dispositivo de una célula solar de película delgada CIGS con nanohilos de plata desnuda, y la capa de sulfuro de cadmio en los electrodos de conducción transparente de nanohilo de plata de carcasa de núcleo se muestra aquí. Debido al contacto eléctrico inestable, la célula con nanohilos de plata desnuda tiene un rendimiento deficiente del dispositivo. La deposición de una segunda capa de cadmio mejora en gran medida el rendimiento de la célula.

El paso más importante en nuestro protocolo es fabricar una segunda capa CdS en la red de nanohilos de plata. El tiempo divergente se puede optimizar midiendo el rendimiento del dispositivo de la célula solar de película delgada CIGS. Sugerimos un método para fabricar un contacto eléctrico a nanoescala robusto en el sistema CIGS.

Creemos que nuestro método se puede aplicar a otros sistemas de células solares, que requieren la mejora de las propiedades de contacto eléctrico.