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Article de méthode

Fabrication de robuste nanoéchelle Contact entre une électrode nanofil identaire argentée et une couche tampon CdS dans Cu(In,Ga)Se2 Cellules solaires à film mince

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DOI :

10.3791/59909

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19 juillet 2019

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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

Dans cet article

Résumé

Dans ce protocole, nous décrivons la procédure expérimentale détaillée pour la fabrication d'un contact nanométrique robuste entre un réseau de nanofils d'argent et une couche tampon CdS dans une cellule solaire à couches minces CIGS.

Résumé

Des électrodes transparentes en nanofil argent ont été utilisées comme couches de fenêtre pour cu(In,Ga)Se2 cellules solaires à couches minces. Les électrodes de nanofil argenté s'est normalement entramable de très mauvaises performances cellulaires. L'intégration ou le sandwich des nanofils d'argent à l'aide de matériaux transparents modérément conductifs, tels que l'oxyde d'étain indium ou l'oxyde de zinc, peut améliorer la performance cellulaire. Cependant, les couches de matrice traitées par solution peuvent causer un nombre important de défauts interfaciaux entre les électrodes transparentes et le tampon CdS, ce qui peut éventuellement entraîner de faibles performances cellulaires. Ce manuscrit décrit comment fabriquer le contact électrique robuste entre une électrode de nanofil argenté et la couche tampon sous-jacente de CdS dans une cellule solaire de Cu(In,Ga)Se 2, permettant la performance élevée de cellules utilisant le nanowire argenté matrix-libre transparent Électrodes. L'électrode nanofil argentée sans matrice fabriquée par notre méthode prouve que la capacité de collecte de charges des cellules à base d'électrodes nanofil argentées est aussi bonne que celle des cellules standard avec znO:Al/i-ZnO aussi longtemps que les nanofils d'argent et Les CdS ont un contact électrique de haute qualité. Le contact électrique de haute qualité a été atteint en déposant une couche CdS supplémentaire aussi mince que 10 nm sur la surface de nanofil argenté.

Introduction

Les réseaux de nanofils d'argent (AgNW) ont fait l'objet d'études approfondies en tant qu'alternative à l'oxyde d'étain indium (ITO) transparent en réalisant des films minces en raison de leurs avantages par rapport aux oxydes conducteurs transparents conventionnels (TCO) en termes de coût de traitement plus faible et une meilleure flexibilité mécanique. Les électrodes de conduite transparentes (TCE) du réseau AgNW traitées par solution ont ainsi été employées dans cu (In,Ga)Se2 (CIGS) cellules solaires à couches minces1,2,3,4,5 , 6. Les TCE AgNW traitées par solution sont normalement fabriquées sous forme de structures agNW intégrées ou sandwich-AgNW dans une matrice conductrice telle que PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 Les couches de matrice peuvent améliorer que la collecte des porteurs de charge présents dans les espaces vides du réseau AgNW.

Cependant, les couches de matrice peuvent générer des défauts interfacial entre la couche de matrice et la couche tampon CdS sous-jacente dans les cellules solaires à couches minces CIGS12,13. Les défauts interfacial causent souvent un pli dans la courbe de densité-tension courante (J-V), ayant pour résultat un facteur de remplissage bas (FF) dans la cellule, qui est préjudiciable à la performance de cellules solaires. Nous avons précédemment signalé une méthode pour résoudre ce problème en déposant sélectivement une couche CdS mince supplémentaire (2nd CdS couche) entre les AgNWs et la couche tampon CdS14. L'incorporation d'une couche CdS supplémentaire a amélioré les propriétés de contact dans la jonction entre les couches AgNW et CdS. Par conséquent, la collection de transporteurs dans le réseau AgNW a été grandement améliorée, et les performances cellulaires ont été améliorées. Dans ce protocole, nous décrivons la procédure expérimentale pour fabriquer le contact électrique robuste entre le réseau D'AgNW et la couche tampon de CdS utilisant une couche CdS de 2nd dans une cellule solaire à film mince de CIGS.

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Protocole

1. Préparation du verre mo-enduit par DC magnétron pulvérisation

  1. Chargez les substrats de verre nettoyés dans un magnétron DC et pompez jusqu'à moins de 4 x 10-6 Torr.
  2. Flux de gaz Ar et de définir la pression de travail à 20 mTorr.
  3. Allumez le plasma et augmentez la puissance de sortie DC à 3 kW.
  4. Après le pré-sputtering de 3 min pour le nettoyage de cible, commencer le dépôt de Mo jusqu'à ce que l'épaisseur du film Mo atteigne environ 350 nm.
  5. Définir la pression de travail à 15 mTorr tout en maintenant la même puissance de sortie (c.-à-d., 3 kW).
  6. Reprenez le dépôt Mo jusqu'à ce que l'épaisseur totale de Mo atteigne environ 750 nm.

2. Dépôt de couche d'absorbeur CIGS au moyen d'une coevaporation en trois étapes

  1. Chargez le verre recouvert de Mo dans un co-évaporateur préchauffé sous un vide inférieur à 5 x 10-6 Torr.
  2. Définir les températures des cellules d'effusion In, Ga et Se produisant des taux de dépôt de 2,5 '/s, 1,3 '/s, et 15 '/s, respectivement.
    1. Vérifiez les taux de dépôt à l'aide de la technique du microbalance cristal liquet (QCM). Les taux de dépôt dépendent de la température fixe des cellules d'épanchement et de la quantité de matériaux dans les cellules d'épanchement.
  3. Commencer à fournir In, Ga et Se sur le verre enduit de Mo pour former une couche de précurseur de 1 m d'épaisseur (In,Ga)xSey à la température du substrat de 450 oC. Le temps de dépôt est de 15 min (à savoir, 1st étape).
  4. Arrêtez les approvisionnements D'In et Ga et augmentez la température du substrat à 550 oC.
  5. Commencer à fournir Cu (taux de dépôt: 1,5 '/s) sur le (In,Ga)xSey précurseur et continuer jusqu'à ce que le Cu / (In Ga) rapport de composition du film atteint 1,15. Notez que le taux de dépôt De est maintenu à 15 euros/s à travers la 2ème étape (à savoir, 2nd étape).
  6. Cessez de fournir Cu et évaporez In et Ga à nouveau avec les mêmes taux de dépôt que la 1ère étape pour finalement former un film CIGS d'environ 2 m d'épaisseur avec Cu / (In-Ga) ratio de composition de 0,9. Maintenir le taux de dépôt de Se et la température du substrat à 15 's et 550 'C, respectivement. Le temps de déposition de cette étape est de 4 min (à savoir 3ème étape).
  7. Afin d'assurer une réaction complète, anneale le film CIGS déposé sous se ambiante (15 '/s) pendant 5 min à la température du substrat de 550 oC.
  8. Refroidir la température du substrat à 450 oC sous le Se ambiant (15 o/s) puis décharger le substrat déposé par le CIGS lorsque la température du substrat est inférieure à 250 oC.

3. Croissance de la couche tampon CdS sur la couche d'absorbeur CIGS à l'aide d'une méthode chimique de dépôt de bain (CBD)

  1. Préparer la solution de bain de réaction CdS dans un bécher de 250 ml en ajoutant 97 ml d'eau DI, 0,079 g de Cd(CH3COO)2o 2H2O, 0,041 g de NH2CSNH2, et 0,155 g de CH3COONH4. Remuer la solution pendant plusieurs minutes pour mélanger. Assurez-vous que tous les solutés ajoutés sont complètement dissous.
  2. Ajouter 3 mL de NH4OH (28% NH3) dans la solution de bain et remuer la solution pendant 2 min. Figure 1 montre la configuration expérimentale de CBD pour CdS.
  3. Placez l'échantillon CIGS dans la solution de bain de réaction à l'aide d'un support d'échantillon de téflon.
  4. Placez le bain de réaction dans le bain de chaleur de l'eau maintenu à 65 oC et remuez la solution de bain de réaction à 200 tr/min à l'aide d'une barre magnétique pendant le processus de dépôt.
  5. Réagissez pendant 20 minutes pour générer une couche tampon CdS d'environ 70 à 80 nm sur le CIGS.
  6. Après la réaction, retirer l'échantillon du bain de réaction, laver avec un flux d'eau DI, et sécher avec du gaz N 2.
  7. Anneal l'échantillon à 120 oC pendant 30 min sur une plaque chaude.

4. Fabrication du réseau AgNW TCE

  1. Préparer une dispersion AgNW diluée (1 mg/ml) en mélangeant 19 ml d'éthanol avec 1 ml de dispersion AgNW à base d'éthanol achetée (20 mg/ml).
  2. Verser 0,2 ml de la dispersion diluée d'AgNW sur un échantillon CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) pour couvrir toute la surface de l'échantillon et faire pivoter l'échantillon de 1 000 tr/min pour 30 s.
  3. Répétez l'étape 4.2 au besoin pour atteindre les propriétés optiques et électriques souhaitées. Enrobez les AgNWs 3x. Une image de microscopie électronique à balayage (SEM) de l'AgNW TCE enduite est montrée dans la figure 2.
  4. Après le spin-enrobage, annexer l'échantillon à 120 oC pendant 5 min sur une plaque chaude.

5. Dépôt de la couche CdS 2nd

  1. Préparer une nouvelle solution de bain de réaction CdS telle que décrite à l'étape 3.1.
  2. Déposer le CdS comme à l'article 3, sauf modifier le temps de réaction au besoin.
    REMARQUE: Nous avons optimisé le temps de réaction, et 10 min a abouti à l'appareil CIGS avec les meilleures performances. L'effet du temps de dépôt de 2nd CdS sur une performance de dispositif de cellules solaires à film mince de CIGS peut être trouvé dans notre travail précédent14.

6. Techniques de caractérisation

  1. Caractériser la morphologie de surface et transversale des AgNW et des AgNW enduits de CdS par le SEM d'émission sur le terrain et la microscopie électronique de transmission (TEM).
  2. Mesurer la performance des cellules solaires à l'aide d'une source de tension de courant équipée d'un simulateur solaire (1 000 W/m2, AM1.5G).

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Résultats

Les structures de calque des cellules solaires CIGS avec (a) standard ZnO:Al/i-ZnO et (b) AgNW TCE sont représentées dans la figure 3. La morphologie de surface de CIGS est rugueuse, et un écart à l'échelle nanométrique peut se former entre la couche AgNW et la couche tampon CdS sous-jacente. Comme le souligne la figure 3A, la couche CdS de 2nd peut être déposée sélectivement sur l'espace nanométrique pour créer un con...

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Discussion

Notez que le temps de dépôt de la couche CdS 2nd doit être optimisé pour atteindre les performances cellulaires optimales. À mesure que le temps de dépôt augmente, l'épaisseur de la couche CdS de 2nd augmente et, par conséquent, le contact électrique s'améliorera. Cependant, un dépôt supplémentaire de la couche CdS 2nd se traduira par une couche plus épaisse qui réduit l'absorption de la lumière, et l'efficacité de l'appareil diminuera. Nous avons réalisé la meilleure performance cellulai...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Cette recherche a été soutenue par le Programme interne de recherche et de développement de l'Institut coréen de recherche sur l'énergie (KIER) (B9-2411) et le Programme de recherche en sciences fondamentales par l'intermédiaire de la National Research Foundation of Korea (NRF) financé par le ministère de la Éducation (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
MoMaterionPureté : 3N5Mo pulvérisation cathodique
Cu5N PlusPureté : 4N7Dépôt CIGS
In5N PlusPureté : 5NCIGS dépôt
Ga5N PlusPurité : 5NCIGS dépôt
Se5N PlusPurité : 5NCIGS dépôt
Acétate d’ammoniumAlfa Aesar11599CdS solution
réactionnelle Hydroxyde d’ammoniumAlfa AesarL13168CdS Solution réactionnelle
Acétate de cadmium dihydratéSigma-Aldrich289159CdS solution réactionnelle
ThiouréeSigma-AldrichT8656CdS Solution réactionnelle
Nanofild’argent ACSMaterialAgNW-L30AgNW dispersion

Références

  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).

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Réimpressions et autorisations

Mots-clés

Cellules solaires couches minces CIGSam lioration du contact lectriquepulv risation cathodique DCd p t de molybd ned p t de sulfure de cadmiumproc d de d p t par centrifugationanalyse TEM en coupe transversalemesure des performances du dispositif
Fabrication de robuste nanoéchelle Contact entre une électrode nanofil identaire argentée et une couche tampon CdS dans Cu(In,Ga)Se2 Cellules solaires à film mince
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