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

Les réseaux nanofils argentés sont une technologie émergente pour remplacer les oxydes conductrices transparents traditionnels dans l’application de cellules solaires à couches minces. Cependant, le contact électrique avec la couche sous-jacente a été un problème. Notre protocole est une méthode de processus simple pour améliorer la propriété de contact électrique entre le réseau nanofil argenté et la couche tampon sous-jacente de CdS dans les cellules solaires à couches minces cigs.

Notre méthode est un processus très simple, reproductible et bon marché basé sur les solutions. Il est également comparable au processus existant basé sur les solutions, pour fabriquer des cellules solaires à couches minces CIGS. Tout d’abord, chargez les substrats en verre nettoyés dans un magnétron DC, et pompez vers le bas pour souffler quatre fois 10 à la moins six torr.

Écoulez le gaz argon et réglez la pression de travail à 20 millitorr. Allumez le plasma et augmentez la puissance de sortie de DC à trois kilowatts. Après avoir pré-pulvérisé trois minutes pour le nettoyage de la cible, commencer le dépôt de molybdène jusqu’à ce que l’épaisseur du film molybdène atteigne environ 350 nanomètres.

Ensuite, réglez la pression de travail à 15 millitorr, tout en maintenant la puissance de sortie à 3 kilowatts. Reprendre le dépôt de molybdène jusqu’à ce que l’épaisseur totale du molybdène atteigne environ 750 nanomètres. Charger le verre recouvert de molybdène dans un co-évaporateur préchauffé sous vide inférieur à 5 fois 10 à moins 6 torr.

Réglez les températures des cellules d’effusion d’indium, de gallium et de sélénium donnant des taux de dépôt de 2,5, 1,3 et 15 angstroms par seconde, respectivement. Vérifiez les taux de dépôt à l’aide de la technique de microbalance de cristal de quartz. Commencez à fournir de l’indium, du gallium et du sélénium sur le verre recouvert de molybdène pour former une couche précurseur indium-gallium-sélénium d’un micromètre d’épaisseur à une température du substrat de 450 degrés Celsius.

Après 15 minutes, arrêter les réserves d’indium et de gallium et augmenter la température du substrat à 550 degrés Celsius. Ensuite, commencez à fournir du cuivre sur le précurseur de l’indium-gallium-sélénium et continuez jusqu’à ce que le rapport compositionnel cuivre-indium+gallium du film atteigne 1,15. Arrêtez de fournir du cuivre et évaporez à nouveau l’indium et le gallium avec les mêmes taux de dépôt que la première étape pour former un film CIGS d’environ 2 micromètres d’épaisseur avec un rapport compositionnel cuivre-indium+gallium de 0,9.

Maintenir le taux de dépôt de sélénium et la température du substrat à 15 angstroms par seconde et 550 degrés Celsius, respectivement. Afin d’assurer une réaction complète, anneal le film CIGS déposé sous le sélénium ambiant pendant 5 minutes à une température de substrat de 550 degrés Celsius. Diminuer la température du substrat à 450 degrés Celsius sous le sélénium ambiant, puis décharger le substrat déposé cigs lorsque la température du substrat est inférieure à 250 degrés Celsius.

Préparer une solution de bain de réaction de sulfure de cadmium dans un bécher de 250 millilitres, en ajoutant de l’eau déionisée, du dihydrate d’acétate de cadmium, de la thiourée et de l’acétate d’ammonium. Remuer la solution pendant plusieurs minutes jusqu’à homogénéité. Ajouter 3 millilitres d’hydroxyde d’ammonium à la solution de bain et remuer pendant 2 minutes.

Ensuite, placez l’échantillon CIGS dans la solution de bain de réaction à l’aide d’un porte-échantillon de téflon. Placez le bain de réaction dans un bain de chaleur de l’eau, maintenu à 65 degrés Celsius. Remuer la solution de bain de réaction à 200 RPM pendant le processus de dépôt, ce qui permet à la réaction de se poursuivre pendant 20 minutes pour générer une couche tampon de sulfure de cadmium d’environ 70-80 nanomètres sur le CIGS.

Après la réaction, retirer l’échantillon du bain de réaction, laver avec un écoulement d’eau déionisée et sécher avec du gaz azoté. Anneal l’échantillon à 120 degrés Celsius pendant 30 minutes sur une plaque chauffante préchauffée. Préparez une dispersion nanofil argentée de 1 milligramme par millilitre en mélangeant 90 millilitres d’éthanol avec 1 millilitre d’une dispersion nanofil argentée à base d’éthanol de 20 milligrammes par millilitre.

Verser 0,2 millilitres de la dispersion diluée des nanofils argentés sur un échantillon de cigs de sulfure de cadmium, pour couvrir toute la surface et faire pivoter l’échantillon à 1 000 RPM pendant 30 secondes. Par la suite, enduire les nanofils d’argent 3 fois. Après spin-enduit, anneal l’échantillon à 120 degrés Celsius pendant 5 minutes sur une plaque chauffante préchauffée.

Préparez une nouvelle solution de bain de réaction de sulfure de cadmium comme décrit précédemment. Déposer le sulfure de cadmium comme décrit précédemment, sauf changer le temps de réaction, au besoin. Maintenant, caractérisez la morphologie de surface des nanofils argentés recouverts de sulfide de cadmium par microscopie optique.

Mesurez les performances des cellules solaires à l’aide d’une source de tension actuelle équipée d’un simulateur solaire. Les structures de couche des cellules solaires CIGS avec l’oxyde de zinc dopé en aluminium standard sur l’oxyde intrinsèque de zinc et les électrodes transparentes de conduite de réseau de nanofil argent sont montrées ici. La deuxième couche de sulfure de cadmium peut être déposée sélectivement sur l’espace nanométrique pour créer un contact électrique stable.

Des images transversales de microscopie électronique de transmission, le long de la deuxième couche de sulfure de cadmium, déposées sur le réseau de nanofils argentés sur la structure cigs de sulfure de cadmium, et à travers la deuxième couche de sulfure de cadmium déposée sur le réseau nanofil argenté, sont présentées ici. La deuxième couche de sulfure de cadmium est uniformément déposée à la surface des nanofils argentés et la couche de cadmium sur la structure nanofilée argentée de la coquille centrale est produite. La deuxième couche de sulfure de cadmium comble les écarts d’air entre le tampon de cadmium et les couches nanofilées argentées, et un contact électrique stable est atteint.

La performance de l’appareil d’une cellule solaire à couches minces CIGS avec nanofils argentés nus, et la couche de sulfure de cadmium sur les électrodes de conduite transparentes en nanofil argenté de la coquille centrale sont présentées ici. En raison d’un contact électrique instable, la cellule avec des nanofils argentés nus a de mauvaises performances de l’appareil. Le dépôt d’une deuxième couche de cadmium améliore considérablement les performances cellulaires.

L’étape la plus importante de notre protocole est de fabriquer une deuxième couche cdS sur le réseau nanofil argenté. Le temps divergent peut être optimisé en mesurant les performances de l’appareil de la cellule solaire à couches minces CIGS. Nous proposons une méthode pour fabriquer un contact électrique robuste à l’échelle nanométrique dans le système CIGS.

Nous croyons que notre méthode peut être appliquée à d’autres systèmes de cellules solaires, qui nécessitent l’amélioration des propriétés de contact électrique.