Articolo metodologico

Fabbricazione di robusto contatto nanoscala tra un'elettroda Nanowire d'argento e CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 thin-film Solar Cells

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DOI:

10.3791/59909

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19 luglio 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

In questo articolo

Sommario

In questo protocollo, descriviamo la procedura sperimentale dettagliata per la fabbricazione di un robusto contatto su nanoscala tra una rete di nanofili d'argento e lo strato di buffer CdS in una cella solare ciGS a film sottile.

Abstract

Gli elettrodi trasparenti in nanofilo d'argento sono stati impiegati come strati di finestre per le celle solari Cu(In,Ga)Se2 a film sottile. Gli elettrodi nanofili a fine argento normalmente si traducono in prestazioni cellulari molto scarse. L'incorporamento o l'inserimento di nanofili d'argento con materiali trasparenti moderatamente conduttivi, come l'ossido di stagno indio o l'ossido di zinco, può migliorare le prestazioni delle cellule. Tuttavia, gli strati di matrice elaborati dalla soluzione possono causare un numero significativo di difetti interfacciali tra elettrodi trasparenti e il buffer CdS, che alla fine può comportare prestazioni ridotte. Questo manoscritto descrive come fabbricare un robusto contatto elettrico tra un elettrodo nanofilo d'argento e lo strato di buffer CdS sottostante in una cella solare Cu(In,Ga)Se2, consentendo prestazioni cellulari elevate utilizzando nanofilo d'argento privo di matrice trasparente trasparente Elettrodi. L'elettrodo nanofilo d'argento privo di matrice fabbricato con il nostro metodo dimostra che la capacità di raccolta del vettore di carica delle cellule a base di elettrodo nanofilo d'argento è buona come quella delle cellule standard con sputtered CdS hanno un contatto elettrico di alta qualità. Il contatto elettrico di alta qualità è stato ottenuto depositando uno strato aggiuntivo di CdS sottile come 10 nm sulla superficie del nanofilo d'argento.

Introduzione

Le reti di nanofili d'argento (ANW) sono state ampiamente studiate come alternativa all'indiotto stagno di stagno (ITO) che conducono pellicole sottili trasparenti a causa dei loro vantaggi rispetto agli ossidi conduttori trasparenti convenzionali (TCO) in termini di minori costi di elaborazione e migliore flessibilità meccanica. La rete AgNW in modo trasparente elaborato in soluzione sono stati quindi impiegati nelle celle solari a film sottile Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)1,2,3,4,5 , 6. Le ETE AgNW trattate dalla soluzione sono normalmente fabbricate sotto forma di strutture embedded-AgNW o sandwich-AgNW in una matrice conduttiva come PEDOT:PSS, ITO, nO, ecc.7,8,9, 10,11 I livelli della matrice possono migliorare la raccolta dei vettori di carica presenti negli spazi vuoti della rete AgNW.

Tuttavia, gli strati della matrice possono generare difetti interfacciali tra il livello della matrice e lo strato di buffer CdS sottostante nelle celle solari a film sottile CIGS12,13. I difetti interfacciali spesso causano una piega nella curva densità-tensione corrente (J-V), con conseguente basso fattore di riempimento (FF) nella cella, che è dannoso per le prestazioni delle celle solari. In precedenza abbiamo segnalato un metodo per risolvere questo problema depositando in modo selettivo un ulteriore livello CdS sottile (2nd livello CdS) tra gli AGW e il livello di buffer CdS14. L'incorporazione di un ulteriore livello CdS ha migliorato le proprietà di contatto nel nodo tra i layer AgNW e CdS. Di conseguenza, la raccolta carrier nella rete AgNW è stata notevolmente migliorata e le prestazioni delle celle sono state migliorate. In questo protocollo, descriviamo la procedura sperimentale per fabbricare un robusto contatto elettrico tra la rete AgNW e lo strato di buffer CdS utilizzando uno strato 2nd CdS in una cella solare ciGS a film sottile.

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Protocollo

1. Preparazione di vetro rivestito in moe da DC magnetron sputtering

  1. Caricare i substrati di vetro puliti in un magnetron DC e pompare fino a sotto 4 x 10-6 Torr.
  2. Flusso Ar gas e impostare la pressione di lavoro a 20 mTorr.
  3. Accendere il plasma e aumentare la potenza di uscita DC a 3 kW.
  4. Dopo il pre-sputtering di 3 min per la pulizia del bersaglio, iniziare la deposizione Mo fino a quando lo spessore della pellicola Mo raggiunge circa 350 nm.
  5. Impostare la pressione di lavoro su 15 mTorr mantenendo la stessa potenza di uscita (cioè 3 kW).
  6. Riprendere la deposizione Mo fino a quando lo spessore totale di Mo raggiunge circa 750 nm.

2. Deposizione dello strato di assorbitore CIGS mediante una coevaporazione in tre fasi

  1. Caricare il vetro rivestito Mo in un coevaporatore preriscaldato sotto un vuoto inferiore a 5 x 10-6 Torr.
  2. Impostare le temperature delle celle di effusione In, Ga e Se producendo tassi di deposizione rispettivamente di 2,5 s/s, 1,3 e 15 z/s.
    1. Controllare i tassi di deposizione utilizzando la tecnica del microbilanciamento del cristallo di quarzo (QCM). I tassi di deposizione dipendono dalla temperatura impostata delle cellule di effusione e dalla quantità di materiali nelle cellule di effusione.
  3. Iniziare a fornire In, Ga e Se sul vetro rivestito in Mo per formare uno strato precursore di 1 m di spessore (In,Ga)xSey alla temperatura del substrato di 450 gradi centigradi. Il tempo di deposizione è di 15 min (vale a dire, 1st fase).
  4. Arrestare le forniture In e Ga e aumentare la temperatura del substrato a 550 gradi centigradi.
  5. Iniziare a fornire Cu (tasso di deposizione: 1,5 s/s) sul precursore (In,Ga)xSey e continuare fino a quando il rapporto di composizione Cu/(In s Ga) del film raggiunge 1,15. Si noti che il tasso di deposizione Se viene mantenuto da 15 a 15 anni attraverso la seconda fase (vale a dire, 2nd fase).
  6. Smettere di fornire Cu ed evaporare In e Ga con gli stessi tassi di deposizione come il 1st stadio per formare finalmente un film CIGS di circa 2 m di spessore con rapporto di composizione Cu/(In-Ga) di 0,9. Mantenere il tasso di deposizione Se e la temperatura del substrato rispettivamente a 15 e 550 gradi centigradi. Il tempo di deposizione di questa fase è di 4 min (vale a dire 3rd fase).
  7. Al fine di garantire una reazione completa, anneal la pellicola CIGS depositata sotto l'ambiente Se (15 s/ s) per 5 minuti alla temperatura del substrato di 550 gradi centigradi.
  8. Raffreddare la temperatura del substrato a 450 gradi centigradi nell'ambiente Se (15 s/s) e quindi scaricare il substrato depositato CIGS quando la temperatura del substrato è inferiore a 250 .

3. Crescita dello strato di buffer CdS sullo strato assorbitore CIGS utilizzando un metodo di deposizione del bagno chimico (CBD)

  1. Preparare la soluzione del bagno di reazione CdS in un becher da 250 mL aggiungendo 97 mL di acqua DI, 0,079 g di Cd(CH3COO)2- 2H2O, 0.041 g di NH2CSNH2e 0,155 g di CH3COONH4. Mescolare la soluzione per alcuni minuti per mescolare. Assicurarsi che tutti i soluti aggiunti siano completamente dissolti.
  2. Aggiungere 3 mL di NH4OH (28% NH3) nella soluzione di bagno e mescolare la soluzione per 2 min. Figura 1 mostra la configurazione sperimentale di CBD per CdS.
  3. Inserire il campione CIGS nella soluzione del bagno di reazione utilizzando un supporto campione di Teflon.
  4. Mettete il bagno di reazione nel bagno di calore dell'acqua mantenuto a 65 gradi centigradi e mescolate la soluzione del bagno di reazione a 200 giri/min utilizzando una barra magnetica durante il processo di deposizione.
  5. Reagire per 20 min per generare un livello di buffer CdS di circa 70-80 nm sul CIGS.
  6. Dopo la reazione, rimuovere il campione dal bagno di reazione, lavare con un flusso di acqua DI e asciugare con N2 gas.
  7. Anneal il campione a 120 gradi centigradi per 30 min su una piastra calda.

4. Fabbricazione della rete AgNW TCE

  1. Preparare una dispersione AgNW diluita (1 mg/mL) mescolando 19 mL di etanolo con 1 mL di una dispersione AgNW a base di etanolo acquistata (20 mg/mL).
  2. Versare 0,2 mL della dispersione AgNW diluita su un campione CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) per coprire l'intera superficie del campione e ruotare il campione con 1.000 giri per 30 s.
  3. Ripetere il passaggio 4.2 in base alle esigenze per ottenere le proprietà ottiche ed elettriche desiderate. Ruotare l'AGWs 3x. Un'immagine di microscopia elettronica a scansione (SEM) di AgNW TCE rivestita in spin è illustrata nella Figura 2.
  4. Dopo il rivestimento a rotazione, annelare il campione a 120 gradi centigradi per 5 min su una piastra calda.

5. Deposizione del livello 2nd CdS

  1. Preparare una nuova soluzione per il bagno di reazione CdS come descritto nel passaggio 3.1.
  2. Depositare CdS come nella sezione 3, ad eccezione di modificare il tempo di reazione in base alle esigenze.
    NOTA: abbiamo ottimizzato il tempo di reazione e 10 min ha portato al dispositivo CIGS con le migliori prestazioni. L'effetto del tempo di deposizione di 2nd CdS sulle prestazioni di un dispositivo con celle solari a pellicola sottile CIGS può essere trovato nel nostro lavoro precedente14.

6. Tecniche di caratterizzazione

  1. Caratterizzare la morfologia superficiale e trasversale di AGW e AGW rivestiti in CdS per emissione di campo SEM e microscopia elettronica di trasmissione (TEM).
  2. Misurare le prestazioni delle celle solari utilizzando una fonte di corrente-tensione dotata di un simulatore solare (1.000 W/m2, AM1.5G).

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Risultati

Le strutture di strati delle celle solari CIGS con (a) standard nO:Al/i-'nO e (b) AgNW TCE sono mostrate nella Figura 3. La morfologia superficiale del CIGS è ruvida e può formarsi uno spazio su nanoscala tra lo strato AgNW e lo strato di buffer CdS sottostante. Come evidenziato nella Figura 3A, lo strato 2nd CdS può essere depositato selettivamente sul divario su nanoscala per creare un contatto elettrico stabile. La ...

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Discussione

Si noti che il tempo di deposizione del livello 2nd CdS deve essere ottimizzato per ottenere prestazioni ottimali delle celle. Con l'aumentare del tempo di deposizione, aumenta lo spessore del livello 2nd CdS e, di conseguenza, il contatto elettrico migliorerà. Tuttavia, un'ulteriore deposizione dello strato 2nd CdS si tradurrà in uno strato più spesso che riduce l'assorbimento della luce e l'efficienza del dispositivo diminuirà. Abbiamo raggiunto le migliori prestazioni cellulari con 10<...

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Dichiarazioni

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

Questa ricerca è stata sostenuta dal Programma di Ricerca e Sviluppo In-House del Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) e dal Basic Science Research Program attraverso la National Research Foundation of Korea (NRF) finanziato dal Ministero della Istruzione (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
MoMaterialePurezza: 3N5Mo sputtering
Cu5N PlusPurezza: 4N7Deposizione CIGS
In5N PlusPurezza: 5NDeposizione CIGS
Ga5N PlusPurezza: 5NDeposizione CIGS
Se5N PlusPurezza: 5NDeposizione CIGS
Acetato di ammonioAlfa Aesar11599Soluzione di reazione CdS
Idrossido di ammonioAlfa AesarL13168Soluzione di reazione CdS
Acetato di cadmio diidratoSigma-Aldrich289159Soluzione di reazione CdS
TioureaSigma-AldrichT8656Soluzione di reazione CdS
Nanofilo d'argentoACSMaterialAgNW-L30Dispersione di AgNW

Riferimenti

  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).
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  4. Liu, C. -H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6 (1), (2011).
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  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).
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  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).
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