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

Le reti di nanofili d'argento sono una tecnologia emergente per sostituire i tradizionali ossidi conduttivi trasparenti nell'applicazione a celle solari a film sottile. Tuttavia, il contatto elettrico con lo strato sottostante è stato un problema. Il nostro protocollo è un semplice metodo di processo per migliorare la proprietà di contatto elettrico tra la rete di nanofili d'argento e lo strato tampone CdS sottostante nelle celle solari a film sottile CIGS.

Il nostro metodo è un processo basato su soluzioni molto semplice, riproducibile ed economico. È anche paragonabile al processo esistente basato su soluzioni, per fabbricare celle solari a film sottile CIGS. In primo luogo, caricare i substrati di vetro puliti in un magnetron CC e pompare verso il basso per soffiare quattro volte 10 a meno sei torr.

Vola gas argon e imposta la pressione di lavoro su 20 millitorr. Accendere il plasma e aumentare la potenza di uscita CC a tre kilowatt. Dopo tre minuti pre-sputtering per la pulizia del bersaglio, iniziare la deposizione di molibdeno fino a quando lo spessore del film di molibdeno raggiunge circa 350 nanometri.

Successivamente, impostare la pressione di lavoro su 15 millitorr, mantenendo la potenza di uscita a 3 kilowatt. Riprendere la deposizione di molibdeno fino a quando lo spessore totale del molibdeno raggiunge circa 750 nanometri. Caricare il vetro rivestito di molibdeno in un co-evaporatore preriscaldato sotto un vuoto inferiore a 5 per 10 a meno 6 torr.

Impostare le temperature delle cellule di effusione di indio, gallio e selenio che producono tassi di deposizione rispettivamente di 2,5, 1,3 e 15 angstrom al secondo. Controllare i tassi di deposizione utilizzando la tecnica di microbilanciamento del cristallo di quarzo. Inizia a fornire indio, gallio e selenio sul vetro rivestito di molibdeno per formare uno strato precursore di indio-gallio-selenio spesso un micrometro a una temperatura del substrato di 450 gradi Celsius.

Dopo 15 minuti, interrompere l'indio e le forniture di gallio e aumentare la temperatura del substrato a 550 gradi Celsius. Successivamente, iniziare a fornire rame sul precursore dell'indio-gallio-selenio e continuare fino a quando il rapporto compositivo rame-indio+gallio del film raggiunge 1,15. Smettere di fornire rame ed evaporare nuovamente l'indio e il gallio con gli stessi tassi di deposizione del primo stadio per formare una pellicola CIGS spessa circa 2 micrometri con un rapporto compositiva rame-indio+gallio di 0,9.

Mantenere la velocità di deposizione del selenio e la temperatura del substrato rispettivamente a 15 angstrom al secondo e 550 gradi Celsius. Al fine di garantire una reazione completa, ricotturare il film CIGS depositato sotto selenio ambientale per 5 minuti a una temperatura del substrato di 550 gradi Celsius. Ridurre la temperatura del substrato a 450 gradi Celsius sotto il selenio ambientale, quindi scaricare il substrato depositato CIGS quando la temperatura del substrato è inferiore a 250 gradi Celsius.

Preparare una soluzione di bagno di reazione al solfuro di cadmio in un bicchiere da 250 millilitri, aggiungendo acqua deionizzata, diidrato di acetato di cadmio, tiourea e acetato di ammonio. Mescolare la soluzione per diversi minuti fino a omogenea. Aggiungere 3 millilitri di idrossido di ammonio alla soluzione del bagno e mescolare per 2 minuti.

Quindi, posizionare il campione CIGS nella soluzione del bagno di reazione utilizzando un portacampioni in teflon. Posizionare il bagno di reazione in un bagno di calore dell'acqua, mantenuto a 65 gradi Celsius. Mescolare la soluzione del bagno di reazione a 200 RPM durante il processo di deposizione, consentendo alla reazione di procedere per 20 minuti per generare uno strato tampone di solfuro di cadmio di circa 70-80 nanometri sulla CIGS.

Dopo la reazione, rimuovere il campione dal bagno di reazione, lavare con un flusso di acqua deionizzata e asciugare con gas azoto. Ricottura del campione a 120 gradi Celsius per 30 minuti su una piastra calda preriscaldata. Preparare una dispersione di nanofili d'argento da 1 milligrammo per millilitro mescolando 90 millilitri di etanolo con 1 millilitro di una dispersione di nanofili d'argento a base di etanolo da 20 milligrammi per millilitro.

Versare 0,2 millilitri della dispersione di nanofilo d'argento diluito su un campione CIGS di solfuro di cadmio, per coprire l'intera superficie e ruotare il campione a 1000 giri/min per 30 secondi. In seguito, spin-coat i nanofili d'argento 3 volte. Dopo lo spin-coating, ricotturare il campione a 120 gradi Celsius per 5 minuti su una piastra calda preriscaldata.

Preparare una nuova soluzione di bagno di reazione al solfuro di cadmio come descritto in precedenza. Depositare il solfuro di cadmio come descritto in precedenza, tranne per modificare il tempo di reazione, se necessario. Ora, caratterizzare la morfologia superficiale dei nanofili d'argento rivestiti di solfuro di cadmio mediante microscopia ottica.

Misurare le prestazioni delle celle solari utilizzando una fonte di tensione di corrente dotata di un simulatore solare. Qui sono mostrate le strutture a strati delle celle solari CIGS con ossido di zinco drogato in alluminio standard su ossido intrinseco di zinco e elettrodi conduttori trasparenti di rete nanofilo d'argento. Il secondo strato di solfuro di cadmio può essere depositato selettivamente sullo spazio su scala nanometrica per creare un contatto elettrico stabile.

Qui sono mostrate immagini di microscopia elettronica a trasmissione trasversale, lungo il secondo strato di solfuro di cadmio, depositate sulla rete di nanofili d'argento sulla struttura CIGS del solfuro di cadmio, e attraverso il secondo strato di solfuro di cadmio depositato sulla rete dei nanofili d'argento. Il secondo strato di solfuro di cadmio è depositato uniformemente sulla superficie dei nanofili d'argento e viene prodotto lo strato di cadmio sulla struttura del nanofilo d'argento del guscio centrale. Il secondo strato di solfuro di cadmio riempie gli spazi d'aria tra il tampone di cadmio e gli strati di nanofilo d'argento, e si ottiene un contatto elettrico stabile.

Le prestazioni del dispositivo di una cella solare a film sottile CIGS con nanofili d'argento nudo, e lo strato di solfuro di cadmio sugli elettrodi conduttori trasparenti in nanofilo d'argento del guscio centrale sono mostrati qui. A causa del contatto elettrico instabile, la cella con nanofili d'argento nudo ha scarse prestazioni del dispositivo. La deposizione di un secondo strato di cadmio migliora notevolmente le prestazioni cellulari.

Il passo più importante del nostro protocollo è quello di fabbricare un secondo strato CdS sulla rete di nanofili d'argento. Il tempo divergente può essere ottimizzato misurando le prestazioni del dispositivo della cella solare a film sottile CIGS. Suggeriamo un metodo per fabbricare un robusto contatto elettrico su nanoscala nel sistema CIGS.

Crediamo che il nostro metodo possa essere applicato ad altri sistemi a celle solari, che richiedono un miglioramento delle proprietà di contatto elettrico.