Cu(In,Ga)Se2薄膜太陽電池における銀ナノワイヤー電極とCdSバッファー層間の堅牢なナノスケール接触の製造

銀ナノワイヤネットワークは、薄膜太陽電池アプリケーションで従来の透明導電酸化物を置き換える新しい技術です。しかしながら、下層への電気的接触は問題となっている。当社のプロトコルは、銀ナノワイヤネットワークとCIGS薄膜太陽電池の基底のCdSバッファ層との間の電気的接触特性を強化する簡単なプロセス方法です。

当社の方法は、非常にシンプルで再現性が高く、安価なソリューションベースのプロセスです。また、既存の溶液ベースのプロセスに匹敵し、CIGS薄膜太陽電池を製造する。まず、ガラス基板をDCマグネトロンにロードし、マイナス6トルまで4倍の10を吹き付けるためにポンプダウンします。

アルゴンガスを流し、20ミリトールに作動圧力を設定する。プラズマの電源を入れ、DC出力電力を3キロワットに増やします。ターゲットクリーニングのために3分間前スパッタリングした後、モリブデン膜の厚さが約350ナノメートルに達するまでモリブデン堆積を開始する。

次に、出力電力を3キロワットに保ちながら、作動圧力を15ミリトールに設定します。モリブデンの全厚さが約750ナノメートルに達するまで、モリブデン堆積を再開します。モリブデンコーティングされたガラスを、マイナス6トルの5倍の10倍未満の真空下で予熱されたコエバポレーターに積み込みます。

インジウム、ガリウム、セレンエフューズセルの温度を設定し、堆積率をそれぞれ2.5、1.3、および15オングストローム/秒に設定します。水晶結晶マイクロバランス技術を使用して、堆積速度を確認してください。モリブデンコーティングガラスにインジウム、ガリウム、セレンの供給を開始し、厚さ1マイクロメートルのインジウムガリウムセレン前駆体層を450°Cの基板温度で形成します。

15分後、インジウムとガリウムの供給を停止し、基板温度を摂氏550度に上げます。次に、インジウムガリウムセレン前駆体に銅を供給し始め、フィルムの銅とインジウム+ガリウム組成比が1.15に達するまで続けます。銅の供給を停止し、第1段階と同じ堆積率でインジウムとガリウムを再び蒸発させ、銅対インジウム+ガリウム組成比0.9で厚さ約2マイクロメートルのCIGSフィルムを形成します。

セレンの堆積速度と基板温度を、それぞれ毎秒15オングストロームと550°Cに保ちます。完全な反応を確実にするために、550°Cの基板温度で5分間、周囲セレンの下に堆積したCIGSフィルムをアニールします。基板温度をアンビエントセレン下で摂氏450度に下げ、基板温度が250°C未満の場合は、基板の堆積物をアンロードします。

硫化カドミウム反応槽溶液を250ミリリットルビーカーに調製し、脱イオン水、酢酸カドミウム二水和物、チオ尿素、酢酸アンモニウムを添加します。均質になるまで溶液を数分間攪拌します。水酸化アンモニウム3ミリリットルを浴液に加え、2分間かき混ぜます。

次に、TEフロンサンプルホルダーを使用して、CIGSサンプルを反応槽溶液に入れる。反応浴を水熱浴に入れ、摂氏65度に保つ。沈着プロセス中に反応浴液を200RPMで撹拌し、20分間進行させて、約70〜80ナノメートルの硫化カドミウム緩衝液層をCIGS上に生成させる。

反応後、反応浴から試料を取り出し、脱イオン水の流れで洗浄し、窒素ガスで乾燥させる。予熱したホットプレートで30分間、摂氏120度でサンプルをアニールします。1ミリリットル当たり1ミリリットルの銀ナノワイヤー分散液を調製し、90ミリリットルのエタノールと1ミリリットルのエタノールベースの銀ナノワイヤー分散液を1ミリリットル混合します。

希釈した銀ナノワイヤ分散体を0.2ミリリットルを硫化カドミウムCIGSサンプルに注ぎ、表面全体を覆い、1000 RPMで30秒間回転させます。これに続いて、銀ナノワイヤを3回スピンコートする。スピンコーティング後、予熱したホットプレートで5分間摂氏120度でサンプルをアニールします。

前述のように新しい硫化カドミウム反応浴液を調製する。先に述べたように硫化カドミウムを析出し、反応時間を変更する以外は、必要に応じて。今度は、光学顕微鏡による硫化カドミウムコーティング銀ナノワイヤの表面形態を特徴付けます。

太陽シミュレータを搭載した電流電圧源を使用して太陽電池の性能を測定します。固有酸化亜鉛および銀ナノワイヤーネットワーク透過伝導電極上に標準アルミニウムドープ亜鉛を有するCIGS太陽電池の層構造を示す。第2の硫化カドミウム層は、ナノスケールのギャップに選択的に堆積させ、安定した電気的接触を作り出すことができる。

断面透過型電子顕微鏡画像は、第2の硫化カドミウム層に沿って、硫化カドフィドCIGS構造上の銀ナノワイヤネットワーク上に堆積し、また、銀ナノワイヤーネットワーク上に堆積した第2の硫化カドミウム層を横切って、ここに示されている。第2の硫化カドミウム層は、銀ナノワイヤの表面に均一に堆積し、コアシェル銀ナノワイヤー構造上のカドミウム層が生成される。第2の硫化カドミウム層は、カドミウムバッファーと銀ナノワイヤ層の間の空隙を埋め、安定した電気的接触を実現する。

ベアシルバーナノワイヤを用いたCIGS薄膜太陽電池のデバイス性能と、コアシェルの銀ナノワイヤ透過導電電極上の硫化カドミウム層を示します。不安定な電気接触のために、ベアシルバーナノワイヤーを有するセルは、デバイス性能が悪い。第2のカドミウム層の堆積は、細胞性能を大きく向上させる。

プロトコルの最も重要なステップは、シルバーナノワイヤネットワーク上の第2のCdS層を作製することです。CIGSの薄膜太陽電池のデバイス性能を測定することで、時間の分散を最適化できます。我々は、CIGSシステムにおける強固なナノスケール電気的接触を作製する方法を提案する。

電気接触特性の向上が必要な他の太陽電池システムにも応用できると考えています。