Fabricage van robuust Nanoscale contact tussen een zilver Nanowire elektrode en CdS buffer Layer in Cu (in, ga) se2 dunne-film zonnecellen
19 juli 2019
In dit protocol beschrijven we de gedetailleerde experimentele procedure voor de fabricage van een robuust nano weegschaal contact tussen een zilver nanodraad-netwerk en een CDs-buffer laag in een dun-film Solar Cell van CIGS.
Silver nanowire netwerken zijn een opkomende technologie ter vervanging van traditionele transparante geleidende oxiden in de dunne-film zonnecel applicatie. Het elektrische contact met de onderliggende laag is echter een probleem geweest. Ons protocol is een eenvoudige procesmethode om elektrische contacteigendom tussen zilvernanowirenetwerk en de onderliggende CdS-bufferlaag in CIGS dunne-film zonnecellen te verbeteren.
Onze methode is een zeer eenvoudig, reproduceerbaar en goedkoop oplossingsgebaseerd proces. Het is ook vergelijkbaar met het bestaande oplossingsgebaseerde proces, om CIGS dunne-film zonnecellen te fabriceren. Ten eerste, laad gereinigde glazen substraten in een DC magnetron, en pomp naar beneden te blazen vier keer 10 naar de min zes torr.
Stroom argon gas, en zet de werkdruk op 20 millitorr. Zet het plasma aan en verhoog het gelijkstroomvermogen tot drie kilowatt. Na het voorspreten drie minuten voor doel reiniging, beginnen met de molybdeen depositie totdat de molybdeen film dikte bereikt ongeveer 350 nanometer.
Stel vervolgens de werkdruk in op 15 millitorr, met behoud van het uitgangsvermogen op 3 kilowatt. Hervat de molybdeendepositie totdat de totale dikte van molybdeen ongeveer 750 nanometer bereikt. Laad het molybdeengecoate glas in een voorverwarmde co-verdamper onder een vacuüm lager dan 5 keer 10 tot de min 6 torr.
Stel de temperaturen in van de indium-, gallium- en selenium effusiecellen die depositiesnelheden van respectievelijk 2,5, 1,3 en 15 angstroms per seconde opleveren. Controleer de depositiesnelheden met behulp van de kwartskristal microbalans techniek. Begin te leveren indium, gallium, en selenium op de molybdeen-gecoate glas om een een-micrometer-dikke indium-gallium-selenium precursor laag te vormen bij een substraat temperatuur van 450 graden Celsius.
Na 15 minuten, stop de indium en gallium leveringen en verhoging van het substraat temperatuur tot 550 graden Celsius. Vervolgens beginnen om koper te leveren op de indium-gallium-selenium voorloper en ga verder totdat de koper-naar-indium + gallium compositorische verhouding van de film bereikt 1,15. Stop met het leveren van koper en verdampen het indium en gallium opnieuw met dezelfde depositiepercentages als de eerste fase om een ongeveer 2 micrometer dikke CIGS-film te vormen met een koper-naar-indium+gallium compositorische verhouding van 0,9.
Houd de seleniumdepositie en substraattemperatuur op respectievelijk 15 angstroms per seconde en 550 graden Celsius. Om een volledige reactie te garanderen, anneal de gedeponeerde CIGS film onder ambient selenium gedurende 5 minuten bij een substraat temperatuur van 550 graden Celsius. Verlaag de substraattemperatuur tot 450 graden Celsius onder omgevingsselenium en onte loss vervolgens het CIGS gedeponeerde substraat wanneer de substraattemperatuur lager is dan 250 graden Celsius.
Bereid een cadmiumsulfide reactie bad oplossing in een 250 milliliter bekerglas, door toevoeging van gedeïoniseerd water, cadmium acetaat dihydraat, thiourea, en ammonium acetaat. Roer de oplossing enkele minuten door tot ze homogeen zijn. Voeg 3 milliliter ammoniumhydroxide toe aan de badoplossing en roer gedurende 2 minuten.
Plaats vervolgens het CIGS-monster in de reactiebadoplossing met behulp van een Teflon-monsterhouder. Plaats het reactiebad in een waterhitbad, gehandhaafd op 65 graden Celsius. Roer de reactiebadoplossing bij 200 RPM tijdens het depositieproces, waardoor de reactie gedurende 20 minuten kan doorgaan om een cadmiumsulfidebufferlaag van ongeveer 70-80 nanometer op de CIGS te genereren.
Na de reactie, verwijder het monster uit het reactiebad, was met een stroom van gedeïsized water en droog met stikstofgas. Anneal het monster op 120 graden Celsius gedurende 30 minuten op een voorverwarmde kookplaat. Bereid een 1-milligram-per-milliliter zilver nanodraad dispersie door het mengen van 90 milliliter ethanol met 1 milliliter van een 20-milligram-per-milliliter ethanol gebaseerde zilver nanodraad dispersie.
Giet 0,2 milliliter van de verdunde zilver nanodraad dispersie op een cadmiumsulfide CIGS monster, om het hele oppervlak te dekken, en draai het monster op 1000 RPM gedurende 30 seconden. Hierna u de zilveren nanodraden 3 keer bedek. Na spin-coating, anneal het monster op 120 graden Celsius gedurende 5 minuten op een voorverwarmde kookplaat.
Bereid een nieuwe cadmiumsulfide reactie bad oplossing zoals eerder beschreven. Deponeren cadmiumsulfide zoals eerder beschreven, behalve verander de reactietijd, indien nodig. Nu, karakteriseren het oppervlak morfologie van cadmium sulfide-gecoate zilveren nanodraden door optische microscopie.
Meet de prestaties van zonnecellen met behulp van een huidige spanningsbron uitgerust met een zonnesimulator. De laagstructuren van de CIGS-zonnecellen met standaard aluminium-gedopt zinkoxide op intrinsiek zinkoxide en zilver nanowire netwerk transparant geleidende elektroden worden hier getoond. De tweede cadmiumsulfidelaag kan selectief op de nanoschaalkloof worden afgezet om een stabiel elektrisch contact te creëren.
Cross-sectionele transmissie elektronenmicroscopie beelden, langs de tweede cadmiumsulfide laag, afgezet op de zilveren nanowire netwerk op de cadmiumsulfide CIGS structuur, en over de tweede cadmiumsufide laag afgezet op de zilveren nanowire netwerk, worden hier getoond. De tweede cadmiumsulfidelaag wordt gelijkmatig afgezet op het oppervlak van de zilveren nanodraden en de cadmiumlaag op de kern-shell zilver nanodraadstructuur wordt geproduceerd. De tweede cadmiumsulfidelaag vult de luchtgaten tussen de cadmiumbuffer en de zilvernanodraadlagen en er wordt stabiel elektrisch contact bereikt.
De apparaatprestaties van een CIGS dunne-film zonnecel met kale zilveren nanodraden, en de cadmiumsulfide laag op de kern-shell zilveren nanowire transparante geleidende elektroden wordt hier getoond. Als gevolg van onstabiele elektrische contact de cel met kale zilveren nanodraden heeft slechte prestaties van het apparaat. Depositie van een tweede cadmiumlaag verbetert de celprestaties sterk.
De belangrijkste stap in ons protocol is het fabriceren van een tweede CdS-laag op het zilveren nanodraadnetwerk. De uiteenlopende tijd kan worden geoptimaliseerd door het meten van de prestaties van het apparaat van de CIGS dunne-film zonnecel. We stellen een methode voor om robuust elektrisch contact op nanoschaal te fabriceren in het CIGS-systeem.
Wij geloven dat onze methode kan worden toegepast op andere zonnecelsystemen, die verbetering van elektrische contacteigenschappen vereisen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een eenvoudige en reproduceerbare methode om het elektrische contact tussen een netwerk van zilveren nanodraden en een CdS-bufferlaag in CIGS-dunnefilm zonnecellen te verbeteren. De benadering is erop gericht de uitdagingen aan te pakken die verbonden zijn aan traditionele transparante geleidende oxiden.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Nanotechnologie
- Materiaalkunde
- Hernieuwbare Energie
Achtergrond
- Netwerken van zilver-nanodraden zijn een veelbelovend alternatief voor traditionele geleidende materialen.
- Problemen met het elektrische contact met onderliggende lagen hebben hun toepassing belemmerd.
- Deze studie presenteert een proces op basis van een oplossing om de contacteigenschappen te verbeteren.
- CIGS-dunne-film zonnecellen vormen een focus vanwege hun efficiëntie en flexibiliteit.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van een methode om het elektrische contact in zonnecellen te verbeteren.
- Het bieden van een kosteneffectieve oplossing voor het vervaardigen van CIGS dunne-film zonnecellen.
- Het vergelijken van de nieuwe methode met bestaande processen.
Gebruikte methoden
- Het reinigen van glazen substraten.
- Het gebruik van een DC-magnetron voor depositie.
- Het vacuüm trekken tot 4 x 10-6 torr.
- Het aanbrengen van het netwerk van zilveren nanodraden op de CdS-bufferlaag.
Belangrijkste resultaten
- De voorgestelde methode verbetert de elektrische contacteigenschappen aanzienlijk.
- Deze is reproduceerbaar en kostenefficiënt in vergelijking met traditionele methoden.
- De prestaties van CIGS dunne-film zonnecellen worden verbeterd.
- Resultaten wijzen op compatibiliteit met bestaande fabricageprocessen.
Conclusies
- Dit protocol biedt een levensvatbare oplossing voor het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen.
- Netwerken van zilvernanodraden kunnen traditionele materialen effectief vervangen.
- De methode is eenvoudig en kan gemakkelijk worden toegepast in onderzoek en industrie.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor directie
Het vestigen van een robuust elektrisch contact op nanoschaal tussen transparante elektroden en bufferlagen is essentieel voor het optimaliseren van de ladingdragercollectie in dunne-film fotovoltaïsche apparaten. Een slecht interfaciaal contact beperkt de prestaties en reproduceerbaarheid van het apparaat, wat een barrière vormt voor schaalbare productie. Deze methode maakt hoogpresterende zilvernanodradelektroden mogelijk door een stabiel contact met de CdS-bufferlaag te waarborgen, wat bijdraagt aan de voorspellende betrouwbaarheid bij de selectie van elektrodematerialen voor zonne-energietoepassingen.
Strategische toepassingen in biofarmaceutisch R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het mogelijk om ladingstransportmechanismen bij elektrode-buffer-grensvlakken te onderzoeken.
- Operationele waarde: Biedt een reproduceerbaar proces om de prestaties van elektroden op basis van nanomaterialen te evalueren.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Genereert gestandaardiseerde elektrode-oppervlakken voor consistente opto-elektronische tests.
- Operationele waarde: Ondersteunt high-throughput screening van alternatieven voor transparante elektroden.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de vertaling van innovaties op elektrode-schaal in het laboratorium naar tests in geïntegreerde apparaten.
- Operationele waarde: Maakt procesintegratie mogelijk met bestaande workflows voor dunne-filmdepositie.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode past binnen het continuüm van ontdekking tot preklinisch onderzoek door een schaalbare stap voor elektrodemodificatie te bieden voorafgaand aan de evaluatie van de prestaties van het apparaat.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing over interface-ladingsoverdracht en de efficiëntie van ladingsdragerverzameling.
- Screening: Levert assay-klare elektrodeplatforms met reproduceerbare oppervlaktemorfologie en geleidbaarheid.
- Analytics: Maakt kwantitatieve beoordeling van prestatie-metrieken van apparaten mogelijk, zoals de fill factor en de energieomzettings-efficiëntie.
- Translational Research: Verbindt nanomateriaalengineering aan functionele apparaatoutput in dunne-film zonne-energiesystemen.
- Enterprise Reuse: Vertegenwoordigt een platformcompatibele oppervlaktebehandeling die toepasbaar is op meerdere elektrode-buffersystemen.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Vermindert mechanistische ambiguïteit in interacties tussen elektrode en buffer door middel van gecontroleerde interface-engineering.
- Operationele waarde: Maakt gebruik van kosteneffectieve, oplossingsgebaseerde verwerking die compatibel is met roll-to-roll fabricage.
- Strategische waarde: Verbetert go/no-go beslissingen bij de ontwikkeling van elektrodematerialen door fout-negatieven als gevolg van slecht contact te minimaliseren.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde vooruitgang van elektroden op basis van nanodraden mogelijk door de contactkwaliteit in een vroeg stadium van de ontwikkeling te valideren.
Overwegingen bij de implementatie
- Vereist expertise in dunne-filmdepositie en oplossingsverwerking van nanomaterialen.
- Is afhankelijk van toegang tot spin-coatingapparatuur en platforms voor thermisch gloeien.
- Noodzaakt de standaardisatie van CdS-precursoroplossingen en reactieomstandigheden.
- Omvat overwegingen voor aanpassing aan variërende nanowire-afmetingen en substraattopografieën.
- Beperkt door de noodzaak van nauwkeurige controle over de depositie van ultradunne lagen om kortsluiting of opaciteit te voorkomen.
Biopharma Veelgestelde Vragen
Chapters in this video
0:04
Title
0:46
Preparation of Mo-coated Glass by DC Magnetron Sputtering
1:49
CIGS Absorber Layer Deposition by Means of a Three-stage Co-evaporation
3:51
Growth of the CdS Buffer Layer on the CIGS Absorber Layer Using a Chemical Bath Deposition (CBD) Method
5:20
Fabrication of the AgNW TCE Network
6:11
Deposition of the 2nd CdS Layer and Characterization Techniques
6:51
Results: Characterization of Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells
8:23
Conclusion
