Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie wytrzymałego kontaktu w nanoskali między elektrodą z nanodrutu srebrnego a warstwą buforową CdS w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych Cu(In,Ga)Se2

5.8K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59909

⸱

19 lipca 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

W tym artykule

Podsumowanie

W tym protokole opisujemy szczegółową procedurę eksperymentalną wytwarzania solidnego kontaktu w nanoskali między siecią srebrnych nanoprzewodów a warstwą buforową CdS w cienkowarstwowym ogniwie słonecznym CIGS.

Streszczenie

Przezroczyste elektrody z nanodrutów srebra zostały użyte jako warstwy okienne dla cienkowarstwowych ogniw słonecznych Cu(In,Ga)Se2. Gołe srebrne elektrody nanodrutowe zwykle powodują bardzo słabą wydajność ogniwa. Osadzanie lub warstwowanie nanodrutów srebra przy użyciu umiarkowanie przewodzących przezroczystych materiałów, takich jak tlenek indu i cyny lub tlenek, może poprawić wydajność ogniw. Jednak warstwy matrycy przetworzone w roztworze mogą powodować znaczną liczbę defektów międzyfazowych między przezroczystymi elektrodami a buforem CdS, co może ostatecznie skutkować niską wydajnością ogniwa. W tym manuskrypcie opisano, jak wytworzyć wytrzymały kontakt elektryczny między elektrodą z nanodrutu srebrnego a leżącą pod spodem warstwą buforową CdS w ogniwie słonecznym Cu(In,Ga)Se2, umożliwiając wysoką wydajność ogniwa przy użyciu przezroczystych elektrod z nanodrutów srebrnych bez matrycy. Bezmatrycowa elektroda z nanodrutów srebra wytworzona naszą metodą dowodzi, że zdolność zbierania nośników ładunku w ogniwach opartych na elektrodach z nanodrutów srebra jest tak samo dobra, jak w przypadku standardowych ogniw z napylanym ZnO:Al/i-ZnO, o ile nanodruty srebra i CdS mają wysokiej jakości styk elektryczny. Wysokiej jakości kontakt elektryczny uzyskano poprzez nałożenie dodatkowej warstwy CdS o grubości zaledwie 10 nm na powierzchnię srebrnego nanodrutu.

Wprowadzenie

Sieci z nanodrutów srebra (AgNW) były intensywnie badane jako alternatywa dla przezroczystych cienkich warstw przewodzących tlenek indu (ITO) ze względu na ich przewagę nad konwencjonalnymi przezroczystymi przewodzącymi tlenkami (TCO) pod względem niższych kosztów przetwarzania i lepszej elastyczności mechanicznej. Przetworzone w roztworze przezroczyste elektrody przewodzące sieci AgNW (TCE) zostały zatem zastosowane w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)1,2,3,4,5,6. TCE AgNW przetworzone w roztworze są zwykle wytwarzane w postaci osadzonych struktur AgNW lub warstwowych AgNW w matrycy przewodzącej, takiej jak PEDOT:PSS, ITO, ZnO, itp.7,8,9,10,11 Warstwy macierzy mogą zwiększyć gromadzenie nośników ładunku obecnych w pustych przestrzeniach sieci AgNW.

Jednakże, warstwy matrycy mogą generować defekty międzyfazowe między warstwą matrycy a leżącą pod nią warstwą bufora CdS w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych CIGS12,13. Defekty międzyfazowe często powodują załamanie krzywej gęstości prądu i napięcia (J-V), co skutkuje niskim współczynnikiem wypełnienia (FF) w ogniwie, co jest szkodliwe dla wydajności ogniwa słonecznego. Wcześniej informowaliśmy o metodzie rozwiązania tego problemu poprzez selektywne umieszczanie dodatkowej cienkiej warstwy CdS (2 warstwa CdS) między AgNW a warstwą bufora CdS14. Wprowadzenie dodatkowej warstwy CdS poprawiło właściwości kontaktowe w połączeniu między warstwami AgNW i CdS. W związku z tym znacznie poprawił się zbiór nośników w sieci AgNW i zwiększono wydajność ogniw. W tym protokole opisujemy eksperymentalną procedurę wytwarzania solidnego kontaktu elektrycznego między siecią AgNW a warstwą buforową CdS przy użyciu 2. warstwy CdS w cienkowarstwowym ogniwie słonecznym CIGS.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Przygotowanie szkła pokrytego Mo metodą napylania magnetronowego prądem stałym

  1. Załaduj oczyszczone szklane podłoża do magnetronu prądu stałego i pompuj do poniżej 4 x 10-6 Torr.
  2. Przepłynąć gaz Ar i ustawić ciśnienie robocze na 20 mTorr.
  3. Włącz plazmę i zwiększ moc wyjściową prądu stałego do 3 kW.
  4. Po 3-minutowym rozpylaniu wstępnym w celu oczyszczenia tarczy, rozpocznij osadzanie Mo, aż grubość warstwy Mo osiągnie około 350 nm.
  5. Ustaw ciśnienie robocze na 15 mTorr przy zachowaniu tej samej mocy wyjściowej (tj. 3 kW).
  6. Wznowić osadzanie Mo do momentu, gdy całkowita grubość Mo osiągnie około 750 nm.

2. Osadzanie warstwy absorbera CIGS za pomocą trzystopniowego współparowania

  1. Załaduj szkło z powłoką Mo do podgrzanego współparownika w próżni niższej niż 5 x 10-6 Torr.
  2. Ustaw temperatury komórek efuzyjnych In, Ga i Se, uzyskując szybkość osadzania odpowiednio 2.5 A/s, 1.3 A/s i 15 A/s.
    1. Sprawdź szybkość stapiania za pomocą techniki mikrowagi kwarcowej (QCM). Szybkość osadzania zależy od ustawionej temperatury komórek efuzyjnych i ilości materiałów w komórkach efuzyjnych.
  3. Rozpocząć dostarczanie In, Ga i Se na szkło pokryte Mo, tworząc warstwę prekursorową o grubości 1 μm (In,Ga)xSey w temperaturze podłoża 450 °C. Czas osadzania wynosi 15 minut (czyli 1. etap).
  4. Zatrzymać dopływy In i Ga i zwiększyć temperaturę podłoża do 550 °C.
  5. Rozpocząć dostarczanie Cu (szybkość stapiania: 1,5 A/s) na prekursor (In,Ga)xSey i kontynuować, aż stosunek składu Cu/(In + Ga) filmu osiągnie 1,15. Należy zauważyć, że szybkość osadzania Se jest utrzymywana na poziomie 15 A/s przez 2. etap (czyli 2. etap).
  6. Przestań dostarczać Cu i ponownie odparuj In i Ga z taką samą szybkością osadzania, jak w 1. etapie, aby ostatecznie utworzyć warstwę CIGS o grubości około 2 μm ze stosunkiem składu Cu/(In+Ga) wynoszącym 0,9. Utrzymać szybkość osadzania Se i temperaturę podłoża na poziomie odpowiednio 15 A/s i 550 °C. Czas osadzania tego etapu wynosi 4 minuty (czyli 3 etap).
  7. Aby zapewnić pełną reakcję, należy wyżarzać osadzoną warstwę CIGS w temperaturze otoczenia Se (15 A/s) przez 5 minut w temperaturze podłoża 550 °C.
  8. Schłodzić temperaturę podłoża do 450 °C w temperaturze otoczenia Se (15 A/s), a następnie rozładować podłoże osadzone w CIGS, gdy temperatura podłoża jest niższa niż 250 °C.

3. Wzrost warstwy buforowej CdS na warstwie absorbera CIGS przy użyciu metody osadzania w kąpieli chemicznej (CBD)

  1. Przygotować roztwór kąpieli reakcyjnej CdS w zlewce o pojemności 250 ml, dodając 97 ml wody DI, 0,079 g Cd(CH3COO)2·2H2O, 0,041 g NH2CSNH2 i 0,155 g CH3COONH4. Mieszaj roztwór przez kilka minut, aby wymieszać. Upewnij się, że wszystkie dodane substancje rozpuszczone są całkowicie rozpuszczone.
  2. Dodaj 3 ml NH4OH (28% NH3) do roztworu kąpieli i mieszaj roztwór przez 2 minuty. Rysunek 1 przedstawia eksperymentalną konfigurację CBD dla CdS.
  3. Umieścić próbkę CIGS w roztworze łaźni reakcyjnej za pomocą teflonowego uchwytu na próbki.
  4. Umieścić łaźnię reakcyjną w łaźni wodno-grzewczej utrzymywanej w temperaturze 65 °C i wymieszać roztwór łaźni reakcyjnej z prędkością 200 obr./min za pomocą pręta magnetycznego podczas procesu osadzania.
  5. Reaguj przez 20 minut, aby wygenerować warstwę buforową CdS o długości około 70 do 80 nm na CIGS.
  6. Po reakcji wyjąć próbkę z łaźni reakcyjnej, przemyć strumieniem wody demineralizowanej i osuszyć gazemN2.
  7. Wyżarzać próbkę w temperaturze 120 °C przez 30 minut na płycie grzejnej.

4. Produkcja sieci AgNW TCE

  1. Przygotować rozcieńczoną dyspersję AgNW (1 mg/ml), mieszając 19 ml etanolu z 1 ml zakupionej dyspersji AgNW na bazie etanolu (20 mg/ml).
  2. Wlać 0,2 ml rozcieńczonej dyspersji AgNW na próbkę CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) tak, aby pokryła całą powierzchnię próbki i obracać próbkę z prędkością 1 000 obr./min przez 30 s.
  3. W razie potrzeby powtórz krok 4.2, aby uzyskać pożądane właściwości optyczne i elektryczne. Powłócz AgNW 3x. Obraz ze skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) pokrytego spinowo AgNW TCE pokazano na rysunku Rysunek 2.
  4. Po wirowaniu próbkę wyżarzać w temperaturze 120 °C przez 5 minut na płycie grzejnej.

5. Osadzanie 2 warstwy CdS

  1. Przygotować nowy roztwór kąpieli reakcyjnej CdS zgodnie z opisem w kroku 3.1.
  2. Depozyt CdS jak w punkcie 3, z wyjątkiem zmiany czasu reakcji w razie potrzeby.
    UWAGA: Zoptymalizowaliśmy czas reakcji, a 10 minut zaowocowało urządzeniem CIGS o najlepszej wydajności. Wpływ czasu osadzania2-go CdS na wydajność cienkowarstwowego ogniwa słonecznego CIGS można znaleźć w naszym poprzednim work14.

6. Techniki charakteryzacji

  1. Scharakteryzuj morfologię powierzchni i przekroju poprzecznego AgNW i AgNW pokrytych CdS za pomocą SEM emisji pola i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM).
  2. Zmierz wydajność ogniwa słonecznego za pomocą źródła prądu i napięcia wyposażonego w symulator słoneczny (1 000 W/m2, AM1.5G).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Struktury warstwowe ogniw słonecznych CIGS z (a) standardową warstwą ZnO:Al/i-ZnO oraz (b) TCE z AgNW przedstawiono na Rycina 3Morfologia powierzchni CIGS jest chropowata, a pomiędzy warstwą AgNW a znajdującą się pod nią warstwą buforową CdS może powstać przerwa w skali nanometrycznej. Jak podkreślono w Rysunek 3A, 2nd Warstwa CdS może być selektywnie osadzana w szczelinie nanometrycznej w celu stworzenia stabilnego ko...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Należy pamiętać, że czas osadzania 2.warstwy CdS musi być zoptymalizowany, aby osiągnąć optymalną wydajność ogniwa. Wraz ze wzrostem czasu osadzania zwiększa się grubość 2.warstwy CdS , a co za tym idzie, poprawia się kontakt elektryczny. Jednak dalsze osadzanie się 2warstwy CdS spowoduje powstanie grubszej warstwy, która zmniejsza absorpcję światła, a wydajność urządzenia spadnie. Osiągnęliśmy najlepszą wydajność ogniwa przy 10-minutowym czasie osadzania dla 2.warstwy CdS i us...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

To badanie było wspierane przez Wewnętrzny Program Badawczo-Rozwojowy Koreańskiego Instytutu Badań Energetycznych (KIER) (B9-2411) oraz Program Badań Podstawowych przez Narodową Fundację Badawczą Korei (NRF) finansowany przez Ministerstwo Edukacji (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Mo MaterionCzystość: 3N5Mo rozpylanie
Cu5N PlusCzystość: 4N7CIGS osadzanie
w5N PlusCzystość: 5NCIGS
Ga5N PlusCzystość: 5NCIGS osadzanie
Se5N PlusCzystość: 5NCIGS
Octan amonuAlfa Aesar11599Roztwór reakcyjny CdS
Wodorotlenek amonuAlfa AesarL13168Roztwór reakcyjny CdS
Octan kadmu dwuwodnyreakcyjnySigma-Aldricha289159
TiomocznikRoztwór reakcyjny CdSSigma-AldrichT8656
Silver NanowireACSMaterialAgNW-L30AgNW dispersja
osadzanie osadzanie roztwór CdS

Bibliografia

  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).
  2. Langley, D., et al. Flexible transparent conductive materials based on silver nanowire networks: a review. Nanotechnology. 24 (45), 452001(2013).
  3. Chung, C. -H., et al. Silver nanowire composite window layers for fully solution-deposited thin-film photovoltaic devices. Advanced Materials. 24 (40), 5499-5504 (2012).
  4. Liu, C. -H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6 (1), (2011).
  5. Yu, Z., et al. Highly flexible silver nanowire electrodes for shape-memory polymer light-emitting diodes. Advanced Materials. 23 (5), 664-668 (2011).
  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).
  7. Kim, A., Won, Y., Woo, K., Kim, C. -H., Moon, J. Highly transparent low resistance ZnO/Ag Nanowire/ZnO composite electrode for thin film solar cells. ACS Nano. 7 (2), 1081-1091 (2013).
  8. Singh, M., Jiu, J., Sugahara, T., Suganuma, K. Thin-film copper indium gallium selenide solar cell based on low-temperature all-printing process. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (18), 16297-16303 (2014).
  9. Kim, A., Won, Y., Woo, K., Jeong, S., Moon, J. All-solution-processed indium-free transparent composite electrodes based on Ag Nanowire and Metal Oxide for thin-film solar cells. Advanced Functional Materials. 24 (17), 2462-2471 (2014).
  10. Shin, D., Kim, T., Ahn, B. T., Han, S. M. Solution-processed Ag Nanowires + PEDOT:PSS hybrid electrode for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. ACS Applied Materials and Interfaces. 7 (24), 13557-13563 (2015).
  11. Wang, M., Choy, K. -L. All-nonvacuum-processed CIGS solar cells using scalable Ag NWs/AZO-based transparent electrodes. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (26), 16640-16648 (2016).
  12. Jang, J., et al. Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells with solution processed silver nanowire composite window layers: buffer/window junctions and their effects. Solar Energy Materials and Solar Cells. 170, 60-67 (2017).
  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).
  14. Lee, S., et al. Robust nanoscale contact of silver nanowire electrodes to semiconductors to achieve high performance chalcogenide thin film solar cells. Nano Energy. 53, 675-682 (2018).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Cienkowarstwowe ogniwa s oneczne CIGSpoprawa kontaktu elektrycznegomagnetronowe napylanie DCosadzanie molibdenuosadzanie siarczku kadmuproces powlekania wir wkowegoprzekrojowa analiza TEMpomiar wydajno ci urz dzenia

Powiązane artykuły