Wytwarzanie wytrzymałego kontaktu w nanoskali między elektrodą z nanodrutu srebrnego a warstwą buforową CdS w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych Cu(In,Ga)Se2
19 lipca 2019
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.
Sieci nanodrutowe srebra to nowa technologia, która zastępuje tradycyjne przezroczyste tlenki przewodzące w zastosowaniu cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Problemem był jednak kontakt elektryczny z warstwą znajdującą się pod spodem. Nasz protokół jest prostą metodą procesową mającą na celu poprawę właściwości kontaktu elektrycznego między siecią nanodrutów srebra a leżącą poniżej warstwą buforową CdS w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych CIGS.
Nasza metoda jest bardzo prostym, powtarzalnym i tanim procesem opartym na roztworze. Jest on również porównywalny z istniejącym procesem opartym na rozwiązaniach, polegającym na wytwarzaniu cienkowarstwowych ogniw słonecznych CIGS. Najpierw załaduj oczyszczone szklane podłoża do magnetronu prądu stałego i pompuj w dół, aby dmuchnąć cztery razy 10 do minus sześciu torów.
Przepłyń argon i ustaw ciśnienie robocze na 20 militorów. Włącz plazmę i zwiększ moc wyjściową prądu stałego do trzech kilowatów. Po wstępnym rozpyleniu przez trzy minuty w celu oczyszczenia tarczy, rozpocznij osadzanie molibdenu, aż grubość warstwy molibdenu osiągnie około 350 nanometrów.
Następnie ustaw ciśnienie robocze na 15 militorów, utrzymując moc wyjściową na poziomie 3 kilowatów. Wznów osadzanie molibdenu, aż całkowita grubość molibdenu osiągnie około 750 nanometrów. Załaduj szkło pokryte molibdenem do wstępnie podgrzanego współparownika w próżni niższej niż 5 razy 10 do minus 6 torów.
Ustaw temperatury komórek efuzyjnych indu, galu i selenu, uzyskując szybkość osadzania odpowiednio 2,5, 1,3 i 15 angstremów na sekundę. Sprawdź szybkość stapiania przy użyciu techniki mikrowagi kwarcowej. Rozpocznij dostarczanie indu, galu i selenu na szkło pokryte molibdenem, aby utworzyć warstwę prekursorową indowo-galowo-selenową o grubości jednego mikrometra w temperaturze podłoża 450 stopni Celsjusza.
Po 15 minutach należy przerwać dopływ indu i galu i zwiększyć temperaturę podłoża do 550 stopni Celsjusza. Następnie zacznij dostarczać miedź do prekursora indowo-galowo-selenowego i kontynuuj, aż stosunek składu miedzi do indu + galu filmu osiągnie 1,15. Zaprzestań dostarczania miedzi i ponownie odparuj ind i gal z taką samą szybkością osadzania, jak w pierwszym etapie, aby utworzyć warstwę CIGS o grubości około 2 mikrometrów o stosunku składu miedzi do indu + galu wynoszącym 0,9.
Utrzymuj szybkość osadzania selenu i temperaturę substratu na poziomie odpowiednio 15 angstremów na sekundę i 550 stopni Celsjusza. Aby zapewnić pełną reakcję, należy wyżarzać osadzoną warstwę CIGS pod otaczającym selenem przez 5 minut w temperaturze podłoża 550 stopni Celsjusza. Zmniejsz temperaturę podłoża do 450 stopni Celsjusza w otoczeniu selenu, a następnie rozładuj osadzony substrat CIGS, gdy temperatura podłoża spadnie poniżej 250 stopni Celsjusza.
Przygotować roztwór kąpieli reakcyjnej siarczku kadmu w zlewce o pojemności 250 mililitrów, dodając wodę dejonizowaną, dwuwodny octan kadmu, tiomocznik i octan amonu. Mieszaj roztwór przez kilka minut, aż będzie jednorodny. Dodaj 3 mililitry wodorotlenku amonu do roztworu do kąpieli i mieszaj przez 2 minuty.
Następnie umieść próbkę CIGS w roztworze kąpieli reakcyjnej za pomocą teflonowego uchwytu na próbkę. Umieść kąpiel reakcyjną w łaźni wodnej utrzymywanej w temperaturze 65 stopni Celsjusza. Wymieszać roztwór kąpieli reakcyjnej z prędkością 200 obr./min podczas procesu osadzania, pozwalając reakcji postępować przez 20 minut w celu wytworzenia warstwy buforowej siarczku kadmu o grubości około 70-80 nanometrów na CIGS.
Po reakcji wyjąć próbkę z łaźni reakcyjnej, przemyć strumieniem wody dejonizowanej i osuszyć gazowym azotem. Wyżarzać próbkę w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 30 minut na podgrzanej płycie grzejnej. Przygotuj dyspersję nanodrutów srebra o zawartości 1 miligrama na mililitr, mieszając 90 mililitrów etanolu z 1 mililitrem dyspersji nanodrutów srebra na bazie etanolu o proporcji 20 miligramów na mililitr
.Wlej 0,2 mililitra rozcieńczonej dyspersji nanodrutów srebra na próbkę CIGS siarczku kadmu, aby pokryć całą powierzchnię, i obracaj próbkę z prędkością 1000 obr./min przez 30 sekund. Następnie pokryj srebrne nanodruty 3 razy. Po wirowaniu próbkę należy wyżarzać w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 5 minut na rozgrzanej płycie grzejnej.
Przygotować nowy roztwór kąpieli reakcyjnej siarczku kadmu, jak opisano wcześniej. Osadzać siarczek kadmu zgodnie z wcześniejszym opisem, z wyjątkiem zmiany czasu reakcji, jeśli jest to konieczne. Teraz scharakteryzuj morfologię powierzchni nanodrutów srebra pokrytych siarczkiem kadmu za pomocą mikroskopii optycznej.
Zmierz wydajność ogniwa słonecznego za pomocą źródła napięcia prądu wyposażonego w symulator słoneczny. Przedstawiono tutaj struktury warstwowe ogniw słonecznych CIGS ze standardowym tlenkiem domieszkowanym aluminium na wewnętrznych przezroczystych elektrodach przewodzących z tlenku i srebra w sieci nanodrutów. Druga warstwa siarczku kadmu może być selektywnie osadzana w szczelinie w nanoskali, aby stworzyć stabilny kontakt elektryczny.
Przedstawiono tutaj obrazy transmisyjnej mikroskopii elektronowej w przekroju poprzecznym, wzdłuż drugiej warstwy siarczku kadmu, osadzonej w sieci nanodrutów srebra na strukturze CIGS siarczku kadmu oraz w poprzek drugiej warstwy siarczku kadmu zdeponowanej w sieci nanodrutów srebra. Druga warstwa siarczku kadmu jest równomiernie osadzana na powierzchni srebrnych nanodrutów i wytwarzana jest warstwa kadmu na strukturze srebrnego nanodrutu typu rdzeń-powłoka. Druga warstwa siarczku kadmu wypełnia szczeliny powietrzne między buforem kadmu a warstwami nanodrutów srebra i uzyskuje się stabilny kontakt elektryczny.
Wydajność cienkowarstwowego ogniwa słonecznego CIGS z gołymi srebrnymi nanodrutami oraz warstwą siarczku kadmu na przezroczystych elektrodach przewodzących z nanodrutów srebra w powłoce rdzenia jest pokazana tutaj. Ze względu na niestabilny kontakt elektryczny ogniwo z gołymi srebrnymi nanodrutami ma słabą wydajność urządzenia. Osadzanie się drugiej warstwy kadmu znacznie zwiększa wydajność ogniwa.
Najważniejszym krokiem w naszym protokole jest wytworzenie drugiej warstwy CdS w sieci nanodrutów srebra. Rozbieżny czas można zoptymalizować, mierząc wydajność cienkowarstwowego ogniwa słonecznego CIGS. Proponujemy metodę wytwarzania wytrzymałego kontaktu elektrycznego w skali nano w systemie CIGS.
Wierzymy, że nasza metoda może być zastosowana do innych systemów ogniw słonecznych, które wymagają poprawy właściwości kontaktu elektrycznego.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół przedstawia prostą i powtarzalną metodę poprawy kontaktu elektrycznego między siecią nanodrutów srebrynych a warstwą buforową CdS w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych CIGS. Podejście to ma na celu rozwiązanie problemów związanych z tradycyjnymi przezroczystymi tlenkami przewodzącymi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nanotechnologia
- Inżynieria materiałowa
- Odnawialne źródła energii
Wstęp
- Sieci nanodrutów srebrnych stanowią obiecującą alternatywę dla tradycyjnych materiałów przewodzących.
- Problemy z kontaktem elektrycznym z warstwami podłoża utrudniały ich zastosowanie.
- Niniejsze badanie przedstawia proces oparty na roztworach w celu poprawy właściwości stykowych.
- Ogniwa słoneczne z cienkich warstw CIGS są przedmiotem zainteresowania ze względu na ich wydajność i elastyczność.
Cel badania
- Opracowanie metody poprawy kontaktu elektrycznego w ogniwach słonecznych.
- Zapewnienie kosztowo efektywnego rozwiązania w zakresie wytwarzania cienkowarstwowych ogniw słonecznych CIGS.
- Porównanie nowej metody z istniejącymi procesami.
Zastosowane metody
- Czyszczenie podłoży szklanych.
- Użycie magnetronu DC do nanoszenia warstw.
- Pompowanie do próżni rzędu 4 x 10-6 torr.
- Nakładanie sieci nanodrutów srebrnych na warstwę buforową CdS.
Główne wyniki
- Proponowana metoda znacząco poprawia właściwości kontaktu elektrycznego.
- Jest ona powtarzalna i bardziej opłacalna w porównaniu z metodami tradycyjnymi.
- Wydajność cienkowarstwowych ogniw słonecznych CIGS ulega poprawie.
- Wyniki wskazują na kompatybilność z istniejącymi procesami wytwarzania.
Wnioski
- Niniejszy protokół przedstawia skuteczne rozwiązanie w celu poprawy wydajności ogniw słonecznych.
- Sieci nanodrutów srebrynych mogą efektywnie zastąpić tradycyjne materiały.
- Metoda jest prosta i może zostać łatwo wdrożona w badaniach oraz przemyśle.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ustanowienie stabilnego kontaktu elektrycznego w skali nanometrycznej pomiędzy elektrodami przezroczystymi a warstwami buforowymi jest kluczowe dla optymalizacji zbierania nośników ładunku w cienkowarstwowych ogniwach fotowoltaicznych. Słaby kontakt międzyfazowy ogranicza wydajność i powtarzalność urządzeń, stanowiąc barierę dla skalowalnej produkcji. Niniejsza metoda pozwala na uzyskanie wysokowydajnych elektrod z nanodrutów srebry poprzez zapewnienie stabilnego kontaktu z warstwą buforową CdS, co zwiększa pewność przewidywań przy wyborze materiału elektrod w zastosowaniach związanych z energią słoneczną.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechanizmów transportu ładunku na granicach faz elektroda-bufor.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalny proces oceny wydajności elektrod opartych na nanomateriałach.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Pozwala na tworzenie standaryzowanych powierzchni elektrod w celu zapewnienia spójności testów optoelektronicznych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia wysokoprzepustowe przesiewanie alternatywnych materiałów na przezroczyste elektrody.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Ułatwia przeniesienie innowacji w zakresie elektrod w skali laboratoryjnej do testów zintegrowanych z urządzeniami.
- Wartość operacyjna: Umożliwia integrację procesu z istniejącymi cyklami pracy osadzania cienkich warstw.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych, zapewniając skalowalny etap modyfikacji elektrody przed oceną parametrów działania urządzenia.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących międzyfazowego transferu ładunku i wydajności zbierania nośników.
- Przesiewanie: Dostarcza gotowe do analizy platformy elektrodowe o powtarzalnej morfologii powierzchni i przewodności.
- Analityka: Umożliwia ilościową ocenę wskaźników wydajności urządzenia, takich jak współczynnik wypełnienia i wydajność konwersji energii.
- Badania translacyjne: Łączy inżynierię nanomateriałów z funkcjonalną wydajnością urządzeń w cienkowarstwowych systemach solarnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi kompatybilną z platformą metodę obróbki powierzchni, którą można zastosować w wielu systemach elektroda-bufor.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w oddziaływaniach elektroda-bufor poprzez kontrolowaną inżynierię międzyfazową.
- Wartość operacyjna: Wykorzystuje niskokosztowe przetwarzanie w roztworach, kompatybilne z produkcją typu roll-to-roll.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go w rozwoju materiałów elektrodowych poprzez minimalizację wyników fałszywie ujemnych wynikających ze złego kontaktu.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia dostosowany do ryzyka rozwój elektrod opartych na nanodrutach poprzez wczesną walidację jakości kontaktu na etapie opracowywania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy eksperckiej w zakresie osadzania cienkich warstw oraz przetwarzania nanomateriałów z roztworów.
- Zależy od dostępu do aparatury do nanoszenia metodą spin-coatingu oraz platform do wygrzewania termicznego.
- Wymaga standaryzacji roztworów prekursorów CdS oraz warunków reakcji.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania parametrów do różnych wymiarów nanodrutów i topografii podłoży.
- Ograniczony koniecznością precyzyjnej kontroli osadzania ultracienkich warstw w celu uniknięcia zwarć lub nieprzezroczystości.
Najczęściej zadawane pytania (FAQ) dotyczące biofarmacji
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
