Summary
I denne protokol beskriver vi den detaljerede eksperimentelle procedure for fabrikation af en robust nanoskala kontakt mellem et sølv nanowire-netværk og CdS-buffer lag i en CIGS-tynd film-solcelle.
Abstract
Silver nanowire gennemsigtige elektroderne er blevet anvendt som vindues lag til cu (in, GA) Se2 tynde film solceller. Bare sølv nanowire elektroderne normalt resulterer i meget dårlig celle ydeevne. Indlejring eller klemning af sølv nanoledninger ved hjælp af moderat ledende gennemsigtige materialer, såsom indium tin oxid eller zinkoxid, kan forbedre cellernes ydeevne. Men den løsning-forarbejdede matrix lag kan forårsage et betydeligt antal grænseflade defekter mellem gennemsigtige elektroder og CDS buffer, som i sidste ende kan resultere i lav celle ydeevne. Dette manuskript beskriver, hvordan man fabrikerer robust elektrisk kontakt mellem en sølv nanowire-elektrode og det underliggende CdS-buffer lag i en cu (in, GA) Se2 -solcelle, der muliggør høj celle ydeevne ved hjælp af matrix-fri sølv nanowire transparent Elektroder. Den matrix-fri sølv nanowire-elektrode, der er fremstillet af vores metode, viser, at det er så godt som standard celler med sprudede ZnO: al/i-ZnO, så længe sølv nanoledningerne og Cd'er har elektrisk kontakt af høj kvalitet. Den elektriske kontakt af høj kvalitet blev opnået ved at deponere en ekstra CdS lag så tynde som 10 nm på sølv nanowire overflade.
Introduction
Silver nanowire (AgNW) netværk er blevet grundigt undersøgt som et alternativ til indium tin oxid (ITO) transparent gennemføre tynde film på grund af deres fordele i forhold til konventionelle gennemsigtige ledende oxider (TCOs) i form af lavere forarbejdningsomkostninger og bedre mekanisk fleksibilitet. Løsning-forarbejdet AgNW netværk gennemsigtige ledende elektroderne (TCEs) har således været beskæftiget i Cu (in, GA) Se2 (CIGS) tynde film solceller1,2,3,4,5 , 6. Solution-forarbejdede agnw TCEs er normalt fabrikeret i form af indlejrede-agnw eller sandwich-agnw strukturer i en ledende matrix såsom pedot: PSS, Ito, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 matrix lagene kan forbedre, at indsamlingen af de Charge bærere til stede i de tomme rum i agnw netværket.
Men matrix lagene kan generere grænseflade defekter mellem matrixlaget og underliggende cd'er buffer lag i CIGS tynd-film solceller12,13. De grænseflade defekter ofte forårsage en Kink i den nuværende tæthed-spænding (J-V) kurve, hvilket resulterer i en lav fyldnings faktor (FF) i cellen, hvilket er til skade for solens celle ydeevne. Vi har tidligere rapporteret en metode til at løse dette problem ved selektivt at deponere et ekstra tyndt CdS-lag (2nd CDS-lag) mellem agnws og CDS-buffer laget14. Inkorporeringen af et ekstra CdS-lag forbedrede kontakt egenskaberne i krydset mellem AgNW-og CdS-lagene. Derfor blev Carrier-samlingen i AgNW-netværket væsentligt forbedret, og cellens ydeevne blev forbedret. I denne protokol beskriver vi den eksperimentelle procedure for at fabrikere robust elektrisk kontakt mellem AgNW-netværket og CdS-buffer laget ved hjælp af et 2nd -CDS-lag i en CIGS-tynd-film-solcelle.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. fremstilling af mo-coated glas ved DC Magne-spruttende
- Læg rengjorte glas substrater i en DC Magne og Pump ned til under 4 x 10-6 torr.
- Flow ar gas og indstille arbejdstrykket til 20 mTorr.
- Tænd for plasma, og øg DC-udgangs effekten til 3 kW.
- Efter forsputtering af 3 min til målrensning, Begynd mo-aflejringen, indtil mo-filmtykkelsen når ca. 350 nm.
- Arbejdstrykket indstilles til 15 mTorr, samtidig med at den samme udgangseffekt bevares (dvs. 3 kW).
- Genoptag mo-aflejringen, indtil den totale tykkelse af mo når ca. 750 nm.
2. CIGS absorber lag deposition ved hjælp af en tre-trins cofordampning
- Læg mo-coated glas i en forvarmet Co-fordamper under et vakuum under 5 x 10-6 torr.
- Indstil temperaturerne på in, GA og se effusion-celler, der giver en depositionsrate på henholdsvis 2,5 Å/s, 1,3 Å/s og 15 Å/s.
- Tjek deposition satser ved hjælp af Quartz Crystal mikrovægt (qcm) teknik. Deposition satser er afhængige af den indstillede temperatur af effusion celler og mængden af materialer i effusion celler.
- Begynd at levere i, GA og se på det Mo-belagte glas for at danne et 1 μm tykt (in, GA)xSey -prækursorlag ved substrat temperaturen på 450 °c. Deposition tid er 15 min (nemlig, 1St etape).
- Stop in og GA forsyninger og øg substrat temperaturen til 550 °C.
- Begynd at levere cu (deposition rate: 1,5 Å/s) på (in, GA)xSey forløber og fortsæt indtil cu/(i + GA) kompositoriske forhold i filmen når 1,15. Bemærk, at se-depositionen fastholdes på 15 Å/s gennem 2nd -stadiet (dvs. 2nd -stadiet).
- Stop forsyner cu og fordampe i og GA igen med de samme deposition satser som den 1St etape til sidst danne en ca 2 μm-tyk CIGS film med cu/(i + GA) kompositoriske forhold på 0,9. Opretholde Se-aflejrings hastigheden og substrat temperaturen ved henholdsvis 15 Å/s og 550 °C. Depositionstid for denne fase er 4 min (nemlig 3Rd fase).
- For at sikre en fuldstændig reaktion, anneal den deponerede CIGS film under omgivende se (15 Å/s) i 5 min ved substrat temperaturen på 550 °C.
- Afkøl substrat temperaturen til 450 °C under omgivende se (15 Å/s), og fjern derefter de CIGS-deponerede substrat, når substrat temperaturen er under 250 °C.
3. vækst af CdS buffer lag på CIGS absorber lag ved hjælp af en kemisk bad deposition (CBD) metode
- Opløsningen af CdS-reaktions badet forberedes i et 250 mL bægerglas ved tilsætning af 97 mL DI-vand, 0,079 g CD (Kap3COO)2· 2h2O, 0,041 g af NH2csnh2og 0,155 g3coonh4. Opløsningen omrøres i flere minutter for at blande den. Sørg for, at alle tilsatte solutter er helt opløst.
- Tilsæt 3 mL NH4Oh (28% NH3) i badet, og rør opløsningen i 2 min. figur 1 viser den eksperimentelle opsætning af CBD til cd'er.
- Sæt CIGS-prøven i reaktions badopløsningen ved hjælp af en Teflon-prøveholder.
- Sæt reaktions badet i vand varme badet ved 65 °C, og rør reaktions badet på 200 rpm ved hjælp af en magnetisk bjælke under aflejrings processen.
- Reagere i 20 min at generere en ca 70 til 80 nm CdS buffer lag på CIGS.
- Efter reaktionen fjernes prøven fra reaktions badet, vaskes med en strøm af DI-vand og tørres med N2 -gas.
- Prøven udglødet ved 120 °C i 30 minutter på en kogeplade.
4. fremstilling af AgNW TCE-nettet
- Forbered en fortyndet AgNW dispersion (1 mg/mL) ved at blande 19 mL ethanol med 1 mL af en indkøbt ethanol-baseret AgNW dispersion (20 mg/mL).
- Hæld 0,2 mL af den fortyndede AgNW dispersion på en cd/CIGS-prøve (2,5 cm x 2,5 cm) for at dække hele prøve eksemplet, og drej prøven med 1.000 rpm i 30 s.
- Gentag trin 4,2 efter behov for at opnå de ønskede optiske og elektriske egenskaber. Spin-coat AgNWs 3x. En scanning elektronmikroskopi (SEM) billede af spin-coated agnw TCE er vist i figur 2.
- Efter spin-coating, anneal prøven ved 120 °C i 5 min på en varm plade.
5. deposition af 2nd CDS-laget
- Forbered en ny CdS-reaktions badløsning som beskrevet i trin 3,1.
- Indbetal cd'er som i afsnit 3, undtagen ændre reaktionstiden som nødvendigt.
Bemærk: vi optimerede reaktionstiden, og 10 min resulterede i CIGS-enheden med den bedste ydeevne. Effekten af 2nd cd'er deposition tid på en CIGS tynde film Solar Cell enhed ydeevne kan findes i vores tidligere arbejde14.
6. karakterisering teknikker
- Karakterisere overfladen og tværsnits morfologi af AgNWs og CdS-coatede AgNWs ved felt emission SEM og transmission elektronmikroskopi (TEM).
- Mål Solar Cell ydeevne ved hjælp af en strøm-spænding kildeudstyret med en sol Simulator (1.000 W/m2, am 1.5 g).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Lag strukturer af CIGS solceller med (a) standard ZnO: al/i-ZnO og (b) AgNW TCE er vist i figur 3. Overfladen morfologi af CIGS er ru, og en nanoskala kløft kan dannes mellem AgNW lag og den underliggende CdS buffer lag. Som fremhævet i figur 3akan 2nd CDS-laget selektivt deponeres på nanoskala-hullet for at skabe en stabil elektrisk kontakt. Den detaljerede forklaring på dannelsen af elektrisk kontakt og forbedring af elektriske egenskaber og enhedens ydeevne kan findes i referencen 14. Den strukturelle analyse af AgNW og CdS Junction, herunder tværsnits SEM og TEM, og tilsvarende elementær kortlægning kan også findes i referencen 14.
Figur 4 viser tværsnitsbilleder (a) langs de 2nd cd'er lag deponeret på Agnw netværk på CDs/CIGS struktur og (b) på tværs af 2nd CDS lag deponeret på agnw netværk. CdS/CIGS-strukturen viser en robust overflade morfologi på grund af CIGS ' granulære struktur. Derfor er nøgne AgNWs suspenderet i luften, og stabil elektrisk kontakt med CdS buffer lag kan ikke forventes. 2nd CDS lag er ensartet deponeret på overfladen af agnws, og CDS lag på kernen-Shell agnw (AG @ CDS NW) struktur er produceret som vist i figur 4b. Desuden fylder 2nd CDS-laget lufthullerne mellem CDS-buffer laget og agnw-laget, som vist i indsættet af figur 4a, og der opnås stabil elektrisk kontakt.
Figur 5 og tabel 1 viser enhedens ydeevne af en CIGS tynd-film solcelle med bare agnw og AG @ CDS NW TCEs. På grund af ustabil elektrisk kontakt, cellen med nøgne AgNWs har dårlig enhed ydeevne. Deposition af en 2nd CDS lag i høj grad forbedrer cellens ydeevne, som vist i J-V egenskaber i figur 5. Cellen med AG @ CdS NW TCE viste en større end 50% stigning i enhedens effektivitet og FF sammenlignet med den nøgne AgNW TCE.
Figur 1: Opsætning af kemisk bad deposition. Et billede af den eksperimentelle opsætning for kemisk bad deposition af cd'er på CIGS. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: et SEM billede af AgNW TCE. SEM-billedet viser den spin-coated AgNW TCE på CdS/CIGS/mo-strukturen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: skematisk diagram af CIGS tynd-film solceller. Lagstruktur af en CIGS tynd-film sol celle med (a) ZnO: al/i-ZnO TCO og (B) agnw TCE med en 2nd CDS lag. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: strukturel analyse af AG @ CDS NW. (A) tværsnits billede langs en AG @ CDS NW på en CDS/CIGS struktur og (B) høj opløsning tem billede på tværs af en AG @ CDS NW. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: sammenligning af enheds ydeevne. J-V Karakteristik af CIGS tynd-film solceller med bare AgNW og AG @ CdS NW TCEs. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| Celle | voC (v) | JSC (ma/cm2) | Effektivitet (%) | FF (%) |
| Bare AgNW TCE | 0,60 | 29,5 | 7,9 | 44 |
| AG @ CdS TCE | 0,65 | 32,3 | 14,2 | 67,2 |
Tabel 1: enhedens ydelsesdata. En oversigt over enhedens ydeevne afledt af J-V-kurver.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bemærk, at aflejrings tiden for 2nd CDS-laget skal optimeres for at opnå den optimale celle ydelse. Som deposition tid stiger, tykkelsen af 2nd CDS lag stiger, og dermed, den elektriske kontakt vil forbedre. Men yderligere deposition af 2nd CDS lag vil resultere i et tykkere lag, der reducerer lys absorption, og enhedens effektivitet vil falde. Vi opnåede den bedste celle ydeevne med 10 min af deposition tid til 2nd CDS lag og fastslået, at celle effektiviteten faldt med længere aflejrings tider.
For at evaluere vores metode sammenlignede vi enhedens ydeevne af AG @ CDS NW-baserede CIGS Solar Cell med en standard CIGS Solar Cell med en sprudede ZnO: al/i-znol TCO, som beskrevet i figur 3a14. J-V-egenskaberne var næsten lige, og de samlede enheds præstationer var meget ens. Dette resultat beviser, at vores løsningsproces metode kan producere en højtydende tynd-film sol celle.
Forskellige metoder er blevet anvendt til at forbedre de elektriske egenskaber af AgNW TCE herunder inkorporering af befordrende matrix. Den metode, der er beskrevet i denne protokol er enkel og effektiv til at forbedre den elektriske kontakt ejendom mellem AgNWs og underliggende cd'er buffer lag i CIGS tynde film Solar Cell. På grund af den forbedrede kontakt ejendom, er solens celle præstation væsentligt forbedret. Metoden er designet til at gælde for CdS/CIGS-systemet, men er ikke begrænset til CdS/CIGS-systemet. Når der oprettes en passende CBD-metode, kan vores metode anvendes til at skabe elektrisk kontakt af høj kvalitet mellem AgNWs og buffer laget i chalcogenide tynde film solceller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer, at de ikke har konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Denne forskning blev støttet af in-House forsknings-og udviklingsprogram af Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) og det grundlæggende videnskabelige forskningsprogram gennem National Research Foundation of Korea (NRF) finansieret af Ministeriet for Uddannelse (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Mo | Materion | Purity: 3N5 | Mo sputtering |
| Cu | 5N Plus | Purity: 4N7 | CIGS deposition |
| In | 5N Plus | Purity: 5N | CIGS deposition |
| Ga | 5N Plus | Purity: 5N | CIGS deposition |
| Se | 5N Plus | Purity: 5N | CIGS deposition |
| Ammonium acetate | Alfa Aesar | 11599 | CdS reaction solution |
| Ammonium hydroxide | Alfa Aesar | L13168 | CdS reaction solution |
| Cadmium acetate dihydrate | Sigma-Aldrich | 289159 | CdS reaction solution |
| Thiourea | Sigma-Aldrich | T8656 | CdS reaction solution |
| Silver Nanowire | ACSMaterial | AgNW-L30 | AgNW dispersion |
References
- 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).
- Langley, D., et al. Flexible transparent conductive materials based on silver nanowire networks: a review. Nanotechnology. 24 (45), 452001 (2013).
- 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).
- Liu, C. -H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6 (1), (2011).
- Yu, Z., et al. Highly flexible silver nanowire electrodes for shape-memory polymer light-emitting diodes. Advanced Materials. 23 (5), 664-668 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
