Summary
I denne protokollen, beskriver vi detaljert eksperimentell prosedyre for fabrikasjon av en robust nanoskala kontakt mellom en sølv Nanowire nettverk og CDer buffer laget i en CIGS tynn-film solcelle.
Abstract
Silver Nanowire gjennomsiktige elektroder har vært ansatt som vindus lag for Cu (in, ga) se2 tynne-film solceller. Bare sølv Nanowire elektroder normalt føre til svært dårlig celle ytelse. Innebygging eller sandwiching av sølv nanotråder ved hjelp av moderat ledende transparent materiale, for eksempel Indium tinn oksid eller sink oksid, kan forbedre celle ytelsen. Imidlertid kan løsnings behandlede matrise lag forårsake et betydelig antall grenseflate defekter mellom gjennomsiktige elektroder og CDer buffer, som til slutt kan føre til lav celle ytelse. Dette manuskriptet beskriver hvordan å dikte robust elektrisk kontakt mellom en sølv Nanowire elektrode og den underliggende CdS buffer laget i en Cu (in, ga) se2 sol celle, slik at høy celle ytelse ved hjelp av Matrix-fri sølv Nanowire transparent Elektroder. Matrisen-fri sølv Nanowire elektrode fabrikkert ved vår metode beviser at charge-carrier samling evne til sølv Nanowire elektrode-baserte celler er så godt som for standard celler med freste ZnO: Al/i-ZnO så lenge sølv nanotråder og CDer har elektrisk kontakt av høy kvalitet. Høy kvalitet elektrisk kontakt ble oppnådd ved å sette inn et ekstra CdS lag så tynne som 10 NM på sølv Nanowire overflaten.
Introduction
Silver Nanowire (AgNW) nettverk har blitt grundig studert som et alternativ til Indium tinn oksid (ITO) transparent gjennomføre tynne filmer på grunn av sine fordeler fremfor konvensjonelle gjennomsiktige gjennomføre oksider (transparent Conductive oxides) i form av lavere prosesserings kostnader og bedre mekanisk fleksibilitet. Solution-behandlet AgNW nettverk transparent gjennomfører elektroder (TCEs) har dermed vært ansatt i Cu (in, ga) se2 (CIGS) Thin-Film solceller1,2,3,4,5 , 6. Solution-behandlet AgNW TCEs er normalt fabrikkert i form av embedded-AgNW eller sandwich-AgNW strukturer i en ledende matrise som PEDOT: PSS, Ito, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 Matrix lag kan forbedre at samlingen av belaste bærere til stede i den tomme områder av AgNW nettverket.
Imidlertid kan Matrix lag generere grenseflate defekter mellom Matrix laget og underliggende CDS buffer laget i CIGS Thin-Film solceller12,13. Grenseflate defekter ofte føre til en knekk i dagens tetthet-spenning (J-V) kurve, noe som resulterer i en lav fylle faktor (FF) i cellen, noe som er skadelig for sol celle ytelse. Vi har tidligere rapportert en metode for å løse dette problemet ved å selektivt sette inn en ekstra tynne CDer laget (2nd CDS lag) mellom AgNWs og CDS buffer lag14. Inkorporering av et ekstra CdS-lag forbedret kontakt egenskapene i krysset mellom AgNW-og CdS-lagene. Derfor ble transportør samlingen i AgNW-nettverket kraftig forbedret, og celle ytelsen ble forbedret. I denne protokollen, beskriver vi den eksperimentelle prosedyren for å dikte robust elektrisk kontakt mellom AgNW nettverket og CdS buffer laget ved hjelp av en 2nd CDS lag i en CIGS tynn-film solcelle.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. utarbeidelse av Mo-belagt glass ved DC magnetron sputtering
- Legg renset glass underlag i en DC-magnetron og Pump ned til under 4 x 10-6 torr.
- Flow AR-gass og sett arbeidstrykket til 20 mTorr.
- Slå på plasma og øke DC utgangseffekt til 3 kW.
- Etter pre-sputtering av 3 min for mål rengjøring, begynner Mo deponering til Mo filmtykkelse når ca 350 NM.
- Sett arbeidstrykket til 15 mTorr samtidig som du opprettholder den samme utgangseffekten (dvs. 3 kW).
- Gjenoppta Mo deponering til den totale tykkelsen på Mo når ca 750 NM.
2. CIGS Absorber lag deponering ved hjelp av en tre-trinns coevaporation
- Load Mo-belagt glass i en forvarmet co-fordamper under et vakuum lavere enn 5 x 10-6 torr.
- Angi temperaturene for i, ga og se effusjon celler som gir deponering av 2,5 å/s, 1,3 å/s, og 15 å/s, henholdsvis.
- Sjekk deponering priser ved hjelp av kvartskrystall mikrovekt (QCM) teknikk. Deponering priser er avhengig av innstilt temperatur på effusjon celler og mengden av materialer i effusjon celler.
- Begynn å forsyne in, ga og se på Mo-belagt glass for å danne en 1 μm-tykk (i, ga)xsey forløper lag ved substrat temperatur på 450 ° c. Deponering tid er 15 min (nemlig 1St scenen).
- Stopp in og ga forsyninger og øke underlaget temperatur til 550 ° c.
- Begynn å levere Cu (deponering rate: 1,5 å/s) på (in, ga)xsey forløper og Fortsett til Cu/(i + ga)-forholdet til filmen når 1,15. Merk at se deponering rate opprettholdes ved 15 å/s gjennom 2nd scenen (nemlig 2nd scenen).
- Stopp forsyne Cu og fordampe i og ga igjen med samme avsetning priser som 1St scenen for å endelig danne en ca 2 μm-tykke CIGS film med Cu/(i + ga) forholdet mellom 0,9 og 2. Oppretthold se deponering rate og substrat temperatur ved 15 å/s og 550 ° c, henholdsvis. Deponering tid på dette stadiet er 4 min (nemlig 3Rd scenen).
- For å sikre en fullstendig reaksjon, anneal den avsatte CIGS-filmen under ambient se (15 å/s) i 5 minutter ved substrat temperatur på 550 ° c.
- Kjøl ned underlaget temperatur til 450 ° c under ambient se (15 å/s) og deretter losse CIGS-avsatt substrat når underlaget temperaturen er under 250 ° c.
3. vekst av CdS buffer lag på CIGS Absorber laget ved hjelp av en kjemisk bad avsetning (CBD) metode
- Forbered CdS reaksjon bad løsning i et 250 mL beger ved å legge 97 mL av DI vann, 0,079 g CD (CH3COO)2· 2h2O, 0,041 g av NH2CSNH2, og 0,155 g av ch3COONH4. Rør løsningen i flere minutter å blande. Sørg for at alle ekstra oppløsninger er fullstendig oppløst.
- Tilsett 3 mL av NH4Oh (28% NH3) i badekaret løsningen og røre løsningen for 2 min. figur 1 viser eksperimentell oppsett av CBD for CDer.
- Sett CIGS prøven inn i reaksjonen bad løsning ved hjelp av en Teflon prøve holderen.
- Sett reaksjonen bad i vann-varme bad opprettholdes ved 65 ° c og røre reaksjonen bad løsning på 200 RPM ved hjelp av en magnetisk bar under deponering prosessen.
- Reagerer på 20 min for å generere en ca 70 til 80 NM CD buffer lag på CIGS.
- Etter reaksjonen, fjerne prøven fra reaksjonen bad, vask med en strøm av DI vann, og tørk med N2 gass.
- Anneal prøven ved 120 ° c i 30 minutter på en kokeplate.
4. fabrikasjon av AgNW TCE nettverket
- Forbered en fortynnet AgNW-dispersjon (1 mg/mL) ved å blande 19 mL etanol med 1 mL av en kjøpt etanol-basert AgNW-dispersjon (20 mg/mL).
- Hell 0,2 mL av den fortynnede AgNW-spredningen på en CD/CIGS-prøve (2,5 cm x 2,5 cm) for å dekke hele overflaten av prøven og rotere prøven med 1 000 RPM i 30 s.
- Gjenta trinn 4,2 etter behov for å oppnå de ønskede optiske og elektriske egenskapene. Spin-coat AgNWs 3x. En skanning elektron mikroskopi (SEM) bilde av Spin-belagt AgNW TCE er vist i figur 2.
- Etter spin-coating anneal prøven ved 120 ° c i 5 minutter på en kokeplate.
5. deponering av 2nd CDS lag
- Forbered en ny CD reaksjons bad løsning som beskrevet i trinn 3,1.
- Sett inn CD-er som i del 3, unntatt endre reaksjonstiden etter behov.
Merk: vi optimaliserte reaksjonstiden, og 10 min resulterte i CIGS-enheten med best ytelse. Effekten av 2nd CDer deponering tid på en CIGS tynn film sol celle enhet ytelse kan finnes i vårt forrige arbeid14.
6. karakterisering teknikker
- Karakterisere overflaten og tverrsnitt morfologi av AgNWs og CdS-belagt AgNWs av feltet utslipp SEM og overføring elektron mikroskopi (TEM).
- Mål sol celle ytelse ved hjelp av en strøm spenningskilde utstyrt med en sol celle Simulator (1 000 W/m2, am 1.5 g).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Laget strukturer av CIGS solceller med (a) standard ZnO: Al/i-ZnO og (b) AgNW TCE er vist i Figur 3. Overflaten morfologi av CIGS er grov, og en nanoskala gap kan danne mellom AgNW laget og den underliggende CdS buffer laget. Som uthevet i figur 3a, kan 2nd CDS-laget selektivt settes inn på nanoskala gap for å skape en stabil elektrisk kontakt. Den detaljerte forklaringen på dannelsen av elektrisk kontakt og forbedring av elektriske egenskaper og enhetsytelse finnes i referansen 14. Den strukturelle analyse av AgNW og CDer knutepunkt inkludert tverrsnitt SEM og TEM, og tilsvarende Elemental kartlegging kan også finnes i referansen 14.
Figur 4 viser kryss-ledd tem bilder (a) langs 2nd CDS laget avsatt på AgNW nettverket på CDS/CIGS struktur og (b) over 2nd CDS laget avsatt på AgNW nettverket. CdS/CIGS-strukturen viser en robust overflate morfologi på grunn av den detaljerte strukturen til CIGS. Derfor er bare AgNWs suspendert i luften, og stabil elektrisk kontakt med CdS buffer laget kan ikke forventes. De 2nd CDS laget er jevnt avsatt på overflaten av AgNWs, og CDS laget på kjernen-skallet AgNW (AG @ CDS NW) struktur er produsert som vist i figur 4b. Videre fyller 2nd CDS lag luft hullene mellom CDS buffer laget og AgNW lag, som vist i innfelt på figur 4a, og stabil elektrisk kontakt er oppnådd.
Figur 5 og tabell 1 Vis enhetens ytelse av en CIGS tynn-film solcelle med nakne AgNW og AG @ CDS NW TCEs. På grunn av ustabil elektrisk kontakt, har cellen med bare AgNWs dårlig enhetsytelse. Deponering av en 2nd CDS laget forbedrer celle ytelsen, som vist i J-V egenskaper i figur 5. Cellen med AG @ CdS NW TCE viste en større enn 50% økning i enhets effektivitet og FF i forhold til den nakne AgNW TCE.
Figur 1: kjemisk bad deponering oppsett. Et bilde av den eksperimentelle oppsett for kjemiske bad deponering av CDer på CIGS. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: et SEM-bilde av AGNW TCE. Den SEM bildet viser spin-belagt AgNW TCE på CdS/CIGS/Mo struktur. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: skjematisk diagram av CIGS tynn-film solceller. Layer struktur av en CIGS tynn-film solcelle med (a) ZnO: Al/i-ZnO TCO og (B) AgNW TCE med a 2nd CDS lag. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: strukturelle analyse av AG @ CDS NW. (A) Cross-Seksjons tem bilde langs en AG @ CDS NW på en CDS/CIGS struktur og (B) høyoppløselig tem bilde over en AG @ CDS NW. please Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: sammenligning av enhetsytelse. J-V karakteristikker av CIGS tynn-film solceller med nakne AgNW og AG @ CdS NW TCEs. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Cellen | 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 |
Tabell 1: ytelsesdata for enhet. Et sammendrag av enhetens ytelse avledet fra J-V-kurvene.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Merk at deponering tid av 2nd CDS laget må optimaliseres for å oppnå optimal celle ytelse. Som deponering tid øker, tykkelsen på 2nd CDS lag øker, og følgelig vil den elektriske kontakten forbedres. Men videre deponering av 2nd CDS laget vil resultere i et tykkere lag som reduserer lys absorpsjon, og enheten effektivitet vil avta. Vi oppnådde den beste cellen ytelse med 10 min av deponering tid for 2nd CDS laget og fastslått at cellen effektiviteten redusert med lengre deponering ganger.
For å evaluere vår metode, sammenlignet vi enhetens ytelse av AG @ CdS NW-baserte CIGS sol celle med at en standard CIGS solcelle med en freste ZnO: Al/i-ZnOl TCO, som beskrevet i figur 3a14. De J-V egenskaper var nesten like, og den samlede enheten forestillinger var svært like. Dette resultatet beviser at vår løsning prosess metoden kan produsere en høy-ytelse tynn-film solcelle.
Ulike metoder har blitt brukt for å forbedre de elektriske egenskapene til AgNW TCE inkludert inkorporering av bidrar matrise. Metoden beskrevet i denne protokollen er enkel og effektiv for å forbedre den elektriske kontakten eiendom mellom AgNWs og underliggende CdS buffer lag i CIGS tynn film solcelle. På grunn av den forbedrede kontakt eiendommen, er sol celle ytelsen kraftig forbedret. Metoden er utformet for å gjelde for CdS/CIGS-systemet, men er ikke begrenset til CdS/CIGS-systemet. Når en hensiktsmessig CBD-metode er opprettet, kan vår metode brukes til å lage høykvalitets elektrisk kontakt mellom AgNWs og buffer laget i chalcogenide tynne-film solceller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer at de ikke har noen konkurrerende finansielle interesser.
Acknowledgments
Denne forskningen ble støttet av in-House Research and Development program av Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) og Basic Science Research program gjennom National Research Foundation of Korea (NRF) finansiert av departementet for Utdanning (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).
