Summary
В этом протоколе мы описываем детальную экспериментальную процедуру изготовления надежного наномасштабного контакта между серебряной нанопроводной сетью и буферным слоем CdS в тонкопленочной солнечной ячейке CIGS.
Abstract
Серебряные нанопроводпрозрачные электроды были использованы в качестве оконных слоев для Cu(In,Ga)Se2 тонкопленочных солнечных элементов. Голые серебряные электроды нанопровода обычно приводят к очень плохой производительности клеток. Встраивание или зажатие серебряных нанопроводов с использованием умеренно проводящих прозрачных материалов, таких как оксид огния индиум или оксид цинка, может улучшить производительность клеток. Однако матричные слои, обработанные решением, могут вызвать значительное количество межфамальных дефектов между прозрачными электродами и буфером CDS, что в конечном итоге может привести к низкой производительности клеток. Данная рукопись описывает, как изготовить надежный электрический контакт между серебряным электродом нанопровода и базовым буферным слоем CdS в солнечной ячейке Cu(In,Ga)Se 2, что позволяет высокой производительности клеток с помощью матрично-свободного серебра нанопровода прозрачным Электроды. Матрично-свободный серебряный нанопровод электрод, изготовленный нашим методом, доказывает, что способность зарядного носителя сбора серебряных нанопроводных электродов так же хороша, как и у стандартных ячеек с распыленными Зно:Аль/и-зоно до тех пор, пока серебряные нанопроводы и CdS имеют высококачественный электрический контакт. Высококачественный электрический контакт был достигнут путем внесения дополнительного слоя CdS тонких, как 10 нм на поверхность серебряного нанопровода.
Introduction
Серебряные нанопроводные (AgNW) сети были широко изучены в качестве альтернативы оксида огния индиум (ITO) прозрачного проведения тонких пленок из-за их преимущества по сравнению с обычными прозрачными провода оксидов (TCOs) с точки зрения более низкой стоимости обработки и лучше механическая гибкость. Решение обработанных agNW сети прозрачных проводящих электродов (TCEs), таким образом, были использованы в Cu (In,Ga)Se2 (CIGS) тонкопленочных солнечных элементов1,2,3,4,5 , 6. Решения обработанных AgNW TCEs, как правило, изготовлены в виде встроенных-AgNW или сэндвич-AgNW структур в проводящих матрицы, такие как PEDOT:PSS, ITO, ЗНО, и т.д.7,8,9, 10,11 Матричные слои могут повысить, что сбор носителей заряда присутствует в пустых пространствах сети AgNW.
Тем не менее, матричные слои могут генерировать межлицевые дефекты между матричным слоем и базовым буферным слоем CdS в тонкопленочных солнечных элементах CIGS12,13. Межфамальные дефекты часто вызывают излом в текущей плотности напряжения (J-V) кривой, в результате чего низкий коэффициент заполнения (FF) в ячейке, что вредно для производительности солнечных батарей. Ранее мы сообщали о методе решения этой проблемы путем выборочного депонирования дополнительного тонкого слоя CdS(2-й слой CdS) между AgNWs и буферным слоем CdS14. Включение дополнительного слоя CdS повысило контактные свойства на стыке слоев AgNW и CdS. В результате, коллекция перевозчиков в сети AgNW была значительно улучшена, а производительность ячейки была улучшена. В этом протоколе мы описываем экспериментальную процедуру изготовления надежного электрического контакта между сетью AgNW и буферным слоем CdS с помощью2-го слоя CdS в тонкопленочных солнечных элементах CIGS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка мо покрытием стекла DC магнетрон распыления
- Загрузите очищенные стеклянные субстраты в магнитрон ПОСТОЯННОГО тока и нагните их ниже 4 x 10-6 Торра.
- Поток Ar газа и установить рабочее давление до 20 mTorr.
- Включите плазму и увеличиваем мощность выхода постоянного тока до 3 кВт.
- После предварительного распыления 3 мин для очистки цели, начните mo осаждения до тех пор, пока толщина mo пленки достигает примерно 350 нм.
- Установите рабочее давление до 15 мТор при сохранении той же мощности (т.е. 3 кВт).
- Возобновите осаждение Mo до тех пор, пока общая толщина Mo не достигнет примерно 750 нм.
2. осаждение абсорбаторного слоя CIGS с помощью трехступенчатого коеииисстого
- Загрузите стекло с покрытием Mo в разогретый коиспаритель под вакуумом ниже 5 x 10-6 Torr.
- Установите температуру клеток выпота In, Ga и Se, что дает скорость осаждения 2,5 к/с, 1,3 к/с и 15 к/с, соответственно.
- Проверьте скорость осаждения с помощью техники микробаланса кристаллического микробаланса кварцевого кристалла. Скорость осаждения зависит от установленной температуры клеток выпота и количества материалов в клетках выпота.
- Начните поставлять В, Га и Se на Мо покрытием стекла, чтобы сформировать 1 мкм толщиной (In,Ga)хSey предшественник слоя при температуре субстрата 450 градусов по Цельсию. Время осаждения 15 мин (а именно,1-й этап).
- Остановите поставки In и Ga и увеличьте температуру субстрата до 550 градусов по Цельсию.
- Начните поставлять Cu (скорость осаждения: 1,5 к/с) на (In,Ga)хSey прекурсор и продолжайте до тех пор, пока композиционное соотношение Cu/(In q Ga) пленки не достигнет 1,15. Обратите внимание, что скорость осаждения Se поддерживается на уровне 15 евро/с на2-м этапе (а именно,2-й этап).
- Прекратите поставлять Cu и испаряются в и Ga снова с той же скоростью осаждения, как1-й этап, наконец, сформировать примерно 2 мкм толщиной CIGS фильм с Cu / (In'Ga) композиционное соотношение 0,9. Поддерживайте скорость осаждения Se и температуру субстрата на уровне 15 и 550 градусов по Цельсию, соответственно. Время осаждения этого этапа составляет 4 мин (а именно3-й этап).
- Для того, чтобы обеспечить полную реакцию, anneal отложенной пленки CIGS под окружающей средой Se (15 q/s) в течение 5 мин при температуре субстрата 550 градусов по Цельсию.
- Охладите температуру субстрата до 450 градусов по Цельсию под окружающей средой Se (15 к/с), а затем выгрузите ciGS-депозитированный субстрат, когда температура субстрата ниже 250 градусов по Цельсию.
3. Рост буферного слоя CdS на слое поглотителя CIGS с использованием химического ванна (CBD) метод
- Подготовка cdS реакции ванны решение в 250 мл стакан, добавив 97 мл воды DI, 0,079 г Cd (CH3COO)22H2O, 0,041 г NH2CSNH2, и 0,155 г CH3COONH4. Перемешать раствор в течение нескольких минут, чтобы перемешать. Убедитесь, что все добавленные растворы полностью растворяются.
- Добавьте 3 мл NH4OH (28% NH3)в раствор ванны и перемешайте раствор в течение 2 мин. Рисунок 1 показывает экспериментальную установку CBD для CdS.
- Положите образец CIGS в раствор реакции ванны с помощью держателя образца тефлона.
- Положите реакционную ванну в ванну с водяным теплом, поддерживаемую при температуре 65 градусов по Цельсию, и перемешайте раствор реакции при 200 об/мин с помощью магнитной панели во время процесса осаждения.
- Реагируйте в течение 20 минут, чтобы создать примерно 70-80 нм буферного слоя CdS на CIGS.
- После реакции удалите образец из реакционной ванны, вымойте потоком воды DI и высушите газом N 2.
- Аннал образец при 120 градусах по Цельсию в течение 30 минут на горячей тарелке.
4. Изготовление сети AgNW TCE
- Подготовка разбавленной дисперсии AgNW (1 мг/мл) путем смешивания 19 мл этанола с 1 мл приобретенного этанола на основе agNW дисперсии (20 мг/мл).
- Налейте 0,2 мл разбавленной дисперсии AgNW на образец CdS/CIGS (2,5 см х 2,5 см), чтобы покрыть всю поверхность образца и повернуть образец с 1000 об/мин на 30 с.
- Повторите шаг 4.2 по мере необходимости для достижения желаемых оптических и электрических свойств. Спин-пальто AgNWs 3x. Сканирование электронной микроскопии (SEM) изображение спинного покрытия AgNW TCE показано на рисунке 2.
- После спин-покрытия, anneal образец при 120 градусах по Цельсию в течение 5 мин на горячей пластине.
5. Осаждение2-го слоя CdS
- Подготовьте новое решение для реакции CdS ванны, как описано в шаге 3.1.
- Депозит CdS, как в разделе 3, за исключением изменения времени реакции по мере необходимости.
ПРИМЕЧАНИЕ: Мы оптимизировали время реакции, и 10 минут привели к устройству CIGS с лучшей производительностью. Влияние2-го времени осаждения CdS на производительность тонкопленочного прибора CIGS на солнечном аппарате МОЖНО найти в нашей предыдущей работе14.
6. Методы характеристики
- Характеризуйте поверхностную и поперечную морфологию AgNWs и CdS-покрытие agNWs путем полевого излучения SEM и электронной микроскопии передачи (TEM).
- Измерьте производительность солнечных батарей с помощью источника тока напряжения,оснащенного солнечным тренажером (1000 Вт/м 2, AM1.5G).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Структуры слоя солнечных элементов CIGS с (а) стандартным зно:Аль/и-Зоно и b) AgNW TCE показаны на рисунке 3. Поверхностная морфология CIGS грубая, и между слоем AgNW и базовым буферным слоем CdS может образовываться наноразмерный разрыв. Как подчеркивается на рисунке 3A,2-й слой CdS может быть выборочно депонирован на наноразмерный разрыв для создания стабильного электрического контакта. Подробное объяснение по формированию электрического контакта и повышению электрических свойств и производительности устройства можно найти в справке 14. Структурный анализ соединения AgNW и CdS, включая поперечные SEM и TEM, и соответствующее элементарное картирование также можно найти в ссылке 14.
На рисунке 4 показаны поперечные изображения TEM (a) вдоль 2-го слоя CdS, депонированных в сети AgNW на структуре CdS/CIGS и (b) через 2-й слой CdS, депонированный в сети AgNW. Структура CdS/CIGS показывает надежную морфологию поверхности из-за гранулированной структуры CIGS. Таким образом, голые AgNWs подвешены в воздухе, и стабильный электрический контакт с буферным слоем CdS не может быть ожидаемым. 2-й слой CdS равномерно откладывается на поверхности AgNWs, а слой CdS на основной оболочке AgNW (Ag-CdS NW) образуется, как показано на рисунке 4B. Кроме того,2-й слой CdS заполняет воздушные зазоры между буферным слоем CdS и слоем AgNW, как показано на внаселенной рисунке 4A,и достигается стабильный электрический контакт.
На рисунке 5 и таблице 1 показана производительность устройства тонкопленочной солнечной батареи CIGS с голыми ТКС AgNW и AG-CdS NW. Из-за нестабильного электрического контакта, ячейка с голыми AgNWs имеет плохую производительность устройства. Осаждение2-го слоя CdS значительно повышает производительность клетки, как показано в характеристиках J-V на рисунке 5. Ячейка с Ag-CdS NW TCE показала более чем на 50% увеличение эффективности устройства и FF по сравнению с голым AgNW TCE.
Рисунок 1: Установка химического осаждения ванны. Изображение экспериментальной установки для химического осаждения ванны CdS на CIGS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: SEM изображение AgNW TCE. На снимке SEM показана спиновая конструкция AgNW TCE с покрытием на структуре CdS/CIGS/Mo. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Схематическая диаграмма тонкопленочных солнечных элементов CIGS. Структура слоя тонкопленочной солнечной батареи CIGS с (A) Зно: Аль/i-nO TCO и (B) AgNW TCE с 2-м слоем CdS. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Структурный анализ AG-CdS NW. (A) Поперечное изображение TEM вдоль AG-CdS NW на структуре CdS/CIGS и (B) изображение TEM высокого разрешения через AG-CdS NW. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5: Сравнение производительности устройства. J-V характеристики CIGS тонкопленочных солнечных элементов с голыми AgNW и Ag-CdS NW TCEs. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
| Ячейки | VOC (V) | JSC (mA/cm2) | Эффективность (%) | FF (%) |
| Голые AgNW TCE | 0,60 | 29.5 | 7,9 | 44 |
| Аг-CdS TCE | 0,65 | 32.3.03.2.2.2. | 14.2 | 67.2 |
Таблица 1: Данные о производительности устройства. Резюме производительности устройства, полученное из кривых J-V.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Обратите внимание, что время осаждения2-го слоя CdS должно быть оптимизировано для достижения оптимальной производительности ячейки. По мере увеличения времени осаждения толщина2-го слоя CdS увеличивается, и, следовательно, электрический контакт улучшится. Однако дальнейшее осаждение2-го слоя CdS приведет к более толстому слою, который уменьшает поглощение света, а эффективность устройства снизится. Мы достигли наилучшей производительности клеток с 10 минутом времени осаждения для2-го слоя CdS и определили, что эффективность клеток снизилась с более длительным временем осаждения.
Чтобы оценить наш метод, мы сравнили производительность устройства на основе AG-CdS NW НА основе CIGS солнечных батарей с стандартной CIGS солнечной ячейки с распыленным Зно: Аль / i-NOl TCO, как описано на рисунке 3A14. Характеристики J-V были почти равны, и общие характеристики устройства были очень похожи. Этот результат доказывает, что наш метод процесса решения может производить высокопроизводительные тонкопленочные солнечные элементы.
Для повышения электрических свойств AgNW TCE были применены различные методы, включая включение благоприятной матрицы. Метод, описанный в этом протоколе, прост и эффективен для повышения свойства электрического контакта между AgNWs и базовым буферным слоем CdS в тонкопленочных солнечных элементах CIGS. Благодаря расширенному свойству контакта, производительность солнечных батарей значительно улучшилась. Метод предназначен для применения к системе CdS/CIGS, но не ограничивается системой CdS/CIGS. При создании соответствующего метода КБР наш метод может быть применен для создания высококачественного электрического контакта между AgNWs и буферным слоем в тонкопленочных солнечных элементах chalcogenide.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
Acknowledgments
Это исследование было поддержано Программой исследований и разработок Корейского института энергетических исследований (KIER) (B9-2411) и Программой фундаментальных научных исследований через Национальный исследовательский фонд Кореи (NRF), финансируемую Министерством Образование (Грант 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).
