Summary
I detta protokoll beskriver vi det detaljerade experimentella förfarandet för tillverkning av en robust nanoskalig kontakt mellan ett silvernanowire-nät och CdS-buffertlager i en CIGS-tunnfilms-solcell.
Abstract
Silvernanowire transparenta elektroder har använts som fönsterskikt för Cu (in, ga) se2 thin-film solceller. Kala silvernanowire-elektroder resulterar normalt i mycket dålig cell prestanda. Inbäddning eller sandwiching silvernanotrådar med måttligt ledande transparenta material, såsom indium tenn oxid eller zinkoxid, kan förbättra cellernas prestanda. De lösningsbehandlade mat ris lagren kan dock orsaka ett betydande antal interansiktsdefekter mellan genomskinliga elektroder och CdS-bufferten, vilket så småningom kan resultera i låga cell prestanda. Detta manuskript beskriver hur man fabricera robust elektrisk kontakt mellan en silvernanowire elektrod och den underliggande CdS buffertlagret i en Cu (i, ga) se2 solcell, vilket möjliggör hög cell prestanda med hjälp av Matrix-fri silvernanowire transparent Elektroder. Den Matrix-fri silvernanowire elektrod fabricerade av vår metod bevisar att laddning-Carrier insamling förmåga silver nanowire elektrod-baserade celler är lika bra som för standard celler med finfördelat ZNO: Al/i-ZNO så länge silvernanotrådar och CdS har elektrisk kontakt av hög kvalitet. Den högkvalitativa elektriska kontakten uppnåddes genom att deponera ett extra CdS-skikt så tunt som 10 nm på silvernanowire-ytan.
Introduction
Silvernanowire (AgNW) nätverk har studerats i stor utsträckning som ett alternativ till indium Tin Oxide (ITO) transparent bedriva tunna filmer på grund av deras fördelar jämfört med konventionella transparenta ledande oxider (TCOs) i form av lägre bearbetning kostnader och bättre mekanisk flexibilitet. Lösning-bearbetade AgNW nätverk transparenta ledande elektroder (TCEs) har således varit anställda i Cu (in, ga) se2 (CIGS) thin-film solceller1,2,3,4,5 , 6. lösning-bearbetade agnw tces är normalt tillverkas i form av inbäddade-agnw eller Sandwich-agnw strukturer i en ledande matris som PEDOT: PSS, Ito, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 matrisen lagren kan förbättra att insamlingen av laddningsbärare som finns i de tomma utrymmena i agnw nätet.
Mat ris lagren kan emellertid generera mellanansiktsdefekter mellan mat ris skiktet och underliggande CDS-buffertlager i CIGS-tunnfilms-solceller12,13. De gränsskikts defekter orsakar ofta en kink i den nuvarande densitet-spänning (J-V) kurva, vilket resulterar i en låg fyllningsfaktor (FF) i cellen, vilket är skadligt för sol cells prestanda. Vi har tidigare rapporterat en metod för att lösa detta problem genom att selektivt deponera en extra tunn CdS lager (2nd CDS Layer) mellan agnws och CDs buffert Layer14. Införlivandet av en ytterligare CdS lager förstärkt kontaktegenskaper i korsningen mellan AgNW och CdS lager. Följaktligen har transportören i AgNW-nätverket förbättrats avsevärt och cell prestandan har förbättrats. I detta protokoll beskriver vi det experimentella förfarandet för att tillverka robust elektrisk kontakt mellan AgNW-nätverket och CdS-buffertlagret med hjälp av ett 2nd CDS-skikt i en CIGS-tunnfilms-solcell.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. beredning av Mo-belagt glas med DC Magnetron sputtring
- Lasta rengjorda glas substrat i en DC-Magnetron och pumpa ner till under 4 x 10-6 torr.
- Flödes gasen och Ställ arbetstrycket på 20 mTorr.
- Slå på plasma och öka DC uteffekten till 3 kW.
- Efter pre-sputtring av 3 min för mål rengöring, börja Mo deposition tills Mo filmtjockleken når cirka 350 nm.
- Ställ arbetstrycket på 15 mTorr med bibehållen uteffekt (d.v.s. 3 kW).
- Återuppta Mo-nedfallet tills den totala tjockleken på Mo når cirka 750 nm.
2. CIGS-absorbatorn lager deposition med hjälp av en trestegs
- Ladda Mo-belagt glas i en förvärmd Co-evaporator under ett vakuum lägre än 5 x 10-6 torr.
- Ställ in temperaturerna för in-, ga-och se-celler som ger deposition på 2,5 Å/s, 1,3 Å/s, respektive 15 Å/s.
- Kontrollera nedfalls frekvensen med hjälp av QCM-tekniken (Quartz Crystal Microbalance). Deponerings graden är beroende av den inställda temperaturen hos pleurautgjutning-celler och mängden material i pleurautgjutning-cellerna.
- Börja leverera in, ga och se på det Mo-belagda glaset för att bilda ett 1 μm tjockt (in, ga)xsey föregångare skikt vid substrat temperaturen på 450 ° c. Nedfalls tiden är 15 min (det vill säga, 1St skede).
- Stoppa in och ga leveranser och öka substrat temperaturen till 550 ° c.
- Börja leverera Cu (deposition: 1,5 Å/s) på (in, ga)xsey föregångare och Fortsätt tills Cu/(i + ga) kompositionella förhållandet av filmen når 1,15. Observera att se-deposition bibehålls vid 15 Å/s genom den 2nd etapp (dvs 2nd etapp).
- Sluta leverera Cu och avdunsta in och ga igen med samma deposition priser som 1St skede för att slutligen bilda en cirka 2 μm-tjock CIGS-film med Cu/(i + ga) sammansättning förhållandet 0,9. Behåll se deposition och substrat temperatur vid 15 Å/s respektive 550 ° c. Deponerings tiden för detta skede är 4 min (nämligen 3RD Stage).
- För att säkerställa en fullständig reaktion, glödga den deponerade CIGS-film under Ambient se (15 Å/s) för 5 min vid substrat temperaturen på 550 ° c.
- Kyl ner substrat temperaturen till 450 ° c under omgivnings-se (15 Å/s) och lossa sedan det CIGS-deponerade underlaget när substrat temperaturen ligger under 250 ° c.
3. tillväxt av CdS-buffertskiktet på CIGS-absorbatorn skikt med hjälp av en kemisk bad deposition (CBD) metod
- Förbered CdS reaktion bad lösning i en 250 mL bägare genom att lägga till 97 mL DI vatten, 0,079 g CD (CH3COO)2· 2h2O, 0,041 g av NH2CSNH2, och 0,155 g av CH3coonh4. Rör om lösningen i flera minuter för att blanda. Se till att alla tillagda lösta ämnen är helt upplöst.
- Tillsätt 3 mL NH4OH (28% NH3) i Bad lösningen och rör om lösningen i 2 min. figur 1 visar den experimentella installationen av CBD för CD-skivor.
- Sätt in CIGS-provet i reaktions bad lösningen med en Teflonprov hållare.
- Sätt reaktions badet i vatten-värmebadet upprätthålls vid 65 ° c och rör reaktions badet lösningen på 200 rpm med hjälp av en magnet stång under deposition processen.
- Reagera för 20 min för att generera en cirka 70 till 80 Nm CdS buffertskikt på CIGS.
- Efter reaktionen, ta bort provet från reaktions badet, tvätta med ett flöde av DI vatten, och torka med N2 gas.
- Anneal provet vid 120 ° c i 30 min på en värmeplatta.
4. tillverkning av AgNW TCE-nätet
- Bered en utspädd AgNW-dispersion (1 mg/mL) genom att blanda 19 mL etanol med 1 mL av en köpt etanol-baserad AgNW-dispersion (20 mg/mL).
- Häll 0,2 mL av den utspädda AgNW-dispersionen på en CD/CIGS-prov (2,5 cm x 2,5 cm) för att täcka hela ytan av provet och rotera provet med 1 000 RPM för 30 s.
- Upprepa steg 4,2 vid behov för att uppnå önskade optiska och elektriska egenskaper. Spin-Coat AgNWs 3x. En skanning elektron mikroskopi (SEM) bild av spin-coated AgNW TCE visas i figur 2.
- Efter spinn-beläggning, glödga provet vid 120 ° c i 5 min på en värmeplatta.
5. deposition av 2nd CDS-skiktet
- Förbered en ny CD-reaktion bad lösning som beskrivs i steg 3,1.
- Sätt in CD-skivor som i avsnitt 3, förutom ändra reaktionstiden vid behov.
Obs: vi optimerade reaktionstiden, och 10 min resulterade i CIGS-enheten med bästa prestanda. Effekten av 2nd CDS deposition tid på en CIGS tunn film sol cells enhet prestanda kan hittas i vårt tidigare arbete14.
6. karakteriseringstekniker
- Karakterisera ytan och tvärsnitts morfologin av AgNWs och CdS-belagda AgNWs av fält emission SEM och transmission elektronmikroskopi (TEM).
- Mät sol cells prestanda med en ström-spänningskälla utrustad med en solsimulator (1 000 W/m2, am 1.5 g).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De skikt strukturer av CIGS solceller med (a) standard ZnO: Al/i-ZnO och (b) AgNW TCE visas i figur 3. Ytan morfologi av CIGS är grov, och ett nanoskala gap kan bildas mellan agnw skiktet och underliggande CDS buffertskiktet. Som lyfts fram i figur 3akan det 2nd -CDS-skiktet selektivt sättas in på nanoskalgapet för att skapa en stabil elektrisk kontakt. Den detaljerade förklaringen om bildandet av elektrisk kontakt och förbättring av elektriska egenskaper och enhetens prestanda finns i referens 14. Den strukturella analysen av AgNW och CdS korsning inklusive tvärsnitts SEM och TEM, och motsvarande elementär kartläggning kan också hittas i referens 14.
Figur 4 visar TVÄRSNITTS tem bilder (a) längs 2nd CDS skikt deponeras på agnw nätverket på CDs/CIGS struktur och (b) över 2nd CDS skikt deponeras på agnw nätverket. CdS/CIGS-strukturen visar en robust yta morfologi på grund av den granulat struktur CIGS. Därför är Bare AgNWs suspenderade i luften, och stabil elektrisk kontakt med CdS buffertlagret kan inte förväntas. Den 2nd CDS skiktet är jämnt deponeras på ytan av agnws, och CDs lager på Core-Shell agnw (AG @ CDS NW) struktur produceras som visas i figur 4b. Dessutom fyller 2nd CDS-skiktet luft luckorna mellan CDS-buffertskiktet och agnw-skiktet, som visas i inuppsättningen av figur 4a, och stabil elektrisk kontakt uppnås.
Figur 5 och tabell 1 visar enhetens prestanda för en CIGS Thin-Film Solar cell med Bare agnw och AG @ CDS NW tces. På grund av instabil elektrisk kontakt har cellen med Bare AgNWs dålig enhetsprestanda. Nedfall av ett 2nd -CDS-skikt förbättrar avsevärt cellernas prestanda, som visas i KN-V-egenskaperna i figur 5. Cellen med AG @ CdS NW TCE visade en större än 50% ökning av enhetens effektivitet och FF jämfört med kala AgNW TCE.
Figur 1: inställning av kemisk bad deposition. En bild av den experimentella installationen för kemisk bad deponering av CD-skivor på CIGS. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: en SEM-bild av AgNW TCE. SEM bilden visar den spin-coated AgNW TCE på CdS/CIGS/Mo struktur. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Schematiskt diagram över CIGS-tunnfilms-solceller. Layer struktur av en CIGS Thin-Film Solar cell med (a) ZNO: Al/i-ZNO TCO och (B) agnw TCE med en 2nd CDS lager. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: strukturell analys av AG @ CDS NW. (A) tvärsnitts tem bild längs en AG @ CDS NW på en CDS/CIGS struktur och (B) högupplösta tem bild över en AG @ CDS NW. vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: jämförelse av enhetsprestanda. J-V egenskaper CIGS thin-film solceller med Bare AgNW och AG @ CdS NW TCEs. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Cell | 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: prestandadata för enheten. En sammanfattning av enhetens prestanda som härleds från J-V-kurvorna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Observera att nedfalls tiden för 2nd CDS-skiktet måste optimeras för att uppnå optimal cell prestanda. När nedfall tiden ökar, tjockleken på 2nd CDS skiktet ökar, och därmed kommer den elektriska kontakten förbättras. Men ytterligare deposition av 2nd CDS skiktet kommer att resultera i ett tjockare skikt som minskar ljusabsorption, och enhetens effektivitet kommer att minska. Vi uppnådde den bästa cellen prestanda med 10 min av nedfall tid för 2nd CDS lager och fastställt att cell effektiviteten minskade med längre deposition gånger.
För att utvärdera vår metod, jämförde vi enhetens prestanda för AG @ CDS NW-baserade CIGS-solcell med en vanlig CIGS-solcell med en finfördelat ZNO: Al/i-znol TCO, som beskrivs i figur 3a14. Den J-V egenskaper var nästan lika, och den totala enheten föreställningar var mycket lika. Detta resultat visar att vår lösning process metod kan producera en högpresterande thin-film solcell.
Olika metoder har tillämpats för att förbättra de elektriska egenskaperna hos AgNW TCE inklusive införlivandet av gynnsam matris. Metoden som beskrivs i detta protokoll är enkel och effektiv för att förbättra den elektriska kontakt egenskapen mellan AgNWs och underliggande CdS-buffertlager i CIGS Thin Film Solar cell. Tack vare den förbättrade kontakt egenskapen förbättras solcellernas prestanda avsevärt. Metoden är avsedd att tillämpas på CdS/CIGS-systemet men är inte begränsat till CdS/CIGS-systemet. När en lämplig CBD-metod skapas, kan vår metod tillämpas för att skapa högkvalitativ elektrisk kontakt mellan agnws och buffertlagret i som thin-film solceller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar att de inte har några konkurrerande ekonomiska intressen.
Acknowledgments
Denna forskning stöddes av den egna forsknings-och utvecklingsprogram av Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) och den grundläggande forskningsprogram genom National Research Foundation of Korea (NRF) som finansieras av ministeriet för Utbildning (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).
