Summary
في هذا البروتوكول، نقوم بوصف الإجراء التجريبي المفصل لتصنيع اتصال نانوي قوي بين شبكة أسلاك نانوية فضية وطبقة عازلة من الأقراص المضغوطة في خلية شمسية ذات أغشية رقيقة من سيج.
Abstract
وقد استخدمت الفضة nanowire أقطاب شفافة كطبقات نافذة لCu (في، Ga) Se2 الخلايا الشمسية رقيقة الفيلم. عادة ما تؤدي أقطاب الأسلاك النانوية الفضية العارية إلى أداء الخلايا الضعيف جدًا. يمكن أن يؤدي تضمين أو وضع أسلاك نانوية فضية باستخدام مواد شفافة موصلة بشكل معتدل، مثل أكسيد القصدير بالإنديوم أو أكسيد الزنك، إلى تحسين أداء الخلايا. ومع ذلك، يمكن أن تسبب طبقات المصفوفة المجهزة بالحلول عدداً كبيراً من العيوب بين الوجهبين الأقطاب الكهربائية الشفافة والمخزن المؤقت CdS، مما قد يؤدي في نهاية المطاف إلى انخفاض أداء الخلايا. تصف هذه المخطوطة كيفية تصنيع اتصال كهربائي قوي بين قطب الأسلاك النانوية الفضية وطبقة احتياطية CdS الأساسية في خلية تعمل بالطاقة الشمسية Cu(In,Ga)Se2، مما يتيح أداء الخلايا العالية باستخدام سلك نانوواير فضي خالي من المصفوفة شفاف اقطاب. ومصفوفة خالية من الأسلاك النانوية القطب ملفقة من قبل طريقتنا يثبت أن القدرة على جمع تهمة الناقل من الفضة نانوواير القطب القائمة على الخلايا جيدة مثل تلك التي من الخلايا القياسية مع ZnO متلعثم: Al / i-ZnO طالما أن الأسلاك النانوية الفضية و CDS لديها اتصال كهربائي عالي الجودة. وقد تحقق الاتصال الكهربائي عالي الجودة عن طريق إيداع طبقة إضافية من CdS رقيقة مثل 10 نانوية على سطح الأسلاك النانوية الفضية.
Introduction
وقد درست شبكات الأسلاك النانوية الفضية (AgNW) على نطاق واسع كبديل لأكسيد القصدير الإنديوم (ITO) شفافة إجراء رقيقة نظرا لمزاياها على أكاسيد إجراء شفافة التقليدية (TCOs) من حيث انخفاض تكلفة المعالجة و مرونة ميكانيكية أفضل. وبالتالي تم استخدام الحلول المجهزة AgNW شبكة شفافة إجراء الأقطاب الكهربائية (TCEs) في Cu (في، Ga) Se2 (CIGS) الخلايا الشمسية رقيقة الفيلم1،2،3،4،5 , 6.عادة ما يتم تصنيع هاجإنو Tces المصنعة الحل في شكل جزءا لا يتجزأ من AgNW أو ساندويتش AgNW الهياكل في مصفوفة موصلة مثل PEDOT: PSS، ITO، ZnO، الخ 7،8،9، 10،11 طبقات المصفوفة يمكن أن تعزز أن جمع الناقلين تهمة موجودة في المساحات الفارغة من شبكة AgNW.
ومع ذلك، طبقات المصفوفة يمكن أن تولد عيوب بين الوجه بين طبقة المصفوفة وطبقة عازلة CDS الكامنة في CIGS الخلايا الشمسية رقيقة الفيلم12،13. غالبًا ما تسبب العيوب بين الوجهين وجودًا في منحنى الجهد الكثافة (J-V) الحالي، مما يؤدي إلى عامل تعبئة منخفض (FF) في الخلية، وهو ما يضر بأداء الخلايا الشمسية. لقد أبلغنا مسبقاً عن طريقة لحل هذه المشكلة عن طريق إيداع طبقة CdS رقيقة إضافية (طبقة CDS2 nd) بشكل انتقائي بين AgNWs وطبقة المخزن المؤقت CdS14. وأدى إدراج طبقة إضافية من طبقات CdS إلى تحسين خصائص جهة الاتصال في التقاطع بين طبقات AgNW وCdS. ونتيجة لذلك، تم تحسين مجموعة الناقل في شبكة AgNW إلى حد كبير، وتم تعزيز أداء الخلية. في هذا البروتوكول، ونحن نصف الإجراء التجريبي لتلفيق اتصال كهربائي قوي بين شبكة AgNW وطبقة المخزن المؤقت CdS باستخدام طبقة CDS 2nd في خلية شمسية رقيقة الأغشية CIGS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد الزجاج المو المغلفة من قبل العاصمة المغنطرين التأتأة
- تحميل الركائز الزجاج تنظيفها في المغناطيس العاصمة ومضخة وصولا الى أقل من 4 × 10-6 تور.
- تدفق الغاز Ar وتعيين ضغط العمل إلى 20 mTorr.
- تشغيل البلازما وزيادة الطاقة الناتجة العاصمة إلى 3 كيلوواط.
- بعد ما قبل التأتأة من 3 دقائق لتنظيف الهدف، تبدأ ترسب مو حتى سمك الفيلم مو تصل إلى ما يقرب من 350 نانومتر.
- تعيين ضغط العمل إلى 15 mTorr مع الحفاظ على نفس الطاقة الناتجة (أي، 3 كيلوواط).
- استئناف ترسب مو حتى سمك إجمالي مو تصل إلى حوالي 750 نانومتر.
2. CIGS امتصاص طبقة ترسب عن طريق coevaporation ثلاث مراحل
- قم بتحميل الزجاج المطلي بـ Mo في مبخر مشترك مسخن مسبقًا تحت فراغ أقل من 5 × 10-6 تور.
- تعيين درجات الحرارة في, Ga, وSe انصباب الخلايا مما أسفر عن معدلات ترسب من 2.5 Å / s, 1.3 Å / s, و 15 Å / s, على التوالي.
- تحقق من معدلات الترسيب باستخدام تقنية الكوارتز الكريستال التوازن (QCM). وتعتمد معدلات الترسيب على درجة الحرارة المحددة لخلايا الانصباب وكمية المواد الموجودة في خلايا الانصباب.
- البدء في توريد في, Ga وSe على الزجاج المغلفة مو لتشكيل 1 μm سميكة (في,Ga)سسذ طبقة السلائف في درجة حرارة الركيزة من 450 درجة مئوية. وقت الترسيب هو 15 دقيقة (أي المرحلة الأولى).
- وقف الإمدادات في وGa وزيادة درجة حرارة الركيزة إلى 550 درجة مئوية.
- تبدأ في توريد Cu (معدل الترسيب: 1.5 Å / ق) على (في، Ga)سسيy السلائف وتستمر حتى Cu / (في + Ga) نسبة التركيبية للفيلم تصل إلى 1.15. لاحظ أنه يتم الاحتفاظ بمعدل الترسيب Se عند 15 Å/s حتى المرحلةالثانية (أي المرحلةالثانية).
- وقف توريد Cu وتتبخر في وGa مرة أخرى مع نفس معدلات الترسيب كما المرحلة1 ش لتشكيل أخيرا ما يقرب من 2 ميكرومتر سميكة CIGS الفيلم مع Cu / (في + Ga) نسبة التركيبية من 0.9. الحفاظ على معدل الترسيب Se ودرجة حرارة الركيزة في 15 Å / s و 550 درجة مئوية، على التوالي. وقت الترسيب من هذه المرحلة هو 4 دقائق (وهي المرحلة الثالثة).
- [إين وردر تو] ضمنت ردّ فعل كاملة, [أنّل] ال يرسّب [جس] فيلم تحت محيط [س] (15 [أ/س]) ل 5 دقائق في ال [ستستست] درجة حرارة من 550 [ك.].
- قم بتبريد درجة حرارة الركيزة إلى 450 درجة مئوية تحت درجة مئوية المحيطة (15 Å/s) ثم قم بتفريغ الركيزة المودعة في CIGS عندما تكون درجة حرارة الركيزة أقل من 250 درجة مئوية.
3. نمو طبقة المخزنالمؤقت CdS على طبقة امتصاص CIGS باستخدام طريقة ترسب حمام كيميائي (CBD)
- إعداد CDS رد فعل حمام الحل في كوب 250 مل عن طريق إضافة 97 مل من المياه DI، 0.079 غرام من مؤتمر نزع السلاح (CH3COO)2·2H2O، 0.041 غرام من NH2CSNH2،و 0.155 غرام من CH3COONH4. يُحرّك الحل لعدة دقائق للخلط. تأكد من أن جميع solutes المضافة يتم حلها تماما.
- إضافة 3 مل من NH4OH (28٪ NH 3) في حل الحمام وتحريك الحل لمدة 2 دقيقة. الشكل 1 يظهر الإعداد التجريبي لاتفاقية التنوع البيولوجي لCDS.
- وضع عينة CIGS في حل حمام رد الفعل باستخدام حامل عينة تفلون.
- وضع حمام رد الفعل في حمام الماء الحرارة الحفاظ على 65 درجة مئوية وتحريك حل حمام رد الفعل في 200 دورة في الدقيقة باستخدام شريط مغناطيسي خلال عملية الترسيب.
- رد لمدة 20 دقيقة لتوليد طبقة عازلة CDS ما يقرب من 70 إلى 80 نانومتر على CIGS.
- بعد رد الفعل، وإزالة العينة من حمام رد الفعل، وغسل مع تدفق المياه DI، وجافة مع الغاز N 2.
- Anneal العينة في 120 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة على طبق ساخن.
4- تصنيع شبكة AgNW TCE
- إعداد تشتت AgNW المخفف (1 ملغ /مل) عن طريق خلط 19 مل من الإيثانول مع 1 مل من تشتت AgNW المستندة إلى الإيثانول التي تم شراؤها (20 ملغ /مل).
- صب 0.2 مل من تشتت AgNW المخفف على عينة CdS /CIGS (2.5 سم × 2.5 سم) لتغطية السطح الكامل للعينة وتدوير العينة مع 1000 دورة في الدقيقة لمدة 30 s.
- كرر الخطوة 4.2 حسب الحاجة لتحقيق الخصائص البصرية والكهربائية المطلوبة. تدور معطف AgNWs 3X. تظهر في الشكل 2صورة مجهرية إلكترونية مسحية (SEM) لـ AgNW TCE المغلفة بالدوران.
- بعد طلاء تدور، صلب العينة في 120 درجة مئوية لمدة 5 دقائق على لوحة ساخنة.
5. ترسب طبقة CDSالثانية
- إعداد حل جديد لحمام رد فعل CdS كما هو موضح في الخطوة 3.1.
- إيداع CdS كما هو الحال في القسم 3، باستثناء تغيير وقت رد الفعل حسب الضرورة.
ملاحظة: نحن الأمثل وقت رد الفعل، و10 دقيقة أسفرت عن جهاز CIGS مع أفضل أداء. يمكن العثور على تأثير 2ND CDS وقت الترسيب على CIGS رقيقة فيلم أداء جهاز الخلايا الشمسية في عملنا السابق14.
6- تقنيات التوصيف
- تميز المورفولوجيا السطحية والشاملة للعوامل من AgNWs وAgNWs المغلفة CDS عن طريق الانبعاثات الميدانية SEM وناقل الإلكترون المجهري (TEM).
- قياس أداء الخلايا الشمسية باستخدام مصدر الجهد الحالي مجهزة محاكاة للطاقةالشمسية (1000 واط / م 2، AM1.5G).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ويبين الشكل 3هياكل طبقة الخلايا الشمسية لـ CIGS التي تحتوي على (أ) معيار ZnO:Al/i-ZnO و(ب) AgNW TCE. المورفولوجيا السطحية من CIGS الخام، ويمكن أن تشكل فجوة نانوية بين طبقة AgNW وطبقة المخزن المؤقت CDS الكامنة. كما هو موضح في الشكل 3A، يمكن إيداع طبقة CDSالثانية بشكل انتقائي على الفجوة النانومترية لإنشاء اتصال كهربائي مستقر. ويمكن الاطلاع على شرح مفصل عن تشكيل الاتصال الكهربائي وتعزيز الخصائص الكهربائية وأداء الجهاز في المرجع 14. ويمكن أيضا ً العثور على التحليل الهيكلي لتقاطع AgNW وCDS بما في ذلك SEM وTEM المقطعية وTEM، ورسم الخرائط الأولي المقابل في المرجع 14.
ويبين الشكل 4 صور TEM المقطعية (أ) على طول طبقة CDSالثانية المودعة على شبكة AgNW على بنية CDS/CIGS و(ب) عبر طبقة CDSالثانية المودعة على شبكة AgNW. هيكل CDS /CIGS يظهر مورفولوجيا سطح وعرة بسبب بنية الحبيبية من CIGS. وبالتالي، يتم تعليق AgNWs العارية في الهواء، ولا يمكن توقع اتصال كهربائي مستقر مع طبقة المخزن المؤقت CdS. يتم إيداع طبقة CDSالثانية بشكل موحد على سطح AgNWs، ويتم إنتاج طبقة CdS على هيكل AgNW (Ag@CdS NW) على شكل منأشكال الـ 2. وعلاوة على ذلك، تملأ طبقة CDSالثانية فجوات الهواء بين طبقة المخزن المؤقت CdS وطبقة AgNW، كما هو موضح في بداية الشكل 4A،ويتم تحقيق اتصال كهربائي مستقر.
ويبين الشكل 5 والجدول 1 أداء الجهاز للخلية الشمسية ذات الأغشية الرقيقة التابعة لـ CIGS مع أشكال التعبير الثقافي التقليدي العارية AgNW وAg@CdS NW. بسبب عدم استقرار الاتصال الكهربائي، والخلية مع AgNWs العارية لديها أداء الجهاز سيئة. ترسيب طبقة CDSالثانية يعزز إلى حد كبير أداء الخلية، كما هو موضح في خصائص J-V في الشكل 5. أظهرت الخلية التي تحتوي على Ag@CdS NW TCE زيادة أكبر من 50% في كفاءة الجهاز وFF مقارنة بـ AgNW TCE العارية.
الشكل 1: إعداد ترسب الحمام الكيميائي. صورة للإعداد التجريبي لترسب الحمام الكيميائي من CdS على CIGS. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: صورة SEM لـ AgNW TCE. تظهر صورة SEM TCE AgNW المغلفة الدورانعلى هيكل CDS/CIGS/Mo. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: الرسم التخطيطي للخلايا الشمسية ذات اللمنية ذات اللمعة. هيكل طبقة من CIGS خلية شمسيةرقيقة الفيلم مع (A) ZnO: Al /i-ZnO TCO و (B) AgNW TCE مع طبقة CDSالثانية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: التحليل الهيكلي لـ Ag@CdS NW. (أ) صورة TEM المقطعية على طول Ag@CdS NW على بنية CdS/CIGS و (B) صورة TEM عالية الدقة عبر Ag@CdS NW. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: مقارنة أداء الجهاز. [ج-ف] صفة من [جمس] [ثين-فيلم] [سلر سلّ] مع عارية [غنو] و [أغ@سدس] [نو] [تس]. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| الخليه | V OC (V) | JSC (ما/ سم2) | الكفاءة (نسبة مئوية) | FF (٪ ) |
| عارية AgNW TCE | 0.60 | 29.5 | 7.9 | 44 |
| Ag@CdS TCE | 0.65 | 32.3 | 14.2 | 67.2 |
الجدول 1: بيانات أداء الجهاز. ملخص أداء الجهاز المشتق من منحنيات J-V.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
لاحظ أنه يجب تحسين وقت الترسيب لطبقة CdSالثانية لتحقيق أداء الخلية الأمثل. مع زيادة وقت الترسيب، يزيد سمك طبقة CDS الثانية، وبالتالي، سيتحسن الاتصال الكهربائي. ومع ذلك، فإن مزيد من ترسيب طبقة CDSالثانية سوف يؤدي إلى طبقة أكثر سمكا أن يقلل من امتصاص الضوء، وسوف تنخفض كفاءة الجهاز. حققنا أفضل أداء الخلية مع 10 دقيقة من الوقت الترسيب ل2nd CDS طبقة وقررأن كفاءة الخلية انخفضت مع أوقات أطول الترسيب.
لتقييم طريقتنا، قارنا أداء الجهاز من Ag@CdS NW القائم CIGS الخلية الشمسية مع أن من خلية شمسية CIGS القياسية مع ZnO متلعثم: Al / i-ZnOl TCO، كما هو موضح في الشكل 3A14. وكانت خصائص J-V متساوية تقريبا، وكانت أداء الجهاز عموما مماثلة جدا. هذه النتيجة تثبت أن لدينا طريقة عملية الحل يمكن أن تنتج عالية الأداء خلية شمسية رقيقة الأغشية.
وقد تم تطبيق أساليب مختلفة لتعزيز الخصائص الكهربائية لـ AgNW TCE بما في ذلك إدراج مصفوفة مواتية. الطريقة الموصوفة في هذا البروتوكول بسيطة وفعالة لتعزيز خاصية الاتصال الكهربائية بين AgNWs وطبقة المخزنالمؤقت CDS الكامنة في CIGS خلية الطاقة الشمسية رقيقة الفيلم. بسبب خاصية الاتصال المحسنة، يتم تحسين أداء الخلايا الشمسية بشكل كبير. تم تصميم الأسلوب للتطبيق على نظام CdS/CIGS ولكن لا يقتصر على نظام CdS/CIGS. عندما يتم إنشاء طريقة اتفاقية التنوع البيولوجي المناسبة، يمكن تطبيق طريقتنا لخلق اتصال كهربائي عالي الجودة بين AgNWs والطبقة العازلة في الخلايا الشمسية رقيقة الفيلم chalcogenide.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ويعلن صاحبا البلاغ أنهما ليس لديهما مصالح مالية متنافسة.
Acknowledgments
وقد تم دعم هذا البحث من قبل برنامج البحث والتطوير الداخلي للمعهد الكوري لبحوث الطاقة (B9-2411) وبرنامج بحوث العلوم الأساسية من خلال المؤسسة الوطنية للبحوث الكورية (NRF) بتمويل من وزارة التعليم (منحة 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).
