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Engineering

在 Cu(In、Ga)Se2薄膜太阳能电池中制造银纳米线电极与 CdS 缓冲层之间的强健纳米级接触

Published: July 19, 2019 doi: 10.3791/59909
Automatic Translation
1,2, 2, 3, 3,4, 3,4, 3,4, 3,4, 1,2
1Department of Materials Science and Engineering, Hanbat National University, 2Department of Materials and Manufacturing Engineering, Hanbat National University, 3Photovoltaics Laboratory, Korea Institute of Energy Research, 4Renewable Energy Engineering, University of Science and Technology, Daejeon

Summary

在本协议中,我们描述了在CIGS薄膜太阳能电池中制造银纳米线网络和CdS缓冲层之间强健纳米级接触的详细实验过程。

Abstract

银纳米线透明电极已作为Cu(In,Ga)Se2薄膜太阳能电池的窗口层。裸银纳米线电极通常会导致电池性能极差。使用中等导电性透明材料(如氧化锡或氧化锌)嵌入或夹层银纳米线可以提高电池性能。但是,溶液处理的基质层会导致透明电极和 CdS 缓冲液之间的大量界面缺陷,最终导致电池性能低下。本手稿描述了如何在 Cu(In,Ga) Se2太阳能电池中制造银纳米线电极与底层 CdS 缓冲层之间的强健电气接触,使用无基质银纳米线透明,实现高电池性能电极。我们采用的方法制造的无基质银纳米线电极证明,银纳米线电极基电池的电荷载体收集能力与具有溅射ZnO:Al/i-ZnO的标准电池的电荷载体收集能力一样好,只要银纳米线和CdS 具有高质量的电气触点。通过在银纳米线表面上沉积一层薄至 10 nm 的额外 CdS 层,实现了高质量的电气接触。

Introduction

银纳米线 (AgNW) 网络作为氧化锡 (ITO) 透明导电薄膜的替代品得到了广泛的研究,因为它在降低加工成本和更好的机械灵活性。因此,经过解决方案处理的 AgNW 网络透明导电电极 (TE) 已应用于 Cu(In、Ga)Se2 (CIGS) 薄膜太阳能电池 1、2、3、4、5,6.溶液加工的AgNW CTCEs通常以嵌入式AgNW或三明治-AgNW结构的形式制成,采用导电基质,如PEDOT:PSS、ITO、ZnO等7、8、9、 10,11矩阵层可以增强 AgNW 网络空白空间中电荷载体的收集。

然而,基质层在CIGS薄膜太阳能电池12、13中的基质层和底层CdS缓冲层之间会产生界面缺陷。界面缺陷通常会导致电流密度-电压 (J-V) 曲线扭结,导致电池中的填充系数 (FF) 低,这不利于太阳能电池的性能。我们之前报告了一种方法,通过有选择地在 AgGW 和 CdS 缓冲层14之间沉积另一个薄 CdS 层(第 2层CdS 层)来解决此问题。附加 CdS 层的加入增强了 AgNW 和 CdS 图层之间的连接中的接触属性。因此,AgNW网络中的载波集合得到了极大的改进,并且提高了信元性能。在本协议中,我们描述了在 CIGS 薄膜太阳能电池中使用第二 CdS 层在 AgNW 网络和 CdS缓冲层之间制造强健电气接触的实验过程。

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Protocol

1. 直流磁控溅射制备莫涂层玻璃

  1. 将清洁的玻璃基板装载到直流磁控管中,并泵入 4 x 10-6 Torr 以下。
  2. 输送 Ar 气体,并将工作压力设置为 20 mTorr。
  3. 打开等离子,将直流输出功率增加到 3 kW。
  4. 在目标清洁预溅 3 分钟后,开始 Mo 沉积,直到 Mo 薄膜厚度达到约 350 nm。
  5. 将工作压力设置为 15 mTorr,同时保持相同的输出功率(即 3 kW)。
  6. 恢复 Mo 沉积,直到 Mo 的总厚度达到约 750 nm。

2. CIGS吸收层通过三级共蒸发进行沉积

  1. 在低于 5 x 10-6 Torr 的真空下将 Mo 涂层玻璃装入预热的共蒸发器中。
  2. 设置 In、Ga 和 Se 输液细胞的温度,分别产生 2.5°/s、1.3 °/s 和 15 °/s 的沉积速率。
    1. 使用石英晶体微平衡 (QCM) 技术检查沉积速率。沉积速率取决于输液细胞的设定温度和灌注细胞中的材料量。
  3. 开始在 450°C 的基底温度下向 Mo 涂层玻璃供应 In、Ga 和 Se,形成 1 μm 厚(In,Ga)xSey前体层。沉积时间是15分钟(即第1阶段)。
  4. 停止内和 Ga 电源,并将基板温度提高到 550°C。
  5. 开始向(In,Ga)x Sey前体提供Cu(沉积速率:1.5 +/s),并继续,直到薄膜的Cu/(In + Ga)成分比达到1.15。请注意,通过第二阶段(即第二阶段),Se 沉积速率保持在 15°/s。
  6. 停止供应 Cu 并再次蒸发 In 和 Ga,其沉积速率与第 1 阶段相同,最终形成约 2 μm 厚的 CIGS 薄膜,Cu/(In+Ga) 组成比为 0.9。将Se沉积速率和基板温度分别保持在15°/s和550°C。此阶段的沉积时间是 4 分钟(即第3 阶段)。
  7. 为了确保完全反应,在550°C的基底温度下,在环境Se(15°/s)下将沉积的CIGS薄膜退火5分钟。
  8. 在环境 Se (15 °/s) 下将基板温度冷却至 450°C,然后在基板温度低于 250°C 时卸载 CIGS 沉积基板。

3. 使用化学浴沉积(CBD)方法在CIGS吸收层上生长CdS缓冲层

  1. 在 250 mL 烧杯中制备 CdS 反应浴溶液,加入 97 mL 的 DI 水、0.079 g 的 Cd(CH3COO)2+2H2O、0.041 g NH2CSNH2和 0.155 g CH3COONH4。搅拌溶液几分钟,搅拌。确保所有添加的溶质完全溶解。
  2. 在沐浴溶液中加入3 mL的NH4OH(28%NH3),搅拌溶液2分钟。图1显示了CDSCBD的实验设置。
  3. 使用铁氟龙样品支架将 CIGS 样品放入反应槽溶液中。
  4. 将反应浴置于65°C的水热浴中,在沉积过程中使用磁棒在200rpm时搅拌反应浴溶液。
  5. 反应 20 分钟,在 CIGS 上生成大约 70 到 80 nm CdS 缓冲层。
  6. 反应后,从反应槽中取出样品,用DI水流洗涤,用N2气体干燥。
  7. 在120°C下在热板上对样品进行30分钟的退火。

4. 制造AgNW TCE网络

  1. 通过将 19 mL 乙醇与购买的基于乙醇的 AgNW 分散(20 mg/mL)的 1 mL 混合,制备稀释的 AgNW 分散剂(1 mg/mL)。
  2. 将稀释的 AgNW 分散体 0.2 mL 倒入 CdS/CIGS 样品(2.5 厘米 x 2.5 厘米)上,覆盖样品的整个表面,并在 1,000 rpm 转速下旋转样品 30 s。
  3. 根据需要重复步骤 4.2,以实现所需的光学和电气性能。旋转涂层 AgNWs 3x。图2显示了旋转涂层AgNW TCE的扫描电子显微镜(SEM)图像。
  4. 旋转涂层后,在120°C下在热板上对样品进行5分钟的退火。

5. 第 2 CdS 层的沉积

  1. 如步骤 3.1 所述,准备新的 CdS 反应槽溶液。
  2. 存款 CdS 如第 3 节所述,但根据需要更改反应时间除外。
    注:我们优化了反应时间,10 分钟使 CIGS 器件具有最佳性能。2nd CdS沉积时间对CIGS薄膜太阳能电池器件性能的影响可以在我们之前的工作14中找到。

6. 特征化技术

  1. 通过场发射SEM和透射电子显微镜(TEM)描述AgN和CdS涂层AgN的表层和横截面形态。
  2. 使用配备太阳能模拟器的电流电压源(1,000 W/m 2,AM1.5G)测量太阳能电池性能。

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Representative Results

图3显示了CIGS太阳能电池的层结构,其标准ZnO:Al/i-ZnO和(b)AgNW TCE。CIGS的表面形态粗糙,AgNW层与底层CdS缓冲层之间可形成纳米级间隙。如图3A所示,第2层CdS层可以选择性地沉积在纳米尺度的间隙上,以产生稳定的电气接触。有关电气接触的形成以及电气特性和器件性能的增强的详细说明,请参阅参考14。在参考14中也发现了AgNW和CdS结的结构分析,包括横截面SEM和TEM,以及相应的元素映射。

图 4显示了横截面 TEM 图像 (a)沿沉积在 AgNW 网络上的第 2 CdS 层,以及 (b) 沉积在 AgNW 网络上的第 2个CdS 层。由于 CIGS 的粒状结构,CdS/CIGS 结构显示了坚固的表面形态。因此,裸露的 AgGW 悬浮在空气中,无法预期与 CdS 缓冲层有稳定的电气接触。第 2层CdS 层均匀地沉积在 AgNW 的表面上,核心壳 AgNW (Ag_CdS NW) 结构上的 CdS 层生成,如图4B所示。此外,第2层CdS层填补了CdS缓冲层和AgNW层之间的气隙,如图4A的内嵌所示,实现了稳定的电气接触。

图 5和表 1显示了具有裸露 AgNW 和 Ag_CdS NW TTCEs 的 CIGS 薄膜太阳能电池的设备性能。由于电气接触不稳定,裸露的 AgNW 电池的设备性能较差。第2CdS层的沉积大大提高了细胞性能,如图5中的J-V特性所示。 与裸露的AgNW TCE相比,具有Ag_CdS NW TCE的电池在器件效率和FF方面比其增加50%以上。

Figure 1
图1:化学浴沉积设置。CIGS上CdS化学浴沉积实验设置的图像。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2:AgNW TCE 的 SEM 图像。SEM 图像显示了 CdS/CIGS/Mo 结构上的旋转涂层 AgNW TCE。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图3:CIGS薄膜太阳能电池的原理图。CIGS 薄膜太阳能电池的层结构,具有 (A) ZnO:Al/i-ZnO TCO 和 (B) 具有第二CdS层的 AgNW TCE。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图4:AG_CdS NW的结构分析。(A) 横截面 TEM 图像沿 Ag_CdS NW 上的 CdS/CIGS 结构和 (B) 高分辨率 TEM 图像穿过 Ag_CdS NW。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图 5:设备性能比较。CIGS 薄膜太阳能电池的 J-V 特性,具有裸露的 AgNW 和 Ag_CdS NW TTCEs。请点击此处查看此图的较大版本。

细胞 VOC (V) JSC (千瓦/厘米2) 效率(%) FF (%)
裸阿格NW TCE 0.60 29.5 7.9 44
Ag_CdS TCE 0.65 32.3 14.2 67.2

表 1:设备性能数据。从 J-V 曲线派生的设备性能摘要。

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Discussion

请注意,必须优化第 2层CdS 层的沉积时间,以实现最佳的单元性能。随着沉积时间的延长,第2CdS层的厚度增加,因此,电气接触将得到改善。然而,第2CdS层的进一步沉积将导致更厚的层,减少光吸收,并且设备效率将下降。我们在第二CdS层的沉积时间为10分钟,实现了最佳的细胞性能,并确定了细胞效率降低,沉积时间延长。

为了评估我们的方法,我们比较了基于Ag_CdS NW的CIGS太阳能电池的设备性能与标准CIGS太阳能电池的器件性能,其ZO:Al/i-ZnOl TCO,如图3A14所述。J-V特性几乎相等,整体器件性能非常相似。结果表明,我们的溶液工艺方法可以生产出高性能薄膜太阳能电池。

已应用各种方法来增强 AgNW TCE 的电气特性,包括纳入有利的矩阵。该协议中描述的方法简单而有效,可增强AGNW与CIGS薄膜太阳能电池底层CdS缓冲层之间的电接触特性。由于接触性能增强,太阳能电池性能大大提高。该方法旨在适用于 CdS/CIGS 系统,但不限于 CdS/CIGS 系统。当创建适当的CBD方法时,我们的方法可以应用于AgNW和卤化薄膜太阳能电池的缓冲层之间创建高质量的电气接触。

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Disclosures

提交人宣称,他们没有相互竞争的经济利益。

Acknowledgments

这项研究得到了韩国能源研究所(B9-2411)的内部研发计划(B9-2411)和基础科学研究计划的支持,该计划由韩国国家研究基金会(NRF)资助。教育 (授予 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

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References

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在 Cu(In、Ga)Se<sub>2</sub>薄膜太阳能电池中制造银纳米线电极与 CdS 缓冲层之间的强健纳米级接触
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Lee, S., Cho, K. S., Song, S., Kim,… More

Lee, S., Cho, K. S., Song, S., Kim, K., Eo, Y. J., Yun, J. H., Gwak, J., Chung, C. H. Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells. J. Vis. Exp. (149), e59909, doi:10.3791/59909 (2019).

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