Summary

Fabrication de robuste nanoéchelle Contact entre une électrode nanofil identaire argentée et une couche tampon CdS dans Cu(In,Ga)Se2 Cellules solaires à film mince

Published: July 19, 2019
doi:

Summary

Dans ce protocole, nous décrivons la procédure expérimentale détaillée pour la fabrication d’un contact nanométrique robuste entre un réseau de nanofils d’argent et une couche tampon CdS dans une cellule solaire à couches minces CIGS.

Abstract

Des électrodes transparentes en nanofil argent ont été utilisées comme couches de fenêtre pour cu(In,Ga)Se2 cellules solaires à couches minces. Les électrodes de nanofil argenté s’est normalement entramable de très mauvaises performances cellulaires. L’intégration ou le sandwich des nanofils d’argent à l’aide de matériaux transparents modérément conductifs, tels que l’oxyde d’étain indium ou l’oxyde de zinc, peut améliorer la performance cellulaire. Cependant, les couches de matrice traitées par solution peuvent causer un nombre important de défauts interfaciaux entre les électrodes transparentes et le tampon CdS, ce qui peut éventuellement entraîner de faibles performances cellulaires. Ce manuscrit décrit comment fabriquer le contact électrique robuste entre une électrode de nanofil argenté et la couche tampon sous-jacente de CdS dans une cellule solaire de Cu(In,Ga)Se 2, permettant la performance élevée de cellules utilisant le nanowire argenté matrix-libre transparent Électrodes. L’électrode nanofil argentée sans matrice fabriquée par notre méthode prouve que la capacité de collecte de charges des cellules à base d’électrodes nanofil argentées est aussi bonne que celle des cellules standard avec znO:Al/i-ZnO aussi longtemps que les nanofils d’argent et Les CdS ont un contact électrique de haute qualité. Le contact électrique de haute qualité a été atteint en déposant une couche CdS supplémentaire aussi mince que 10 nm sur la surface de nanofil argenté.

Introduction

Les réseaux de nanofils d’argent (AgNW) ont fait l’objet d’études approfondies en tant qu’alternative à l’oxyde d’étain indium (ITO) transparent en réalisant des films minces en raison de leurs avantages par rapport aux oxydes conducteurs transparents conventionnels (TCO) en termes de coût de traitement plus faible et une meilleure flexibilité mécanique. Les électrodes de conduite transparentes (TCE) du réseau AgNW traitées par solution ont ainsi été employées dans cu (In,Ga)Se2 (CIGS) cellules solaires à couches minces1,2,3,4,5 , 6. Les TCE AgNW traitées par solution sont normalement fabriquées sous forme de structures agNW intégrées ou sandwich-AgNW dans une matrice conductrice telle que PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 Les couches de matrice peuvent améliorer que la collecte des porteurs de charge présents dans les espaces vides du réseau AgNW.

Cependant, les couches de matrice peuvent générer des défauts interfacial entre la couche de matrice et la couche tampon CdS sous-jacente dans les cellules solaires à couches minces CIGS12,13. Les défauts interfacial causent souvent un pli dans la courbe de densité-tension courante (J-V), ayant pour résultat un facteur de remplissage bas (FF) dans la cellule, qui est préjudiciable à la performance de cellules solaires. Nous avons précédemment signalé une méthode pour résoudre ce problème en déposant sélectivement une couche CdS mince supplémentaire (2nd CdS couche) entre les AgNWs et la couche tampon CdS14. L’incorporation d’une couche CdS supplémentaire a amélioré les propriétés de contact dans la jonction entre les couches AgNW et CdS. Par conséquent, la collection de transporteurs dans le réseau AgNW a été grandement améliorée, et les performances cellulaires ont été améliorées. Dans ce protocole, nous décrivons la procédure expérimentale pour fabriquer le contact électrique robuste entre le réseau D’AgNW et la couche tampon de CdS utilisant une couche CdS de 2nd dans une cellule solaire à film mince de CIGS.

Protocol

1. Préparation du verre mo-enduit par DC magnétron pulvérisation Chargez les substrats de verre nettoyés dans un magnétron DC et pompez jusqu’à moins de 4 x 10-6 Torr. Flux de gaz Ar et de définir la pression de travail à 20 mTorr. Allumez le plasma et augmentez la puissance de sortie DC à 3 kW. Après le pré-sputtering de 3 min pour le nettoyage de cible, commencer le dépôt de Mo jusqu’à ce que l’épaisseur du film Mo atteigne environ 350 nm. Déf…

Representative Results

Les structures de calque des cellules solaires CIGS avec (a) standard ZnO:Al/i-ZnO et (b) AgNW TCE sont représentées dans la figure 3. La morphologie de surface de CIGS est rugueuse, et un écart à l’échelle nanométrique peut se former entre la couche AgNW et la couche tampon CdS sous-jacente. Comme le souligne la figure 3A, la couche CdS de 2nd peut être déposée sélectivement sur l’espace nanométrique pour c…

Discussion

Notez que le temps de dépôt de la couche CdS 2nd doit être optimisé pour atteindre les performances cellulaires optimales. À mesure que le temps de dépôt augmente, l’épaisseur de la couche CdS de 2nd augmente et, par conséquent, le contact électrique s’améliorera. Cependant, un dépôt supplémentaire de la couche CdS 2nd se traduira par une couche plus épaisse qui réduit l’absorption de la lumière, et l’efficacité de l’appareil diminuera. Nous avons réalisé la meilleure …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Cette recherche a été soutenue par le Programme interne de recherche et de développement de l’Institut coréen de recherche sur l’énergie (KIER) (B9-2411) et le Programme de recherche en sciences fondamentales par l’intermédiaire de la National Research Foundation of Korea (NRF) financé par le ministère de la Éducation (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

Materials

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

  1. 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).
  2. Langley, D., et al. Flexible transparent conductive materials based on silver nanowire networks: a review. Nanotechnology. 24 (45), 452001 (2013).
  3. 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).
  4. Liu, C. -. H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6 (1), (2011).
  5. Yu, Z., et al. Highly flexible silver nanowire electrodes for shape-memory polymer light-emitting diodes. Advanced Materials. 23 (5), 664-668 (2011).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).

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Cite This Article
Lee, S., Cho, K. S., Song, S., Kim, K., Eo, Y., Yun, J. H., Gwak, J., Chung, C. 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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