הייצור של הקשר ננו בקנה מידה חזק בין אלקטרודות כסף ננו ושכבת מאגר תקליטורים Cu (ב, Ga) Se2 דק-סרט תאים סולריים

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

בפרוטוקול זה, אנו מתארים את ההליך הניסיוני המפורט לייצור של קשר ננו בקנה מידה חזק בין רשת פלזמה כסף ותקליטורים מאגר שכבה בסרט סיגריות דק השמש תא.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

כסף שקוף ננו-שקיפות אלקטרודות המועסקים כשכבות חלון עבור Cu (ב, Ga) Se2 הסרט דק תאים סולאריים. אלקטרודות של ננו-חוט מכסף בדרך כלל. גורמות לביצועי תא מאוד ירודים הטבעה או הsandwiching נאנו-חוט באמצעות חומרים שקופים מוליך בינוני, כגון תחמוצת האינדיום או תחמוצת אבץ, יכול לשפר את ביצועי התא. עם זאת, שכבות המטריצה המעובדות על-ידי פתרון יכולות לגרום למספר משמעותי של פגמים בין האלקטרודות השקופות ומאגר התקליטורים, שיכול בסופו של דבר לגרום לביצועי תא נמוכים. כתב יד זה מתאר כיצד ליצור מגע חשמלי חזק בין אלקטרודה הפלזמה כסף ואת שכבת מאגר התקליטורים בבסיס Cu (ב, Ga) Se2 תא סולארי, המאפשר ביצועים בתאים גבוהים באמצעות מטריקס-ננו-חוט כסף שקוף אלקטרודות. האלקטרודות מטריצה כסף חינם, מפוברק על ידי השיטה שלנו מוכיחה כי החיוב-נושאת המטען של תאים מבוססי האלקטרודה הכסף של הפלזמה הוא טוב כמו זה של תאים סטנדרטיים עם הרוק zno: אל/אני-zno כל עוד הכסף ננו-חוט ו לתקליטורים יש מגע חשמלי באיכות גבוהה. המגע החשמלי באיכות גבוהה הושג על ידי הפקדת שכבת תקליטורים נוספת רזה כמו 10 ננומטר על פני השטח הכסוף של ננו-חוט.

Introduction

הרשתות הכסוף (agnw) למדו בהרחבה כחלופה ל-תחמוצת בדיל (ITO) שקוף מנהל סרטים דקים בשל יתרונותיה של תחמוצות מוליך שקוף קונבנציונאלי (tcos) במונחים של עלות העיבוד הנמוכה ו גמישות מכנית טובה יותר. פתרון-מעובד הרשת AgNW שקוף מוליך אלקטרודות (TCEs) יש כך הועסק Cu (ב, Ga) Se2 (סיגריות) סרט דק תאים סולריים1,2,3,4,5 , 6. פתרון-מעובד agnw tces הם בדרך כלל מפוברק בצורה של מוטבע-agnw או סנדוויץ ' agnw מבנים במטריצה מוליך כגון pedot: pss, איטו, zno, וכו '7,8,9, 10,11 שכבות המטריצה יכולות לשפר את העובדה שאוסף נושאות המטען נמצא בחללים הריקים של רשת agnw.

עם זאת, שכבות מטריקס יכולים ליצור פגמים אינטרפנים בין שכבת מטריקס בבסיס תקליטורים מאגר שכבת בסיגריות הסרט דק תאים סולריים12,13. פגמים הפנים לעתים קרובות לגרום קינקיות בצפיפות הנוכחית מתח (J-V) עקומת, וכתוצאה מכך גורם מילוי נמוך (FF) בתא, אשר פוגעת בביצועי התא הסולארי. בעבר דיווחו על שיטה לפתרון בעיה זו על-ידי הפקדת באופן סלקטיבי שכבת תקליטורים דקים נוספים (שכבת תקליטורים 2) בין ה-agnws לבין שכבת מאגר התקליטורים14. שילוב של שכבת תקליטורים נוספים הגדילו את מאפייני איש הקשר בצומת שבין השכבות AgNW ו-CdS. כתוצאה מכך, אוסף המנשא ברשת AgNW השתפר מאוד וביצועי התא שופרו. בפרוטוקול זה, אנו מתארים את ההליך הניסיוני ליצירת מגע חשמלי חזק בין רשת AgNW לבין שכבת מאגר תקליטורים באמצעות שכבת תקליטורים 2 שכבה של סיגריות סרט דק השמש תא.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת זכוכית מצופה מו על ידי התזה של מגנטרון DC

  1. לטעון מצעים זכוכית מנוקה לתוך מגנטרון DC ו משאבה מטה למטה למטה 4 x 10-6 Torr.
  2. לזרום גז ולהגדיר את הלחץ פועל 20 mTorr.
  3. הפעל את הפלזמה והגדל את כוח הפלט DC ל-3 kW.
  4. לאחר התזה מראש של 3 דקות עבור ניקוי היעד, להתחיל את התצהיר מו עד עובי הסרט מו מגיע כ 350 ננומטר.
  5. הגדר את הלחץ פועל 15 mTorr תוך שמירה על אותו כוח פלט (כלומר, 3 kW).
  6. לחדש את התצהיר של מו עד העובי הכולל של מו מגיע כ 750 ננומטר.

2. סיגריות בולם שכבה התצהיר באמצעות התאיידות תלת-שלבית

  1. טען מו-מצופה זכוכית לתוך מפזר מראש מחומם תחת ואקום נמוך יותר 5 x 10-6 Torr.
  2. הגדר את הטמפרטורות של In, Ga, ו Se התאים מניבים מניב שיעורי התצהיר של 2.5 Å/s, 1.3 Å/s, ו 15 Å/s, בהתאמה.
    1. בדוק את שיעורי התצהיר באמצעות טכניקת המיקרו-איזון של גביש הקוורץ (QCM). שיעורי התצהיר תלויים בטמפרטורת הקבע של תאי היתוך וכמות החומרים בתאים האפופיוז.
  3. התחל לספק, Ga ו-Se על הזכוכית מצופה מו כדי ליצור 1 μm-עבה (ב, Ga)xSe שכבה קודמן בטמפרטורת המצע של 450 ° c. זמן התצהיר הוא 15 דקות (כלומר, 1 בשלב הראשון).
  4. לעצור את האספקה ב-Ga ולהגדיל את טמפרטורת המצע ל 550 ° c.
  5. התחל לספק Cu (שיעור התצהיר: 1.5 Å/s) על (ב, Ga) xSe הקודמן ולהמשיך עד Cu/(ב + ga) יחס הלחנה של הסרט מגיע 1.15. שימו לב ששיעור התצהיר של Se מתוחזק ב-15 Å/ s דרך השלב השני (כלומר, שלב 2).
  6. להפסיק לספק Cu ו להתאדות ב ו-Ga שוב עם אותם שיעורי התצהיר כמו השלב 1 לבסוף טופס בערך 2 μm-עבה הסרט סיגריות עם Cu/(בתוך + Ga) יחס הלחנה של 0.9. שמור על שיעור התצהיר וטמפרטורת המצע ב -15 Å/s ו-550 ° c, בהתאמה. זמן התצהיר של שלב זה הוא 4 דקות (כלומר 3 השלב השלישי).
  7. על מנת להבטיח תגובה מלאה, לספח את הסרט סיגריות הופקד תחת הסביבה Se (15 Å/s) עבור 5 דקות בטמפרטורת המצע של 550 ° c.
  8. לצנן את טמפרטורת המצע ל 450 ° c תחת הסביבה Se (15 Å/s) ולאחר מכן לפרוק את המצע סיגריות הופקד כאשר טמפרטורת המצע היא מתחת 250 ° c.

3. צמיחה של שכבת מאגר תקליטורים על שכבת סיגריות בולם באמצעות שיטת הסבת האמבט הכימי (CBD)

  1. להכין את התקליטורים התגובה אמבטיה הפתרון בגביע 250 mL על ידי הוספת 97 mL של די מים, 0.079 g של תקליטור (CH3קו)2· 2h2O, 0.041 g של NH2CSNH2, ו 0.155 g של CH3קונאן4. מערבבים את הפתרון למשך מספר דקות כדי לערבב. ודא כי כל מסיסות הוסיף הם התפרקה לחלוטין.
  2. הוסף 3 מ ל של NH4הו (28% NH3) לתוך הפתרון אמבטיה ומערבבים את הפתרון עבור 2 דקות. איור 1 מציג את ההתקנה הניסיונית של CBD עבור תקליטורים.
  3. לשים את הדגימה סיגריות לתוך הפתרון אמבט התגובה באמצעות מחזיק לדוגמה טפלון.
  4. לשים את האמבטיה התגובה לתוך האמבטיה חום מים מתוחזק ב 65 ° צ' ומערבבים את הפתרון אמבטיה התגובה ב 200 rpm באמצעות סרגל מגנטי במהלך תהליך התצהיר.
  5. להגיב על 20 דקות כדי להפיק כ 70 כדי 80 ננומטר שכבת המאגר על סיגריות.
  6. לאחר התגובה, להסיר את הדגימה מתוך האמבטיה התגובה, לשטוף עם זרימת של מים DI, יבש עם N2 גז.
  7. אנאל המדגם ב 120 ° c עבור 30 דקות על צלחת חמה.

4. הייצור של רשת AgNW TCE

  1. הכנת פיזור AgNW מדולל (1 מ"ג/mL) על ידי ערבוב 19 מ ל אתנול עם 1 מ ל של מבוסס אתנול שנרכש מבוססי (20 מ"ג/mL).
  2. יוצקים 0.2 mL של פיזור AgNW מדולל על תקליטורים/סיגריות לדוגמה (2.5 ס"מ x 2.5 ס מ) כדי לכסות את כל המשטח של המדגם ולסובב את המדגם עם 1,000 סל ד עבור 30 s.
  3. חזור על שלב 4.2 לפי הצורך כדי להשיג את התכונות האופטיות והחשמליות הרצויות. . לסובב את המ, 3 x תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סריקה (SEM) של התמונה של המהדורה המקדימה של AgNW TCE מוצגת באיור 2.
  4. לאחר ציפוי ספין, לדגום את המדגם ב 120 ° c עבור 5 דקות על צלחת חמה.

5. הפקדת שכבת התקליטורים 2

  1. הכנת תקליטורים חדשים התגובה אמבטיה הפתרון כמתואר בשלב 3.1.
  2. הפקדה תקליטורים כמו בסעיף 3, מלבד לשנות את זמן התגובה לפי הצורך.
    הערה: אנו אופטימיזציה זמן התגובה, ו 10 דקות הביא את המכשיר סיגריות עם הביצועים הטובים ביותר. ההשפעה של 2 תקליטורים לתצהיר זמן על סיגריות סרט דק השמש התקן ביצועים ניתן למצוא בעבודה הקודמת שלנו14.

6. שיטות אפיון

  1. אפיון המבנה והציפוי הבין-מבנה של AgNWs ומצופי תקליטורים בפליטת שדה SEM ומיקרוסקופ אלקטרוני שידור (TEM).
  2. מדידת ביצועי תא סולארי באמצעות מקור מתח נוכחי מצויד סימולטור השמש (1,000 W/m2, Am 1.5 g).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מבנים שכבה של סיגריות השמש הסולארית עם (a) רגיל ZnO: אל/i-ZnO ו (ב) AgNW לספירה מוצגים באיור 3. המבנה של פני השטח של סיגריות הוא מחוספס, ופער ננו בקנה מידה יכול ליצור בין שכבת AgNW ואת שכבת מאגר התקליטורים הבסיסיים. כפי שמסומן באיור 3A, 2 שכבת התקליטורים השני יכול להיות מופקד באופן סלקטיבי על הפער ננוסקאלה כדי ליצור מגע חשמלי יציב. ההסבר המפורט על היווצרות מגע חשמלי ושיפור של תכונות חשמליות וביצועי המכשיר ניתן למצוא בהפניה 14. הניתוח המבני של AgNW ו-CdS הצומת כולל החוצה החוצה SEM ו TEM, ומיפוי היסודות המתאימים ניתן למצוא גם התייחסות 14.

איור 4 מראה את החתך החוצה תמונות TEM (א) לאורך 2 התקליטורים שכבה שהופקדו על רשת agnw על מבנה התקליטורים/סיגריות ו ( ב) על פני 2 התקליטורים שכבה הופקד ברשת agnw. מבנה התקליטורים/סיגריות מראה מבנה משטח סלעי בשל המבנה הגרגירים של סיגריות. לפיכך, AgNWs חשופים מושעים באוויר, ומגע חשמלי יציב עם שכבת מאגר תקליטורים לא ניתן לצפות. השכבה 2 התקליטורים מופקד בצורה אחידה על פני השטח של agnws, ושכבת התקליטורים במבנה הליבה-Shell agnws (Ag @ תקליטורי NW) מופקת כפי שמוצג באיור 4b. יתר על כן, שכבת התקליטורים 2 ממלא את מרווחי האוויר בין שכבת מאגר התקליטורים ואת שכבת agnw, כפי שמוצג בכניסה של איור 4a, ואת המגע החשמלי יציב מושגת.

איור 5 ושולחן 1 הצג את ביצועי המכשיר של סיגריות הסרט דק השמש תא עם Agnw חשופים ו Ag @ תקליטורים NW tces. עקב מגע חשמלי לא יציב, התא עם המספר החשוף מכיל ביצועי התקן ירודים. הפקדת שכבת תקליטורים 2 משפרת מאוד את ביצועי התא, כפי שמוצג במאפייני ה-J-V באיור 5. התא עם ה-Ag @ CdS NW TCE הראה יותר מ 50% להגדיל את יעילות המכשיר ו-FF בהשוואה ל-AgNW TCE החשופים.

Figure 1
איור 1: מלכודת כימית לתצהיר. תמונה של הכיוונון הניסיוני של הפקדת האמבטיה כימית של תקליטורים על סיגריות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: תמונת SEM של הקובץ AgNW TCE. תמונת ה-SEM מציגה את ה-AgNW TCE מצופה-ספין במבנה התקליטורים/סיגריות/מו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3: תרשים סכמטי של סיגריות הסרט דק תאים סולאריים. מבנה השכבה של סיגריות הסרט דק השמש תא עם (א) zno: אל/אני-ZNO TCO ו (ב) agnw tce עם שכבת תקליטורים 2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: ניתוח מבני של Ag @ תקליטורים NW. (א) צלב התמונה TEM לאורך Ag @ תקליטורים NW על מבנה תקליטורים/סיגריות ו (ב) תמונה ברזולוציה גבוהה TEM על פני Ag @ CdS NW. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5: השוואת ביצועי התקן. J-V מאפיינים של סיגריות סרט דק השמש תאים עם AgNW חשופים ו Ag @ תקליטורים NW TCEs. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

תא VOC (V) JSC (mA/cm2) יעילות (%) FF (%)
בריק הקטן 0.60 29.5 7.9 44
כיצד לעשות זאת? 0.65 32.3 14.2 67.2

טבלה 1: נתוני ביצועי התקן. תקציר של ביצועי ההתקן הנגזרים מעקומות ה-J-V.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שים לב שזמן התצהיר של שכבת התקליטוריםהשנייה חייב להיות מיטבי כדי להשיג את ביצועי התא המיטביים. ככל שהזמן מגדיל את הזמן, עובי השכבההשנייה של התקליטורים מגדיל, וכתוצאה מכך, המגע החשמלי ישתפר. עם זאת, הפקדת נוספת של 2 שכבת התקליטורים תגרום לשכבה עבה יותר המפחית את ספיגת האור, ויעילות ההתקן תפחית. השגנו את ביצועי התא הטוב ביותר עם 10 דקות של תצהיר זמן עבור 2 שכבת התקליטורים וקבע כי יעילות התא ירד עם פעמים תצהיר יותר.

כדי להעריך את השיטה שלנו, השוואנו את ביצועי המכשיר של Ag @ תקליטורי מבוסס מבוססי סיגריות מבוססות השמש תא עם זה של סיגריות רגיל תא השמש עם ליחה ZnO: אל/i-זנוl TCO, כפי שמתואר באיור 3A14. מאפייני ה-J-V היו כמעט שווים, והמופעים הכלליים של המכשיר היו דומים מאוד. תוצאה זו מוכיחה כי השיטה שלנו תהליך הפתרון יכול לייצר ביצועים גבוהים סרט דק סולרי תא.

שיטות שונות הוחלו על מנת לשפר את תכונות החשמל של AgNW TCE כולל שילוב של מטריצה תורמת. השיטה המתוארת בפרוטוקול זה היא פשוטה ויעילה כדי לשפר את המאפיין איש קשר חשמלי בין AgNWs לבין הבסיס תקליטורים מאגר שכבת הסרט סיגריות דק השמש תא. בשל המאפיין קשר משופר, ביצועי התא הסולארי משופר מאוד. השיטה נועדה להחיל על מערכת תקליטורים/סיגריות, אך אינו מוגבל למערכת תקליטורים/סיגריות. כאשר נוצרת שיטת CBD מתאימה, ניתן להחיל את השיטה שלנו על מנת ליצור מגע חשמלי באיכות גבוהה בין AgNWs לבין שכבת המאגר בתאים chalcogenide דקים של הסרט הסולארי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

Acknowledgments

מחקר זה נתמך על ידי תוכנית מחקר ופיתוח של הבית של קוריאה מכון לחקר האנרגיה (B9-2411) ואת התוכנית המדע הבסיסי למחקר באמצעות קרן המחקר הלאומי של קוריאה (NRF) ממומן על ידי משרד ה חינוך (גרנט 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics