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

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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。

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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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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 2CdS 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,通过二阶段(即二阶段),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 2CdS 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 2CdS 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 2CdS 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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