क्यू (इन,Ga)Se2 पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में एक रजत Nanowire इलेक्ट्रोड और सीडीएस बफर परत के बीच मजबूत Nanoscale संपर्क का निर्माण

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Summary

इस प्रोटोकॉल में, हम एक CIGS पतली फिल्म सौर सेल में एक चांदी नैनोवायर नेटवर्क और सीडीएस बफर परत के बीच एक मजबूत नैनोस्केल संपर्क के निर्माण के लिए विस्तृत प्रयोगात्मक प्रक्रिया का वर्णन.

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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

चांदी नैनोवायर पारदर्शी इलेक्ट्रोड Cu (इन, Ga)Se2 पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के लिए खिड़की परतों के रूप में नियोजित किया गया है. नंगे चांदी नैनोवायर इलेक्ट्रोड सामान्य रूप से बहुत खराब सेल प्रदर्शन में परिणाम. मामूली प्रवाहकीय पारदर्शी सामग्री, जैसे इंडियम टिन ऑक्साइड या जस्ता ऑक्साइड का उपयोग करके चांदी के नैनोवायर्स को एम्बेड करना या सैंडविच करना सेल प्रदर्शन में सुधार कर सकता है। हालांकि, समाधान संसाधित मैट्रिक्स परतों पारदर्शी इलेक्ट्रोड और सीडीएस बफर के बीच interfacial दोषों की एक महत्वपूर्ण संख्या पैदा कर सकते हैं, जो अंततः कम सेल प्रदर्शन में परिणाम कर सकते हैं. इस पांडुलिपि का वर्णन कैसे एक चांदी नैनोवायर इलेक्ट्रोड और अंतर्निहित सीडीएस बफर परत के बीच एक Cu (में, Ga)Se2 सौर सेल में मजबूत विद्युत संपर्क बनाने के लिए, मैट्रिक्स मुक्त चांदी नैनोवायर पारदर्शी का उपयोग कर उच्च सेल प्रदर्शन को सक्षम करने इलेक्ट्रोड. मैट्रिक्स मुक्त चांदी नैनोवायर इलेक्ट्रोड हमारी विधि द्वारा निर्मित साबित होता है कि चार्ज वाहक संग्रह क्षमता चांदी नैनोवायर इलेक्ट्रोड आधारित कोशिकाओं के रूप में है कि sputtered के साथ मानक कोशिकाओं के रूप में के रूप में अच्छा है [nO:Al/i-nO के रूप में लंबे समय के रूप में चांदी नैनोवायर और सीडीएस उच्च गुणवत्ता वाले विद्युत संपर्क किया है. उच्च गुणवत्ता वाले विद्युत संपर्क चांदी नैनोवायर सतह पर 10 एनएम के रूप में पतली के रूप में एक अतिरिक्त सीडीएस परत जमा करके हासिल किया गया था।

Introduction

रजत नैनोवायर (एग्एनडब्ल्यू) नेटवर्क का बड़े पैमाने पर कम प्रसंस्करण लागत के मामले में पारंपरिक पारदर्शी चालक ऑक्साइड (टीसीओ) पर अपने फायदे के कारण इंडियम टिन ऑक्साइड (ITO) पारदर्शी पतली फिल्मों के एक विकल्प के रूप में अध्ययन किया गया है और बेहतर यांत्रिक लचीलापन. समाधान संसाधित AgNW नेटवर्क पारदर्शी चालक इलेक्ट्रोड (TCEs) इस प्रकार Cu (इन,Ga)Se2 (CIGS) पतली फिल्म सौर कोशिकाओं1,2,3,4,5 में नियोजित किया गया है , 6.समाधान-प्रसंस्कृत एजीएनडब्ल्यू टीसीएस को सामान्य रूप से एम्बेडेड-एग्नवा या सैंडविच-एग्नडब्ल्यू संरचनाओं के रूप में निर्मित किया जाता है जैसे कि पीईडीओटी: पी एस एस, आई टी ओ, आदि7,8,9, 10,11 मैट्रिक्स परतों में वृद्धि कर सकते हैं कि AgNW नेटवर्क के खाली स्थान में मौजूद प्रभारी वाहक का संग्रह.

तथापि, मैट्रिक्स परतों मैट्रिक्स परत और CIGS पतली फिल्म सौर कोशिकाओं12,13में अंतर्निहित सीडीएस बफर परत के बीच interfacial दोष उत्पन्न कर सकते हैं. interfacial दोष अक्सर वर्तमान घनत्व वोल्टेज (जे-वी) वक्र में एक kink कारण, सेल में एक कम भरने कारक (एफएफ) में जिसके परिणामस्वरूप, जो सौर सेल के प्रदर्शन के लिए हानिकारक है. हम पहले चुनिंदा AgNWs और CDS बफ़र परत14के बीच एक अतिरिक्त पतली CdS परत (2एन डी सीडीएस परत) जमा करके इस समस्या को हल करने के लिए एक विधि की रिपोर्ट की है। एक अतिरिक्त सीडीएस परत का समावेश AgNW और सीडीएस परतों के बीच जंक्शन में संपर्क गुण बढ़ाया. नतीजतन, AgNW नेटवर्क में वाहक संग्रह बहुत सुधार हुआ था, और सेल प्रदर्शन बढ़ाया गया था। इस प्रोटोकॉल में, हम एक CIGS पतली फिल्म सौर सेल में एक 2एन सीडीएस परत का उपयोग कर AgNW नेटवर्क और सीडीएस बफर परत के बीच मजबूत विद्युत संपर्क बनाने के लिए प्रयोगात्मक प्रक्रिया का वर्णन.

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Protocol

1. डीसी मैग्नेटरॉन sputtering द्वारा मो लेपित कांच की तैयारी

  1. लोड साफ ग्लास एक डीसी magnetron में substrates और नीचे करने के लिए पंप 4 x 10-6 Torr.
  2. प्रवाह Ar गैस और 20 mTorr करने के लिए काम कर दबाव सेट.
  3. प्लाज्मा चालू करें और 3 किलोवाट करने के लिए डीसी उत्पादन शक्ति में वृद्धि.
  4. लक्ष्य सफाई के लिए 3 मिनट के पूर्व sputtering के बाद, मो फिल्म मोटाई लगभग 350 एनएम तक पहुँच जाता है जब तक मो बयान शुरू करते हैं।
  5. एक ही उत्पादन शक्ति (यानी, 3 किलोवाट) को बनाए रखते हुए 15 mTorr के लिए काम कर रहे दबाव सेट करें।
  6. मो की कुल मोटाई लगभग 750 एनएम तक पहुँच जाता है जब तक मो बयान फिर से शुरू करें।

2. CIGS अवशोषक परत एक तीन चरण coevaporation के माध्यम से जमा

  1. 5 x 10-6 Torr से कम एक वैक्यूम के तहत एक preheated सह-evaporator में मो लेपित ग्लास लोड करें।
  2. इन, गा, और सेफ्यूजन कोशिकाओं के तापमान को क्रमशः 2.5 डिग्री, 1.3/s, और 15 $/s की जमा दरों को प्राप्त करने के लिए सेट करें।
    1. क्वार्ट्ज क्रिस्टल microbalance (QCM) तकनीक का उपयोग कर जमा दरों की जाँच करें. जमा दर ों की दर बहाव कोशिकाओं के निर्धारित तापमान और बहाव कोशिकाओं में सामग्री की मात्रा पर निर्भर कर रहे हैं।
  3. में आपूर्ति करने के लिए शुरू, Ga और Se मो लेपित गिलास पर एक 1 $m-thick (में, Ga)xSey अग्रदूत परत 450 डिग्री सेल्सियस के सब्सट्रेट तापमान पर फार्म करने के लिए। जमा करने का समय 15 मिनट (नामतः 1एसटी चरण) है।
  4. में और गा आपूर्ति बंद करो और 550 डिग्री सेल्सियस के लिए सब्सट्रेट तापमान में वृद्धि।
  5. Cu (स्थिति दर: 1.5 डिग्री/ ध्यान दें कि सनिक्षेप दर को 2 अवस्था (अर्थात् 2 अवस्था) के माध्यम से 15 डिग्री/s पर बनाए रखा जाता है।
  6. Cu की आपूर्ति बंद करो और में और गा फिर से एक ही जमा दर के साथ 1सेंट चरण के रूप में अंत में एक लगभग 2 $m मोटी CIGS फिल्म के रूप में Cu/ से जमा दर और उपस्तर तापमान को क्रमशः 15 डिग्री सेल्सियस तथा 550 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखें। इस चरण का जमाव समय 4 मिनट (नामत: 3rd चरण) है।
  7. पूरी प्रतिक्रिया सुनिश्चित करने के लिए, 550 डिग्री सेल्सियस के सब्सट्रेट तापमान पर 5 मिनट के लिए परिवेश से (15 डिग्री सेल्सियस) के तहत जमा CIGS फिल्म anneal.
  8. परिवेश से (15 डिग्री सेल्सियस) के तहत सब्सट्रेट तापमान को 450 डिग्री सेल्सियस तक शांत करें और फिर उपस्तर तापमान 250 डिग्री सेल्सियस से नीचे होने पर सीआईजीएस-जमा सब्सट्रेट अनलोड करें।

3. एक रासायनिक स्नान जमा (सीबीडी) विधि का उपयोग कर CIGS अवशोषक परत पर सीडीएस बफर परत का विकास

  1. सीडीएस प्रतिक्रिया स्नान समाधान को 250 एमएल बीकर में 97 एमएल डीआई जल, 0.079 ग्राम सीडी (सीएच3सीओओ)2जेडएच2ओ, एनएच2सी एस एनएच2के 0.041 ग्राम और 0.155 ग्राम CH3COONH4को जोड़कर तैयार करें। मिश्रण करने के लिए कई मिनट के लिए समाधान हिलाओ. सुनिश्चित करें कि सभी जोड़े गए विलेय पूरी तरह से भंग कर रहे हैं।
  2. स्नान समाधान में एनएच4OH (28% NH3) के 3 एमएल जोड़ें और 2 मिन् ग के लिए समाधान को हिलाएं। चित्र 1 सीडीएस के लिए सीबीडी के प्रायोगिक सेटअप को दर्शाता है।
  3. एक Teflon नमूना धारक का उपयोग कर प्रतिक्रिया स्नान समाधान में CIGS नमूना रखो.
  4. 65 डिग्री सेल्सियस पर बनाए रखा पानी गर्म स्नान में प्रतिक्रिया स्नान रखो और जमाव की प्रक्रिया के दौरान एक चुंबकीय पट्टी का उपयोग कर 200 आरपीएम पर प्रतिक्रिया स्नान समाधान हलचल।
  5. CIGS पर एक लगभग 70 से 80 एनएम सीडीएस बफर परत उत्पन्न करने के लिए 20 मिनट के लिए प्रतिक्रिया.
  6. प्रतिक्रिया के बाद, प्रतिक्रिया स्नान से नमूना निकालें, DI पानी के प्रवाह के साथ धो लें, और N2 गैस के साथ सूखी.
  7. एक गर्म प्लेट पर 30 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर नमूना anneal.

4. AgNW TCE नेटवर्क का निर्माण

  1. एक पतला AgNW फैलाव (1 mg/mL) एक खरीदा इथेनॉल आधारित AgNW फैलाव के 1 एमएल के साथ इथेनॉल के 19 एमएल मिश्रण द्वारा तैयार (20 मिलीग्राम /
  2. नमूने की पूरी सतह को कवर करने के लिए सीडीएस/सीआईजीएस नमूने (2.5 सेमी x 2.5 सेमी) पर पतला AgNW फैलाव के 0.2 एमएल डालो और 30 s के लिए 1,000 आरपीएम के साथ नमूना बारी बारी से।
  3. वांछित ऑप्टिकल और बिजली के गुणों को प्राप्त करने के लिए आवश्यक के रूप में कदम 4.2 दोहराएँ. स्पिन-कोट AgNWs 3x. स्पिन लेपित एग्नएनडब्ल्यू टीईई की स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) प्रतिबिंब चित्र 2में दर्शाया गया है।
  4. स्पिन-कोटिंग के बाद, एक गर्म प्लेट पर 5 मिनट के लिए 120 डिग्री सेल्सियस पर नमूना anneal।

5. 2 एनडी सी डीएस परत का जमाव

  1. चरण 3.1 में वर्णित के रूप में एक नया CdS प्रतिक्रिया स्नान समाधान तैयार करें.
  2. अनुभाग 3 के रूप में जमा सीडीएस, आवश्यक के रूप में प्रतिक्रिया समय बदलने के अलावा.
    नोट: हम प्रतिक्रिया समय अनुकूलित, और 10 मिनट सबसे अच्छा प्रदर्शन के साथ CIGS डिवाइस में हुई. एक CIGS पतली फिल्म सौर सेल डिवाइस प्रदर्शन पर 2एन डी सी डीएस जमा समय का प्रभाव हमारे पिछले काम14में पाया जा सकता है .

6. विशेषता तकनीक

  1. क्षेत्र उत्सर्जन SEM और संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) द्वारा AgNWs और सीडीएस लेपित AgNWs की सतह और पार अनुभागीय आकारिकी की विशेषता.
  2. एक सौर सिम्युलेटर (1,000 W/m2, AM1.5G) से सुसज्जित एक वर्तमान वोल्टेज स्रोत का उपयोग कर सौर सेल प्रदर्शन को मापने।

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Representative Results

(क) मानक nO: Al/i-nO और (b) AgNW TCE के साथ CIGS सौर कोशिकाओं की परत संरचनाओं चित्र 3में दिखाए गए हैं। CIGS की सतह आकृति विज्ञान किसी न किसी है, और एक नैनोस्केल अंतर AgNW परत और अंतर्निहित सीडीएस बफर परत के बीच फार्म कर सकते हैं. चित्र 3कमें प्रकाश डाला के रूप में, 2एन डी सी डीएस परत चुनिंदा नैनोस्केल अंतर पर जमा किया जा सकता है एक स्थिर विद्युत संपर्क बनाने के लिए. विद्युत संपर्क के गठन और विद्युत गुणों और डिवाइस प्रदर्शन की वृद्धि पर विस्तृत विवरण संदर्भ 14 में पाया जा सकता है. पार अनुभागीय SEM और TEM सहित AgNW और सीडीएस जंक्शन के संरचनात्मक विश्लेषण, और इसी मौलिक मानचित्रण भी संदर्भ 14 में पाया जा सकता है.

चित्र 4 में सीडीएस/सीआईजीएस संरचना पर एजीएनडब्ल्यू नेटवर्क पर जमा 2एन डी सी डी एस परत के साथ क्रॉस-सेक्शनल टीईएम छवियों (क) को दिखाया गया है और (ख) एजीएनडब्ल्यू नेटवर्क पर जमा 2एन डी सी डी एस परत भर में है। सी.डी.एस./सीआईजीएस संरचना सी आई जी एस की दानेदार संरचना के कारण एक बीहड़ सतह आकारिकी दर्शाती है। इसलिए, नंगे AgNWs हवा में निलंबित कर रहे हैं, और सीडीएस बफ़र परत के साथ स्थिर विद्युत संपर्क अपेक्षित नहीं किया जा सकता है। 2एन डी सी डीएस परत समान रूप से AgNWs की सतह पर जमा है, और कोर-शेल AgNW पर सीडीएस परत (Ag]CdS NW) संरचना चित्र 4Bमें दिखाया गया है के रूप में उत्पादन किया है। इसके अलावा, 2एन डी सीडीएस परत सीडीएस बफर परत और AgNW परत के बीच हवा अंतराल भरता है, के रूप में चित्र 4Aके इनसेट में दिखाया गया है, और स्थिर विद्युत संपर्क हासिल की है.

चित्र ााालक 5 और तालिका 1 एक CIGS पतली-फिल्म सौर सेल के डिवाइस प्रदर्शन को नंगे AgNW और Ag]CdS NW TCEs के साथ दिखाते हैं। अस्थिर विद्युत संपर्क के कारण, नंगे AgNWs के साथ सेल खराब डिवाइस प्रदर्शन है। चित्र 5 में J-V विशेषताओं में दर्शाए गए अनुसार 2एन डी सीडीएस परत का निक्षेप सेल निष्पादन को बहुत बढ़ाता है, जैसा कि चित्र 5में J-V विशेषताओं में दर्शाया गया है। Ag]CdS NW TCE के साथ सेल ने डिवाइस दक्षता और एफएफ में नंगे AgNW TCE की तुलना में 50% से अधिक वृद्धि दिखाई।

Figure 1
चित्रा 1: रासायनिक स्नान जमा सेटअप. CIGS पर सीडीएस के रासायनिक स्नान जमा करने के लिए प्रयोगात्मक सेटअप की एक छवि. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2: AgNW TCE की एक SEM छवि. SEM छवि CDS/CIGS/Mo संरचना पर स्पिन लेपित AgNW TCE से पता चलता है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3: CIGS पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के Schematic आरेख. एक CIGS पतली फिल्म सौर सेल के साथ परत संरचना () nO: Al/i-nO TCO और (बी) AgNW TCE एक 2एन डी सी डी एस परत के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र ााा्वित 4: एग्जी-सीडीएस एनडब्ल्यू का संरचनात्मक विश्लेषण। (A) एक CdS/CIGS संरचना पर एक Ag$CdS NW के साथ क्रॉस-सेक्शनल TEM छवि और (B) एक Ag$CdS NW भर में उच्च-रिज़ॉल्यूशन TEM छवि. कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5: डिवाइस प्रदर्शन तुलना. CIGS पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के J-V विशेषताओं नंगे AgNW और Ag]CdS एनडब्ल्यू TCEs के साथ. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

सेल वीओसी (वी) जम्मूअनुसूचित जाति (mA/ दक्षता (%) एफएफ (%)
नंगे AgNW TCE 0.60 29.5 7.9 44
एग्जेडसीडीएस टीई 0.65 32.3 14.2 67.2

तालिका 1: डिवाइस प्रदर्शन डेटा. J-V वक्रों से व्युत्पन्न डिवाइस निष्पादन का सारांश.

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Discussion

ध्यान दें कि 2nd CDS परत के जमा समय इष्टतम सेल प्रदर्शन को प्राप्त करने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए। के रूप में जमा समय बढ़ जाती है, 2एन डी सीडीएस परत की मोटाई बढ़ जाती है, और इसके परिणामस्वरूप, बिजली के संपर्क में सुधार होगा. हालांकि, 2 एनडी सीडीएस परत के आगे जमा एक मोटा परत है कि प्रकाश अवशोषण कम कर देता है में परिणाम होगा, और डिवाइस दक्षता कम हो जाएगा. हम 2एन डी सीडीएस परत के लिए जमा समय के 10 मिनट के साथ सबसे अच्छा सेल प्रदर्शन हासिल किया और निर्धारित किया है कि सेल दक्षता अब जमा समय के साथ कमी आई.

हमारी विधि का मूल्यांकन करने के लिए, हम Ag]CdS एनडब्ल्यू आधारित CIGS सौर सेल के उपकरण के प्रदर्शन की तुलना में एक मानक CIGS सौर सेल के साथ एक sputtered nO: Al/i-nOl TCO, चित्र 3A14में वर्णित के रूप में . J-V विशेषताओं लगभग बराबर थे, और समग्र डिवाइस प्रदर्शन बहुत समान थे. यह परिणाम साबित होता है कि हमारे समाधान प्रक्रिया विधि एक उच्च प्रदर्शन पतली फिल्म सौर सेल का उत्पादन कर सकते हैं.

अनुकूल मैट्रिक्स के समावेश सहित AgNW TCE के विद्युत गुणों को बढ़ाने के लिए विभिन्न तरीकों को लागू किया गया है। विधि इस प्रोटोकॉल में वर्णित सरल और CIGS पतली फिल्म सौर सेल में AgNWs और अंतर्निहित सीडीएस बफर परत के बीच विद्युत संपर्क संपत्ति को बढ़ाने के लिए प्रभावी है. बढ़ाया संपर्क संपत्ति के कारण, सौर सेल प्रदर्शन बहुत सुधार हुआ है. विधि CDS/CIGS प्रणाली के लिए लागू करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, लेकिन सीडीएस/CIGS प्रणाली तक सीमित नहीं है। जब एक उपयुक्त सीबीडी विधि बनाई जाती है, तो हमारी विधि को AgNWs और chalcogenide पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में बफर परत के बीच उच्च गुणवत्ता वाले विद्युत संपर्क बनाने के लिए लागू किया जा सकता है।

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Disclosures

लेखक घोषणा करते हैं कि उनका कोई प्रतिस्पर्धी वित्तीय हित नहीं है।

Acknowledgments

इस शोध कोरिया ऊर्जा अनुसंधान संस्थान (KIER) (B9-2411) और कोरिया के राष्ट्रीय अनुसंधान फाउंडेशन (एनआरएफ) के मंत्रालय द्वारा वित्त पोषित के माध्यम से बुनियादी विज्ञान अनुसंधान कार्यक्रम के इन-हाउस अनुसंधान और विकास कार्यक्रम द्वारा समर्थित किया गया था शिक्षा (ग्रेंट एनआरएफ-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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