Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지의 실버 나노와이어 전극과 CdS 버퍼 층 간의 견고한 나노스케일 접촉 제조

Engineering

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Summary

이 프로토콜에서, 우리는 CIGS 박막 태양 전지에서 은 나노 와이어 네트워크와 CdS 버퍼 층 사이의 강력한 나노 스케일 접촉의 제조에 대한 상세한 실험 절차를 설명합니다.

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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

실버 나노와이어 투명 전극은 Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지용 윈도우 레이어로 사용되어 왔다. 베어 실버 나노 와이어 전극은 일반적으로 매우 가난한 세포 성능을 초래한다. 인듐 주석 산화물 또는 산화 아연과 같은 적당히 전도성 투명 재료를 사용하여 실버 나노 와이어를 포함하거나 샌드위치하면 세포 성능을 향상시킬 수 있습니다. 그러나, 용액 처리 매트릭스 층은 투명 전극과 CdS 버퍼 사이에 상당한 수의 계면 결함을 일으킬 수 있으며, 이는 결국 낮은 세포 성능을 초래할 수 있습니다. 이 원고는 Cu(In,Ga)Se2 태양전지에서 실버 나노와이어 전극과 기본 CdS 버퍼 층 사이의 강력한 전기 적 접촉을 제조하는 방법을 설명하여 매트릭스가 없는 실버 나노와이어투명을 사용하여 높은 셀 성능을 가능하게 합니다. 전극. 우리의 방법에 의해 제조 된 매트릭스 무료 실버 나노 와이어 전극은 실버 나노 와이어 전극 기반 셀의 충전 캐리어 수집 능력이 실버 나노 와이어만큼 스퍼터링 ZnO : Al / i-ZnO가있는 표준 셀만큼 좋다는 것을 증명합니다. CdS에는 고품질 전기 접촉이 있습니다. 고품질 전기 접촉은 은 나노와이어 표면에 10 nm의 얇은 추가 CdS 층을 증착함으로써 달성되었다.

Introduction

실버 나노와이어(AgNW) 네트워크는 낮은 처리 비용 측면에서 기존의 투명 전도산화물(TCO)에 비해 장점으로 인해 인듐 주석 산화물(ITO) 투명 전도 박막의 대안으로 광범위하게 연구되어 왔다. 기계적 유연성이 향상됩니다. 솔루션 처리 AgNW 네트워크 투명 전도전극 (TC)는 따라서 Cu (In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양 전지1,2,3,4,5에 사용되었습니다. , 6. 솔루션 처리 AgNW TC는 일반적으로 PEDOT : PSS, ITO, ZnO등과 같은 전도성 매트릭스에서 임베디드AgNW 또는 샌드위치 AgNW 구조의 형태로 제작됩니다. 도 10,도 11 매트릭스 층은 AgNW 네트워크의 빈 공간에 존재하는 전하 반송파의 수집을 향상시킬 수 있다.

그러나, 매트릭스 층은 CIGS 박막 태양전지(12,13)에서매트릭스 층과 기본 CdS 버퍼 층 사이의 계면 결함을 생성할 수 있다. 계면 결함은 종종 전류 밀도 전압 (J-V) 곡선에 꼬임을 일으켜 셀의 낮은 충진 계수 (FF)를 초래하여 태양 전지 성능에 해롭습니다. 이전에는 AgNWs와 CdS 버퍼 층(14) 사이에 추가적인 얇은 CdS 층(2nd CdS 계층)을 선택적으로 증착하여 이 문제를 해결하는 방법을 보고하였다. 추가 CdS 레이어의 통합은 AgNW 및 CdS 레이어 사이의 접합부에서 접촉 특성을 향상시켰습니다. 결과적으로, AgNW 네트워크의 반송파 수집이 크게 향상되었고, 셀 성능이 향상되었다. 이 프로토콜에서는 CIGS 박막 태양 전지에서 2nd CdS 층을 사용하여 AgNW 네트워크와 CdS 버퍼 층 간의 강력한 전기 적 접촉을 제조하는 실험 절차를 설명합니다.

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Protocol

1. DC 마그네트론 스퍼터링에 의한 모 코팅 유리 준비

  1. 세척된 유리 기판을 DC 마그네트론에 적재하고 4 x 10-6 Torr 이하로 펌프합니다.
  2. 유동 Ar 가스 및 작업 압력을 20 mTorr로 설정합니다.
  3. 플라즈마를 켜고 DC 출력 전력을 3kW로 늘립니다.
  4. 표적 세척을 위해 3분의 스퍼터링 을 한 후, 모 막 두께가 약 350 nm에 도달할 때까지 모 증착을 시작합니다.
  5. 동일한 출력 전력(즉, 3kW)을 유지하면서 작업 압력을 15mTorr로 설정합니다.
  6. Mo의 총 두께가 약 750 nm에 도달할 때까지 모 증착을 재개한다.

2. CIGS 흡수기 층 증착3단 응비에 의해

  1. 모 코팅 유리를 5 x 10-6 Torr보다 낮은 진공 하에서 예열된 공동 증발기로 적재합니다.
  2. 각각 2.5 Å/s, 1.3 Å/s 및 15 Å/s의 증착 속도를 산출하는 In, Ga 및 Se 삼출량 세포의 온도를 설정합니다.
    1. 석영 크리스탈 마이크로 밸런스 (QCM) 기술을 사용하여 증착 속도를 확인합니다. 증착 속도는 삼출 세포의 설정 온도 및 삼출 세포 내의 물질의 양에 의존한다.
  3. 450°C의 기판 온도에서 1 μm 두께(In,Ga)xSey 전구체 층을 형성하기 위해 모 코팅 유리상에 Ga 및 Se를 공급하기 시작한다. 증착 시간은 15 분 (즉, 1st 단계)입니다.
  4. In 및 Ga 소모품을 중지하고 기판 온도를 550°C로 증가시다.
  5. Cu (증착 속도 : 1.5 Å / s)를 (In,Ga)xSey 전구체에 공급하기 시작하고 필름의 Cu / (In + Ga) 조성 비가 1.15에 도달 할 때까지 계속합니다. Se 증착 속도는 2단계 (즉, 2 단계)를 통해 15 Å / s로 유지됩니다.
  6. Cu 공급을 중단하고 1st 스테이지와 동일한 증착 속도로 다시 In 및 Ga를 증발시키고 Cu/(In+Ga) 조성비가 0.9인 약 2 μm 두께의 CIGS 필름을 마침내 형성한다. 각각 15 Å/s 및 550 °C에서 Se 증착 속도와 기판 온도를 유지합니다. 이 단계의 증착 시간은 4 분 (즉 3rd 단계)입니다.
  7. 완전한 반응을 보장하기 위해, 550°C의 기판 온도에서 5분 동안 주변 Se(15 Å/s)하에서 증착된 CIGS 필름을 어닐레.
  8. 기판 온도를 주변 Se (15 Å / s)에서 450 °C로 냉각 한 다음 기판 온도가 250 ° C 미만일 때 CIGS 증착 기판을 언로드하십시오.

3. 화학 목욕 증착 (CBD) 방법을 사용하여 CIGS 흡수층상에서 CdS 완충층의 성장

  1. DI 물 97 mL, CD(CH3 COO) 2·2H2O,0.041 g의NH2CSNH2,CH3 COONH 4의0.155 g를 추가하여 250 mL비커로 CdS 반응 목욕 용액을 준비한다. 용액을 몇 분간 저어서 섞으세요. 첨가된 모든 용루가 완전히 용해되었는지 확인하십시오.
  2. NH4OH (28 % NH3)의 3 mL을 목욕 용액에 넣고 2 분 동안 용액을 저어 줍니다. 그림 1은 CdS용 CBD의 실험 설정을 보여줍니다.
  3. TEflon 샘플 홀더를 사용하여 CIGS 샘플을 반응 용액에 넣습니다.
  4. 반응욕을 65°C에서 유지된 수열조에 넣고 증착 과정에서 자기막대를 이용하여 200 rpm에서 반응 목욕용액을 교반한다.
  5. CIGS 상에서 약 70 내지 80 nm CdS 버퍼 층을 생성하기 위해 20분 동안 반응한다.
  6. 반응 후, 반응 욕조에서 샘플을 제거하고 DI 물의 흐름으로 씻어 내고 N2 가스로 건조시다.
  7. 120°C에서 시료를 30분 동안 열판상에 어닐로.

4. AgNW TCE 네트워크 제작

  1. 19 mL의 에탄올과 구매한 에탄올 계 AgNW 분산액(20 mg/mL)의 1 mL을 혼합하여 희석된 AgNW 분산액(1 mg/mL)을 준비합니다.
  2. 희석된 AgNW 분산액 0.2 mL를 CdS/CIGS 샘플(2.5 cm x 2.5 cm)에 부어 시료의 전체 표면을 덮고 샘플을 30s동안 1,000rpm으로 회전시다.
  3. 원하는 광학 및 전기적 특성을 달성하기 위해 필요에 따라 4.2 단계를 반복합니다. 아그나우스 3x스핀 코트. 스핀 코팅 AgNW TCE의 스캐닝 전자 현미경(SEM) 이미지는 2에 나타내었다.
  4. 스핀 코팅 후, 120°C에서 시료를 120°C에서 5분 동안 열판상에 어닐로.

5. 2nd CdS 층의 증착

  1. 3.1단계에서 설명한 바와 같이 새로운 CdS 반응 목욕 용액을 준비한다.
  2. 필요에 따라 반응 시간을 변경하는 것을 제외하고 섹션 3에서와 같이 CDS를 입금하십시오.
    참고: 반응 시간을 최적화하고 10분 만에 CIGS 장치가 최상의 성능을 발휘했습니다. CIGS 박막 태양 전지 장치 성능에 대한2nd CdS 증착 시간의 효과는 전작14에서확인할 수 있습니다.

6. 특성화 기술

  1. 현장 방출 SEM 및 투과 전자 현미경(TEM)에 의해 AgNWs 및 CdS 코팅 된 AgNWs의 표면 및 단면 형태를 특성화합니다.
  2. 태양 열 시뮬레이터(1,000W/m2, AM1.5G)가장착된 전류 전압 소스를 사용하여 태양전지 성능을 측정합니다.

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Representative Results

(a) 표준 ZnO:Al/i-ZnO 및 (b) AgNW TCE를 가진 CIGS 태양전지의 층 구조는 그림3에 도시되어 있다. CIGS의 표면 형태는 거칠고, 나노 스케일 갭은 AgNW 층과 기본 CdS 버퍼 층 사이에 형성될 수 있다. 도 3A에서강조한 바와 같이, 2nd CdS 층은 나노 스케일 갭상에 선택적으로 증착되어 안정적인 전기 적 접촉을 생성할 수 있다. 전기적 접촉의 형성 및 전기적 특성 및 장치 성능의 향상에 대한 자세한 설명은 참고 14에서 확인할 수 있다. 단면 SEM 및 TEM을 포함하는 AgNW 및 CdS 접합의 구조적 분석 및 상응하는 원소 매핑은 또한 참조 14에서 확인할 수 있다.

4는 CdS/CIGS 구조상에서 AgNW 네트워크에 증착된 2nd CdS 층을 따라 단면 TEM 이미지(a)와 (b) AgNW 네트워크에 증착된2nd CdS 층을 가로질러 나타낸다. CdS/CIGS 구조는 CIGS의 세분화된 구조로 인해 견고한 표면 형태를 보여줍니다. 따라서 베어 AgNWs는 공기 중정지되며 CdS 버퍼 레이어와의 안정적인 전기 적 접촉을 기대할 수 없습니다. 2nd CdS 층은 AgNWs의 표면에 균일하게 증착되고, 코어 쉘 AgNW(Ag@CdS NW) 구조상에 있는 CdS 층은 도 4B에도시된 바와 같이 생성된다. 또한, 2nd CdS 층은 도 4A의인셋에 나타난 바와 같이 CdS 버퍼 층과 AgNW 층 사이의 공기 갭을 채우고, 안정적인 전기 적 접촉을 달성한다.

도 5 1은 베어 AgNW 및 Ag@CdS NW TCI가 있는 CIGS 박막 태양전지의 장치 성능을 보여 준다. 불안정한 전기 접촉으로 인해 베어 AgNWs가 있는 셀은 장치 성능이 저하됩니다. 5의 J-V 특성에 나타난 바와 같이 2nd CdS 층의 증착은 셀 성능을 크게 향상시킵니다. Ag@CdS NW TCE를 가진 셀은 베어 AgNW TCE에 비해 장치 효율 및 FF가 50% 이상 증가한 것으로 나타났다.

Figure 1
그림 1: 화학 목욕 증착 설정. CIGS에 CdS의 화학 목욕 증착을 위한 실험 설정의 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: AgNW TCE의 SEM 이미지입니다. SEM 이미지는 CdS/CIGS/Mo 구조상의 스핀 코팅 AgNW TCE를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: CIGS 박막 태양 전지의 회로도. (A) ZnO를 가진 CIGS박막 태양 전지의 층 구조 :Al/i-ZnO TCO 및 (B) 2nd CdS 층을 가진 AgNW TCE. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: Ag@CdS NW의 구조 분석. (A) CdS/CIGS 구조의 Ag@CdS NW및 (B) 고해상도TEM 이미지를 따라 단면 TEM 이미지는 Ag@CdS NW에서 확인할 수 있습니다.

Figure 5
그림 5: 장치 성능 비교. 베어 AgNW 및 Ag@CdS NW TCI가 있는 CIGS 박막 태양전지의 J-V 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

VOC (V) JSC (mA/cm2) 효율성(%) FF (%)
베어 아그NW TCE 0.60 29.5 7.9 44세
Ag@CdS TCE 0.65 32.3 14.2 67.2

표 1: 장치 성능 데이터입니다. J-V 곡선에서 파생된 장치 성능에 대한 요약입니다.

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Discussion

최적의 셀 성능을 달성하기 위해 2nd CdS 층의 증착 시간을 최적화해야 합니다. 증착 시간이 증가함에 따라 2nd CdS 층의 두께가 증가하여 결과적으로 전기 접촉이 향상됩니다. 그러나, 2nd CdS 층의 추가 증착은 빛 흡수를 감소시키는 두꺼운 층을 초래할 것이고, 장치 효율은 감소할 것이다. 우리는 2nd CdS 층에 대한 증착 시간 10 분으로 최고의 세포 성능을 달성하고 더 긴 증착 시간으로 세포 효율이 감소한다는 것을 결정했습니다.

우리의 방법을 평가하기 위해, 우리는 그림 3A14에설명된 바와 같이, Ag@CdS NW 기반 CIGS 태양 전지의 장치 성능을 스퍼터드 ZnO:Al/i-ZnOl TCO를 가진 표준 CIGS 태양전지의 장치 성능과 비교했습니다. J-V 특성은 거의 동일했고 전반적인 장치 성능은 매우 유사했습니다. 이 결과는 당사의 솔루션 공정 방법이 고성능 박막 태양 전지를 생산할 수 있음을 증명합니다.

AgNW TCE의 전기적 특성을 향상시키기 위해 유익한 매트릭스의 혼입을 포함한 다양한 방법이 적용되었다. 이 프로토콜에 설명된 방법은 CIGS 박막 태양 전지에서 AgNWs와 기본 CdS 버퍼 층 사이의 전기 접촉 특성을 향상시키기 위해 간단하고 효과적입니다. 향상된 접접촉 특성으로 인해 태양전지 성능이 크게 향상되었습니다. 이 방법은 CdS/CIGS 시스템에 적용되도록 설계되었지만 CdS/CIGS 시스템에만 국한되지 않습니다. 적절한 CBD 방법이 생성되면, 우리의 방법은 AgNWs와 chalcogenide 박막 태양 전지의 버퍼 층 사이의 고품질 전기 접촉을 만들기 위해 적용 될 수있다.

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Disclosures

저자는 그들이 경쟁 적인 재정적 이익이 없다고 선언합니다.

Acknowledgments

이 연구는 한국에너지연구원(KIER)의 사내 연구개발 프로그램과 한국에너지연구원(NRF)의 지원을 받아 한국에너지연구원(NRF)을 통한 기초과학연구프로그램을 통해 지원되었다. 교육 (그랜트 NRF-2016R1D1A1B0393440).

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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