Cu(In,Ga)Se2薄膜太陽電池における銀ナノワイヤー電極とCdSバッファー層間の堅牢なナノスケール接触の製造

Engineering

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Summary

本プロトコルでは、CIGS薄膜太陽電池における銀ナノワイヤネットワークとCdSバッファ層との間の堅牢なナノスケール接触の製造のための詳細な実験手順について述べた。

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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

銀ナノワイヤー透明電極は、Cu(In,Ga)Se2薄膜太陽電池の窓層として採用されている。ベア銀ナノワイヤー電極は、通常、非常に悪い細胞性能をもたらす。インジウムスズ酸化物や酸化亜鉛などの適度な導電性透明材料を使用して銀ナノワイヤを埋め込んだり挟んだりすると、細胞の性能を向上させることができます。しかし、溶液処理されたマトリックス層は、透明な電極とCdSバッファの間にかなりの数の界面欠陥を引き起こす可能性があり、最終的には低い細胞性能をもたらす可能性があります。この原稿では、Cu(In,Ga)Se2太陽電池における銀ナノワイヤー電極と基礎となるCdSバッファー層との間の堅牢な電気的接触を製造する方法について説明し、マトリックスフリーの銀ナノワイヤ透明を使用して高い細胞性能を実現する方法を説明します。電極。本手法で製造されたマトリックスフリーの銀ナノワイヤ電極は、銀ナノワイヤー電極系細胞の電荷担体収集能力が、スパッタ付きZnO:Al/i-ZnOを有する標準細胞と同じくらい優れた性能を有することを証明している。CdSは、高品質の電気接点を持っています。高品質の電気接触は、銀ナノワイヤー表面に10nmの薄い追加のCdS層を堆積することによって達成された。

Introduction

銀ナノワイヤー(AgNW)ネットワークは、従来の透明導電酸化物(TCIO)に比べた低い処理コストの面で優位性を有するため、酸化インジウムスズ(ITO)透明導電膜の代替として広く研究されてきた。より良い機械的柔軟性。溶液処理AgNWネットワーク透明導電電極(TCE)は、Cu(In,Ga)Se2(CIGS)薄膜太陽電池1、2、3、4、5に採用されています。 ,6.溶液処理されたAgNW TCは、通常、PEDOTのような導電性マトリックスで組み込みAgNWまたはサンドイッチAgNW構造の形で製造される:PSS、ITO、ZnO、等の7、8、9、 10,11マトリックス層は、AgNWネットワークの空きスペースに存在する電荷キャリアのコレクションを強化することができる。

しかしながら、マトリックス層は、CIGS薄膜太陽電池12,13において、マトリックス層と基礎となるCdSバッファー層との間に界面欠陥を生成することができる。界面欠陥は、多くの場合、電流密度電圧(J-V)曲線にキンクを引き起こし、その結果、太陽電池の性能に悪影響を及ぼすセル内の低充填因子(FF)を生じます。以前に、AgNWs と CdS バッファー層14の間に追加のシン CdS 層 (2nd CdS 層) を選択的にデポジットすることで、この問題を解決する方法を報告しました。追加の CdS レイヤーの組み込みにより、AgNW 層と CdS 層の接合部の接触プロパティが強化されました。その結果、AgNWネットワークにおけるキャリア収集が大幅に改善され、セル性能が向上しました。本プロトコルでは、CIGS薄膜太陽電池における2nd CdS層を用いてAgNWネットワークとCdSバッファ層との間の堅牢な電気的接触を製造するための実験手順について述べた。

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Protocol

1. DCマグネトロンスパッタリングによるモーコーティングガラスの調製

  1. 洗浄されたガラス基板をDCマグネトロンにロードし、4 x 10-6 Torr以下までポンプでくみます。
  2. フローArガスと20 mTorrに動作圧力を設定します。
  3. プラズマをオンにし、DC出力電力を3kWに上します。
  4. 標的洗浄のために3分間のプレスパッタリング後、Moフィルムの厚さが約350nmに達するまでMo蒸着を開始する。
  5. 同じ出力電力(3 kW)を維持しながら、動作圧力を15 mTorrに設定します。
  6. Mo の合計厚さが約 750 nm に達するまで、Mo 堆積を再開します。

2. 3段階のコエバレーションによるCIGS吸収層堆積

  1. 5 x 10-6 Torrより低い真空下で予熱された共蒸発器にMoコーティングされたガラスをロードする。
  2. それぞれ 2.5 Å/s、1.3 Å/s、および 15 Å/s の堆積速度を得る In、Ga、および Se 流出セルの温度を設定します。
    1. 石英結晶マイクロバランス(QCM)技術を使用して堆積率を確認します。沈着率は、噴出細胞の設定温度と噴出細胞内の材料量に依存します。
  3. 450°Cの基板温度で1μm厚(In,Ga)x Sey前駆体層を形成するために、Mo被覆ガラス上にIn、GaおよびSeを供給し始める。堆積時間は15分(すなわち、第1段階)である。
  4. インおよびGaの供給を停止し、550 °Cに基板温度を上げます。
  5. Cu(蒸着速度:1.5Å/s)を(In,Ga)x Sey前駆体に供給し、フィルムのCu/(イン+Ga)組成比が1.15に達するまで継続する。セ堆積率は、2番目のステージ(すなわち、第2段階)を通じて15Å/sで維持される点に注意してください。
  6. Cu/(In+Ga)組成比0.9の約2μm厚のCIGSフィルムを最終的に形成するために、第1段階と同じ堆積率でCuとGaの供給を停止し、再び蒸発します。セ堆積速度と基板温度をそれぞれ15Å/sおよび550°Cに維持します。この段階の堆積時間は4分(すなわち第3段階)である。
  7. 完全な反応を確実にするために、550°Cの基板温度で5分間、周囲Se(15Å/s)の下に堆積したCIGSフィルムをアニールします。
  8. 基板温度を周囲Se(15Å/s)下で450°Cに冷却し、基板温度が250°C未満の場合はCIGS堆積基板をアンロードします。

3. 化学浴堆積法(CBD)法を用いたCIGS吸収層上のCdS緩衝層の増殖

  1. 97mLのDI水、0.079gのCD(CH3 COO)2・2H2O、NH2 CSNH2の0.041g、CH3 COONH4の0.155gを加えて250mLビーカーでCdS反応浴液を調出す。溶液を数分間かき混ぜて混ぜます。追加されたすべての溶水が完全に溶解していることを確認します。
  2. NH4OH(28%NH3)の3mLを浴槽溶液に加え、2分間溶液をかき混ぜると、図1はCdS用CBDの実験セットアップを示す。
  3. CIGSサンプルをテフロンサンプルホルダーを用いて反応浴液に入れます。
  4. 65°Cで維持された水温浴に反応浴を入れ、蒸着プロセス中に磁気棒を使用して200rpmで反応浴液をかき混ぜます。
  5. 20 分間反応して、CIGS 上に約 70 ~ 80 nm の CdS バッファー層を生成します。
  6. 反応後、反応槽から試料を取り出し、DI水の流れで洗浄し、N2ガスで乾燥させます。
  7. ホットプレート上で30分間120°Cでサンプルをアニールします。

4. AgNW TCEネットワークの製造

  1. 19 mLのエタノールを1mLのエタノール系AgNW分散液(20mg/mL)と混合して希釈したAgNW分散液(1mg/mL)を調製する。
  2. 希釈されたAgNW分散液の0.2 mLをCdS/CIGSサンプル(2.5cm x 2.5 cm)に注ぎ、サンプルの全面を覆い、30sの1,000 rpmでサンプルを回転させます。
  3. 必要に応じてステップ 4.2 を繰り返し、目的の光学的および電気的特性を達成します。AgNWs 3xをスピンコートします。スピンコーティングされたAgNW TCEの走査型電子顕微鏡(SEM)画像を図2に示す。
  4. スピンコーティング後、ホットプレート上で5分間120°Cで試料をアニールします。

5. 2番目の CdS 層の堆積

  1. ステップ3.1で説明するように、新しいCdS反応浴液を調べなさい。
  2. セクション3のようにCdSを堆積するが、必要に応じて反応時間を変更する。
    注:我々は反応時間を最適化し、10分は最高の性能を持つCIGSデバイスに起因しました。CIGS薄膜太陽電池デバイスの性能に対する2nd CdS堆積時間の効果は、前作14.

6. 特性化技術

  1. フィールド放出SEMおよび透過電子顕微鏡(TEM)によるAgNWおよびCdSコーティングされたAgVWの表面および断面形態を特徴付けする。
  2. ソーラーシミュレータ(1,000W/m 2、AM1.5G)を搭載した電流電圧源を使用して太陽電池の性能を測定します。

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Representative Results

(a) 標準 ZnO:Al/i-ZnO および (b) AgNW TCE を持つ CIGS 太陽電池の層構造を図 3に示します。CIGSの表面形態は粗く、AgNW層と基礎となるCdSバッファ層との間にナノスケールのギャップが形成される可能性があります。図3Aで強調されているように、2番目のCdS層をナノスケールギャップ上に選択的に堆積させることで、安定した電気的接触を作成することができる。電気接点の形成および電気的特性および装置性能の向上に関する詳細な説明は、参照14に見出すことができる。AgNWおよびCdS接会の構造解析(断面SEMおよびTEMを含む)、および対応する元素マッピングもリファレンス14に見出すことができる。

図 4は、CdS/CIGS 構造上の AgNW ネットワーク上に堆積された 2番目の CdS 層に沿った断面 TEM イメージ (a) と、AgNW ネットワーク上に堆積した 2番目の CdS 層全体の (b) を示しています。CdS/CIGS構造はCIGSの粒状構造による険しい表面形態を示す。したがって、裸のAgNWは空気中で懸濁され、CdSバッファ層との安定した電気的接触は期待できません。2番目のCdS 層は AgNWs の表面に均一に堆積され、コア シェル AgNW (Ag@CdS NW) 構造の CdS 層は図 4Bに示すように生成されます。さらに、第2のCdS層は、図4Aのインセットに示すように、CdSバッファ層とAgNW層との間の空気ギャップを埋め、安定した電気的接触が達成される。

図5および表1は、裸のAgNWおよびAg@CdS NW TCEsを備えたCIGS薄膜太陽電池のデバイス性能を示す。電気的接触が不安定なため、ベアAgVWを搭載したセルはデバイスの性能が低下します。図5のJ-V特性に示すように、2nd CdS層の堆積は細胞の性能を大幅に向上させる。Ag@CdS NW TCEを持つセルは、裸のAgNW TCEと比較して、デバイス効率とFFの50%以上の増加を示しました。

Figure 1
図1:化学風呂堆積セットアップ。CIGS上のCdSの化学浴堆積のための実験セットアップの画像。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図 2: AgNW TCE の SEM イメージ。SEMイメージは、CdS/CIGS/Mo構造上のスピンコーティングされたAgNW TCEを示しています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:CIGS薄膜太陽電池の概略図。(A)ZnO:Al/i-ZnO TCOおよび(B)AgNW TCEを用いたCIGS薄膜太陽電池の層構造を2番目のCdS層と共にする。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図 4: Ag@CdS NW の構造解析(A) CdS/CIGS 構造上の Ag@CdS NW に沿った断面 TEM イメージと (B) Ag@CdS NW 全体の高解像度 TEM イメージを表示するには、ここをクリックしてこの図の大きなバージョンを表示してください。

Figure 5
図 5: デバイスのパフォーマンスの比較。裸のAgNWおよびAg@CdS NW TCが付いているCIGS薄膜太陽電池のJ-V特徴。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

セル VOC (V) JSC (mA/cm2) 効率性(%) FF (%)
ベア アグワン TCE 0.60年 29.5年 7.9年 44歳
アグ@CdS TCE 0.65年 32.3歳 14.2年 67.2歳

表 1: デバイスのパフォーマンス データ。J-V カーブから派生したデバイスのパフォーマンスの概要。

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Discussion

最適なセルパフォーマンスを達成するには、2番目の CdS 層の堆積時間を最適化する必要があります。堆積時間が大きくなるにつれて、2番目のCdS層の厚さが増し、その結果、電気的接触が改善されます。しかし、2番目のCdS層のさらなる堆積は、光吸収を減少させる厚い層をもたらし、デバイスの効率が低下します。2nd CdS層の堆積時間10分で最高の細胞性能を達成し、堆積時間が長くなるとともに細胞効率が低下することを決定しました。

我々の方法を評価するために、Ag@CdS NWベースのCIGS太陽電池のデバイス性能を、図3A14に記載されているように、スパッタ付きZnO:Al/i-ZnOl TCOを用いた標準的なCIGS太陽電池のデバイス性能と比較した。J-Vの特性はほぼ等しく、デバイス全体の性能は非常に類似していました。この結果は、当社の溶液プロセス法が高性能薄膜太陽電池を作り出すことができることを証明する。

助成マトリックスの組み込みを含むAgNW TCEの電気的特性を高めるために、様々な方法が適用されている。このプロトコルに記載されている方法は、CIGS薄膜太陽電池におけるAgVWと基礎となるCdSバッファ層との間の電気接触特性を高めるために簡単かつ効果的である。接触性が高いため、太陽電池の性能が大幅に向上します。この方法は、CdS/CIGS システムに適用するように設計されていますが、CdS/CIGS システムに限定されません。適切なCBD法を作成すると、我々の方法は、AgNWとカルコゲニド薄膜太陽電池の緩衝層との間に高品質の電気的接触を作成するために適用することができます。

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Disclosures

著者らは、彼らが競合する金銭的利益を持っていないと宣言します。

Acknowledgments

本研究は、韓国エネルギー研究所(KIER)の社内研究開発プログラム(B9-2411)と韓国国立研究財団(NRF)の助成を受けた基礎科学研究プログラムの支援を受けた。教育(グラント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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