Fabbricazione di robusto contatto nanoscala tra un'elettroda Nanowire d'argento e CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 thin-film Solar Cells

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Summary

In questo protocollo, descriviamo la procedura sperimentale dettagliata per la fabbricazione di un robusto contatto su nanoscala tra una rete di nanofili d'argento e lo strato di buffer CdS in una cella solare ciGS a film sottile.

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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

Gli elettrodi trasparenti in nanofilo d'argento sono stati impiegati come strati di finestre per le celle solari Cu(In,Ga)Se2 a film sottile. Gli elettrodi nanofili a fine argento normalmente si traducono in prestazioni cellulari molto scarse. L'incorporamento o l'inserimento di nanofili d'argento con materiali trasparenti moderatamente conduttivi, come l'ossido di stagno indio o l'ossido di zinco, può migliorare le prestazioni delle cellule. Tuttavia, gli strati di matrice elaborati dalla soluzione possono causare un numero significativo di difetti interfacciali tra elettrodi trasparenti e il buffer CdS, che alla fine può comportare prestazioni ridotte. Questo manoscritto descrive come fabbricare un robusto contatto elettrico tra un elettrodo nanofilo d'argento e lo strato di buffer CdS sottostante in una cella solare Cu(In,Ga)Se2, consentendo prestazioni cellulari elevate utilizzando nanofilo d'argento privo di matrice trasparente trasparente Elettrodi. L'elettrodo nanofilo d'argento privo di matrice fabbricato con il nostro metodo dimostra che la capacità di raccolta del vettore di carica delle cellule a base di elettrodo nanofilo d'argento è buona come quella delle cellule standard con sputtered CdS hanno un contatto elettrico di alta qualità. Il contatto elettrico di alta qualità è stato ottenuto depositando uno strato aggiuntivo di CdS sottile come 10 nm sulla superficie del nanofilo d'argento.

Introduction

Le reti di nanofili d'argento (ANW) sono state ampiamente studiate come alternativa all'indiotto stagno di stagno (ITO) che conducono pellicole sottili trasparenti a causa dei loro vantaggi rispetto agli ossidi conduttori trasparenti convenzionali (TCO) in termini di minori costi di elaborazione e migliore flessibilità meccanica. La rete AgNW in modo trasparente elaborato in soluzione sono stati quindi impiegati nelle celle solari a film sottile Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)1,2,3,4,5 , 6. Le ETE AgNW trattate dalla soluzione sono normalmente fabbricate sotto forma di strutture embedded-AgNW o sandwich-AgNW in una matrice conduttiva come PEDOT:PSS, ITO, nO, ecc.7,8,9, 10,11 I livelli della matrice possono migliorare la raccolta dei vettori di carica presenti negli spazi vuoti della rete AgNW.

Tuttavia, gli strati della matrice possono generare difetti interfacciali tra il livello della matrice e lo strato di buffer CdS sottostante nelle celle solari a film sottile CIGS12,13. I difetti interfacciali spesso causano una piega nella curva densità-tensione corrente (J-V), con conseguente basso fattore di riempimento (FF) nella cella, che è dannoso per le prestazioni delle celle solari. In precedenza abbiamo segnalato un metodo per risolvere questo problema depositando in modo selettivo un ulteriore livello CdS sottile (2nd livello CdS) tra gli AGW e il livello di buffer CdS14. L'incorporazione di un ulteriore livello CdS ha migliorato le proprietà di contatto nel nodo tra i layer AgNW e CdS. Di conseguenza, la raccolta carrier nella rete AgNW è stata notevolmente migliorata e le prestazioni delle celle sono state migliorate. In questo protocollo, descriviamo la procedura sperimentale per fabbricare un robusto contatto elettrico tra la rete AgNW e lo strato di buffer CdS utilizzando uno strato 2nd CdS in una cella solare ciGS a film sottile.

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Protocol

1. Preparazione di vetro rivestito in moe da DC magnetron sputtering

  1. Caricare i substrati di vetro puliti in un magnetron DC e pompare fino a sotto 4 x 10-6 Torr.
  2. Flusso Ar gas e impostare la pressione di lavoro a 20 mTorr.
  3. Accendere il plasma e aumentare la potenza di uscita DC a 3 kW.
  4. Dopo il pre-sputtering di 3 min per la pulizia del bersaglio, iniziare la deposizione Mo fino a quando lo spessore della pellicola Mo raggiunge circa 350 nm.
  5. Impostare la pressione di lavoro su 15 mTorr mantenendo la stessa potenza di uscita (cioè 3 kW).
  6. Riprendere la deposizione Mo fino a quando lo spessore totale di Mo raggiunge circa 750 nm.

2. Deposizione dello strato di assorbitore CIGS mediante una coevaporazione in tre fasi

  1. Caricare il vetro rivestito Mo in un coevaporatore preriscaldato sotto un vuoto inferiore a 5 x 10-6 Torr.
  2. Impostare le temperature delle celle di effusione In, Ga e Se producendo tassi di deposizione rispettivamente di 2,5 s/s, 1,3 e 15 z/s.
    1. Controllare i tassi di deposizione utilizzando la tecnica del microbilanciamento del cristallo di quarzo (QCM). I tassi di deposizione dipendono dalla temperatura impostata delle cellule di effusione e dalla quantità di materiali nelle cellule di effusione.
  3. Iniziare a fornire In, Ga e Se sul vetro rivestito in Mo per formare uno strato precursore di 1 m di spessore (In,Ga)xSey alla temperatura del substrato di 450 gradi centigradi. Il tempo di deposizione è di 15 min (vale a dire, 1st fase).
  4. Arrestare le forniture In e Ga e aumentare la temperatura del substrato a 550 gradi centigradi.
  5. Iniziare a fornire Cu (tasso di deposizione: 1,5 s/s) sul precursore (In,Ga)xSey e continuare fino a quando il rapporto di composizione Cu/(In s Ga) del film raggiunge 1,15. Si noti che il tasso di deposizione Se viene mantenuto da 15 a 15 anni attraverso la seconda fase (vale a dire, 2nd fase).
  6. Smettere di fornire Cu ed evaporare In e Ga con gli stessi tassi di deposizione come il 1st stadio per formare finalmente un film CIGS di circa 2 m di spessore con rapporto di composizione Cu/(In-Ga) di 0,9. Mantenere il tasso di deposizione Se e la temperatura del substrato rispettivamente a 15 e 550 gradi centigradi. Il tempo di deposizione di questa fase è di 4 min (vale a dire 3rd fase).
  7. Al fine di garantire una reazione completa, anneal la pellicola CIGS depositata sotto l'ambiente Se (15 s/ s) per 5 minuti alla temperatura del substrato di 550 gradi centigradi.
  8. Raffreddare la temperatura del substrato a 450 gradi centigradi nell'ambiente Se (15 s/s) e quindi scaricare il substrato depositato CIGS quando la temperatura del substrato è inferiore a 250 .

3. Crescita dello strato di buffer CdS sullo strato assorbitore CIGS utilizzando un metodo di deposizione del bagno chimico (CBD)

  1. Preparare la soluzione del bagno di reazione CdS in un becher da 250 mL aggiungendo 97 mL di acqua DI, 0,079 g di Cd(CH3COO)2- 2H2O, 0.041 g di NH2CSNH2e 0,155 g di CH3COONH4. Mescolare la soluzione per alcuni minuti per mescolare. Assicurarsi che tutti i soluti aggiunti siano completamente dissolti.
  2. Aggiungere 3 mL di NH4OH (28% NH3) nella soluzione di bagno e mescolare la soluzione per 2 min. Figura 1 mostra la configurazione sperimentale di CBD per CdS.
  3. Inserire il campione CIGS nella soluzione del bagno di reazione utilizzando un supporto campione di Teflon.
  4. Mettete il bagno di reazione nel bagno di calore dell'acqua mantenuto a 65 gradi centigradi e mescolate la soluzione del bagno di reazione a 200 giri/min utilizzando una barra magnetica durante il processo di deposizione.
  5. Reagire per 20 min per generare un livello di buffer CdS di circa 70-80 nm sul CIGS.
  6. Dopo la reazione, rimuovere il campione dal bagno di reazione, lavare con un flusso di acqua DI e asciugare con N2 gas.
  7. Anneal il campione a 120 gradi centigradi per 30 min su una piastra calda.

4. Fabbricazione della rete AgNW TCE

  1. Preparare una dispersione AgNW diluita (1 mg/mL) mescolando 19 mL di etanolo con 1 mL di una dispersione AgNW a base di etanolo acquistata (20 mg/mL).
  2. Versare 0,2 mL della dispersione AgNW diluita su un campione CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) per coprire l'intera superficie del campione e ruotare il campione con 1.000 giri per 30 s.
  3. Ripetere il passaggio 4.2 in base alle esigenze per ottenere le proprietà ottiche ed elettriche desiderate. Ruotare l'AGWs 3x. Un'immagine di microscopia elettronica a scansione (SEM) di AgNW TCE rivestita in spin è illustrata nella Figura 2.
  4. Dopo il rivestimento a rotazione, annelare il campione a 120 gradi centigradi per 5 min su una piastra calda.

5. Deposizione del livello 2nd CdS

  1. Preparare una nuova soluzione per il bagno di reazione CdS come descritto nel passaggio 3.1.
  2. Depositare CdS come nella sezione 3, ad eccezione di modificare il tempo di reazione in base alle esigenze.
    NOTA: abbiamo ottimizzato il tempo di reazione e 10 min ha portato al dispositivo CIGS con le migliori prestazioni. L'effetto del tempo di deposizione di 2nd CdS sulle prestazioni di un dispositivo con celle solari a pellicola sottile CIGS può essere trovato nel nostro lavoro precedente14.

6. Tecniche di caratterizzazione

  1. Caratterizzare la morfologia superficiale e trasversale di AGW e AGW rivestiti in CdS per emissione di campo SEM e microscopia elettronica di trasmissione (TEM).
  2. Misurare le prestazioni delle celle solari utilizzando una fonte di corrente-tensione dotata di un simulatore solare (1.000 W/m2, AM1.5G).

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Representative Results

Le strutture di strati delle celle solari CIGS con (a) standard nO:Al/i-'nO e (b) AgNW TCE sono mostrate nella Figura 3. La morfologia superficiale del CIGS è ruvida e può formarsi uno spazio su nanoscala tra lo strato AgNW e lo strato di buffer CdS sottostante. Come evidenziato nella Figura 3A, lo strato 2nd CdS può essere depositato selettivamente sul divario su nanoscala per creare un contatto elettrico stabile. La spiegazione dettagliata sulla formazione del contatto elettrico e il miglioramento delle proprietà elettriche e delle prestazioni del dispositivo si trova nel riferimento 14. L'analisi strutturale della giunzione AgNW e CdS, comprese le seM trasversali e TEM, e la corrispondente mappatura elementare sono disponibili anche nel riferimento 14.

La figura 4 mostra le immagini TEM trasversali (a) lungo il secondo livello CdS depositato sulla rete AgNW sulla struttura CdS/CIGS e (b) attraverso il secondo livello CdS depositato sulla rete AgNW. La struttura CdS/CIGS mostra una fmitologia superficiale robusta a causa della struttura granulare del CIGS. Di conseguenza, gli AgNW nudi sono sospesi nell'aria e non ci si può aspettare un contatto elettrico stabile con lo strato di buffer CdS. Il livello 2nd CdS viene depositato uniformemente sulla superficie degli ANW e il livello CdS sulla struttura agW core-shell viene prodotto come illustrato nella Figura 4B. Inoltre, il secondo strato CdS riempie gli spazi d'aria tra lo strato di buffer CdS e lo strato AgNW, come mostrato nell'insetto della Figura 4A, e si ottiene un contatto elettrico stabile.

La figura 5 e la tabella 1 mostrano le prestazioni del dispositivo di una cella solare a film sottile CIGS con TCE AgNW e Ag-CdS NW. A causa del contatto elettrico instabile, la cella con AGNW nuda ha scarse prestazioni del dispositivo. La deposizione di un livello CdS di 2nd migliora notevolmente le prestazioni delle celle, come illustrato nelle caratteristiche J-V nella Figura 5. La cella con l'Ag-CdS NW TCE ha mostrato un aumento superiore al 50% nell'efficienza del dispositivo e FF rispetto alla Nuda AgNW TCE.

Figure 1
Figura 1: Impostazione della deposizione del bagno chimico. Un'immagine della configurazione sperimentale per la deposizione di CdS su CIGS. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: Un'immagine SEM di AgNW TCE. L'immagine SEM mostra la AgNW TCE rivestita a spin sulla struttura CdS/CIGS/Mo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Diagramma schematico delle celle solari a film sottile CIGS. Struttura a strati di una cella solare a film sottile CIGS con (A) NO:Al/i-nO TCO e (B) AgNW TCE con uno strato di 2nd CdS. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Analisi strutturale di Ag-CdS NW. (A) Immagine TEM trasversale lungo un'unità TEM trasversale su una struttura CdS/CIGS e (B) immagine TEM ad alta risoluzione su un'immagine TEM ad alta risoluzione di Ag-CdS.

Figure 5
Figura 5: Confronto delle prestazioni del dispositivo. Caratteristiche J-V delle celle solari a film sottile CIGS con Le TCOM ANW e Ag-CdS NW. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

cellula VOC (V) JSC (mA/cm2) Efficienza (%) FF (%)
TCE AGa nuda 0,60 (in inglese) 29.5 299 (1) 7.9 Della pesiglia () 44 (di sistema)
TCE di Ag-CdS 0,65 (in inglese) 32.3 14.2 1999 67.2

Tabella 1: dati sulle prestazioni del dispositivo. Un riepilogo delle prestazioni del dispositivo derivate dalle curve J-V.

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Discussion

Si noti che il tempo di deposizione del livello 2nd CdS deve essere ottimizzato per ottenere prestazioni ottimali delle celle. Con l'aumentare del tempo di deposizione, aumenta lo spessore del livello 2nd CdS e, di conseguenza, il contatto elettrico migliorerà. Tuttavia, un'ulteriore deposizione dello strato 2nd CdS si tradurrà in uno strato più spesso che riduce l'assorbimento della luce e l'efficienza del dispositivo diminuirà. Abbiamo raggiunto le migliori prestazioni cellulari con 10 min di tempo di deposizione per il secondo livello CdS e abbiamo determinato che l'efficienza delle celle diminuiva con tempi di deposizione più lunghi.

Per valutare il nostro metodo, abbiamo confrontato le prestazioni del dispositivo della cella solare CIGS basata su Ag-CdS NW con quella di una cella solare CIGS standard con un TCO sputtered nO:Al/i-'nOl, come descritto nella Figura 3A14. Le caratteristiche di J-V erano quasi uguali, e le prestazioni complessive del dispositivo erano molto simili. Questo risultato dimostra che il nostro metodo di processo di soluzione può produrre una cella solare a film sottile ad alte prestazioni.

Sono stati applicati vari metodi per migliorare le proprietà elettriche di AgNW TCE, tra cui l'incorporazione di matrice favorevole. Il metodo descritto in questo protocollo è semplice ed efficace per migliorare la proprietà del contatto elettrico tra AgNW e lo strato di buffer CdS sottostante nella cella solare a pellicola sottile CIGS. Grazie alla proprietà di contatto migliorata, le prestazioni delle celle solari sono notevolmente migliorate. Il metodo è progettato per essere applicato al sistema CdS/CIGS, ma non è limitato al sistema CdS/CIGS. Quando viene creato un metodo CBD appropriato, il nostro metodo può essere applicato per creare un contatto elettrico di alta qualità tra Gli ALeggi e lo strato di buffer nelle celle solari a film sottile di calccogenide.

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Disclosures

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Acknowledgments

Questa ricerca è stata sostenuta dal Programma di Ricerca e Sviluppo In-House del Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) e dal Basic Science Research Program attraverso la National Research Foundation of Korea (NRF) finanziato dal Ministero della Istruzione (Grant 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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