Fabricación de contacto robusto a nanoescala entre un electrodo de nanohilo de plata y una capa de búfer CdS en Cu(In,Ga)Se2 Thin-film Solar Cells

Engineering

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Summary

En este protocolo, describimos el procedimiento experimental detallado para la fabricación de un contacto robusto a nanoescala entre una red de nanohilos de plata y la capa de búfer CdS en una célula solar de película delgada CIGS.

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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

Los electrodos transparentes nanohilos de plata se han empleado como capas de ventana para células solares de película delgada Cu(In,Ga)Se 2. Los electrodos nanohilos de plata desnuda normalmente resultan en un rendimiento celular muy pobre. La incrustación o emparedado de nanohilos de plata utilizando materiales transparentes moderadamente conductivos, como el óxido de estaño de indio u óxido de zinc, puede mejorar el rendimiento celular. Sin embargo, las capas de matriz procesadas por la solución pueden causar un número significativo de defectos interfaciales entre los electrodos transparentes y el búfer CdS, lo que eventualmente puede resultar en un bajo rendimiento celular. Este manuscrito describe cómo fabricar un contacto eléctrico robusto entre un electrodo de nanohilo de plata y la capa de amortiguación CdS subyacente en una celda solar Cu(In,Ga)Se 2, lo que permite un alto rendimiento celular utilizando nanohilos de plata sin matriz transparente Electrodos. El electrodo de nanohilo de plata sin matriz fabricado por nuestro método demuestra que la capacidad de recolección de portadoras de carga de células basadas en electrodos de nanohilo de plata es tan buena como la de las células estándar con ZnO:Al/i-ZnO estan a la misma y Los CdS tienen contacto eléctrico de alta calidad. El contacto eléctrico de alta calidad se logró depositando una capa CdS adicional tan delgada como 10 nm sobre la superficie de nanohilo de plata.

Introduction

Las redes de nanohilos de plata (AgNW) se han estudiado ampliamente como una alternativa a la realización de películas delgadas de óxido de estaño indio (ITO) debido a sus ventajas sobre los óxidos de conducción transparentes convencionales (TTO) en términos de menor costo de procesamiento y menor costo de procesamiento y mayor flexibilidad mecánica. Así, se han empleado electrodos de conducción transparente (ECT) de red AgNW procesados en solución en células solares de película delgada Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)1,2,3,4,5 , 6. Las ECT AgNW procesadas en solución se fabrican normalmente en forma de estructuras integradas AgNW o sandwich-AgNW en una matriz conductora como PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 Las capas de matriz pueden mejorar que la recogida de los portadores de carga presentes en los espacios vacíos de la red AgNW.

Sin embargo, las capas de matriz pueden generar defectos interfaciales entre la capa de matriz y la capa de búfer CdS subyacente en las células solares de película delgada CIGS12,13. Los defectos interfaciales a menudo causan una torcedura en la curva de voltaje de densidad de corriente (J-V), lo que resulta en un factor de llenado bajo (FF) en la célula, que es perjudicial para el rendimiento de las células solares. Previamente informamos de un método para resolver este problema mediante el depósito selectivo de una capa cdS delgada adicional (2nd Capa CdS) entre los AgNW y la capa de búfer de CdS14. La incorporación de una capa CdS adicional mejoró las propiedades de contacto en la unión entre las capas AgNW y CdS. En consecuencia, la colección de portadoras en la red AgNW se mejoró considerablemente, y se mejoró el rendimiento de la célula. En este protocolo, describimos el procedimiento experimental para fabricar un contacto eléctrico robusto entre la red AgNW y la capa de búfer CdS utilizando una capa de 2nd CdS en una célula solar de película delgada CIGS.

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Protocol

1. Preparación de vidrio recubierto de Mo por el sputtering de magnetrón DC

  1. Cargue los sustratos de vidrio limpiados en un magnetrón de CC y bombee hasta menos 4 x 10-6 Torr.
  2. Flujo Ar gas y establecer la presión de trabajo a 20 mTorr.
  3. Encienda el plasma y aumente la potencia de salida de CC a 3 kW.
  4. Después de pre-sputtering de 3 min para la limpieza del objetivo, comenzar la deposición Mo hasta que el espesor de la película Mo alcanza aproximadamente 350 nm.
  5. Ajuste la presión de trabajo a 15 mTorr manteniendo la misma potencia de salida (es decir, 3 kW).
  6. Reanudar la deposición Mo hasta que el espesor total de Mo alcance aproximadamente 750 nm.

2. Deposición de la capa absorbente CIGS por medio de una coevaporación en tres etapas

  1. Cargue el vidrio recubierto De en un coevaporador precalentado bajo un vacío inferior a 5 x 10-6 Torr.
  2. Establezca las temperaturas de las celdas de derrame In, Ga y Se que producen tasas de deposición de 2,5 o/s, 1,3 o/s y 15 o/s, respectivamente.
    1. Compruebe las tasas de deposición utilizando la técnica de microbalanza de cristal de cuarzo (QCM). Las tasas de deposición dependen de la temperatura establecida de las células de derrame y de la cantidad de materiales en las celdas de derrame.
  3. Comience a suministrar In, Ga y Se en el vidrio recubierto de Mo para formar una capa precursora de 1 m de espesor (In,Ga)xSey a la temperatura del sustrato de 450 oC. El tiempo de deposición es de 15 min (es decir, 1 a etapa).
  4. Detenga los suministros In y Ga y aumente la temperatura del sustrato a 550 oC.
  5. Comience a suministrar Cu (tasa de deposición: 1,5 o/s) en el precursor (In,Ga)xSey y continúe hasta que la relación compositiva Cu/(In + Ga) de la película alcance 1.15. Tenga en cuenta que la tasa de deposición Se se mantiene en 15 s/s a través de la 2a etapa (es decir, 2a etapa).
  6. Deje de suministrar Cu y evapore In y Ga de nuevo con las mismas tasas de deposición que la 1a etapa para finalmente formar una película CIGS de aproximadamente 2 m de espesor con una relación de composición Cu/(In+Ga) de 0.9. Mantener la velocidad de deposición de Se y la temperatura del sustrato a 15o/s y 550oC, respectivamente. El tiempo de deposición de esta etapa es de 4 min (es decir, 3a etapa).
  7. Con el fin de asegurar una reacción completa, recocido la película CIGS depositada bajo ambiente Se (15 o/s) durante 5 min a la temperatura del sustrato de 550 oC.
  8. Enfriar la temperatura del sustrato a 450 oC bajo el ambiente Se (15o/s) y luego descargar el sustrato depositado en CIGS cuando la temperatura del sustrato esté por debajo de 250 oC.

3. Crecimiento de la capa tampón CdS en la capa absorbente CIGS utilizando un método de deposición de baño químico (CBD)

  1. Preparar la solución de baño de reacción CdS en un vaso de precipitados de 250 ml añadiendo 97 ml de agua DI, 0,079 g de Cd(CH3COO)2x 2H2O, 0,041 g de NH2CSNH2y 0,155 g de CH3COONH4. Revuelva la solución durante varios minutos para mezclar. Asegúrese de que todos los solutos añadidos estén completamente disueltos.
  2. Añadir 3 mL de NH4OH (28% NH3) en la solución de baño y agitar la solución durante 2 min. Figura 1 muestra la configuración experimental de CBD para CdS.
  3. Coloque la muestra CIGS en la solución de baño de reacción utilizando un soporte de muestra de teflón.
  4. Coloque el baño de reacción en el baño de calor de agua mantenido a 65 oC y revuelva la solución de baño de reacción a 200 rpm utilizando una barra magnética durante el proceso de deposición.
  5. Reaccione durante 20 minutos para generar una capa de búfer CdS de aproximadamente 70 a 80 nm en el CIGS.
  6. Después de la reacción, retire la muestra del baño de reacción, lave con un flujo de agua DI y seque con gas N2.
  7. Recocido la muestra a 120 oC durante 30 minutos en una placa caliente.

4. Fabricación de la red AgNW TCE

  1. Preparar una dispersión AgNW diluida (1 mg/ml) mezclando 19 ml de etanol con 1 ml de una dispersión AgNW comprada a base de etanol (20 mg/ml).
  2. Vierta 0,2 ml de la dispersión Diluida de AgNW en una muestra cdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) para cubrir toda la superficie de la muestra y girar la muestra con 1.000 rpm durante 30 s.
  3. Repita el paso 4.2 según sea necesario para lograr las propiedades ópticas y eléctricas deseadas. Recubre el AgNWs 3x. En la Figura 2se muestra una imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de AgNW TCE recubierta de espín.
  4. Después de la cubierta de centrifugado, recocido la muestra a 120 oC durante 5 minutos en una placa caliente.

5. Deposición de la capa 2nd CdS

  1. Prepare una nueva solución de baño de reacción CdS como se describe en el paso 3.1.
  2. Deposite CdS como en la sección 3, excepto cambiar el tiempo de reacción según sea necesario.
    NOTA: Optimizamos el tiempo de reacción, y 10 minutos dieron como resultado el dispositivo CIGS con el mejor rendimiento. El efecto de 2nd CdS deposition time on a CIGS thin film solar cell device performance se puede encontrar en nuestro trabajo anterior14.

6. Técnicas de caracterización

  1. Caracterizar la morfología superficial y transversal de AgNWs y AgNWs recubiertos con CdS por emisión de campo SEM y microscopía electrónica de transmisión (TEM).
  2. Mida el rendimiento de las células solares utilizando una fuente detensión de corriente equipada con un simulador solar (1.000 W/m 2, AM1.5G).

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Representative Results

Las estructuras de capa de las células solares CIGS con (a) ZnO estándar:Al/i-ZnO y (b) AgNW TCE se muestran en la Figura 3. La morfología de la superficie de CIGS es áspera, y se puede formar una brecha a nanoescala entre la capa AgNW y la capa de búfer CdS subyacente. Como se destaca en la Figura 3A,la 2a capa CdS se puede depositar selectivamente en la brecha de nanoescala para crear un contacto eléctrico estable. La explicación detallada sobre la formación del contacto eléctrico y la mejora de las propiedades eléctricas y el rendimiento del dispositivo se puede encontrar en la referencia 14. El análisis estructural de la unión AgNW y CdS, incluido el SEM y el TEM seccionales transversales, y el mapeo elemental correspondiente también se pueden encontrar en la referencia 14.

El cuadro 4 muestra las imágenes TEM transversales (a) a lo largo de la 2a capa CdS depositada en la red AgNW en la estructura CdS/CIGS y (b) a través de la 2a capa CdS depositada en la red AgNW. La estructura CdS/CIGS muestra una morfología de superficie robusta debido a la estructura granular de CIGS. Por lo tanto, los AgNW desnudos se suspenden en el aire, y no se puede esperar un contacto eléctrico estable con la capa de búfer CdS. La2a capa CdS se deposita uniformemente en la superficie de los AgNW, y la capa CdS en la estructura de La carcasa central AgNW (Ag-CdS NW) se produce como se muestra en la Figura 4B. Además, la capa 2nd CdS llena los espacios de aire entre la capa de búfer CdS y la capa AgNW, como se muestra en el recuadro de la Figura 4A,y se logra un contacto eléctrico estable.

La Figura 5 y la Tabla 1 muestran el rendimiento del dispositivo de una célula solar de película delgada CIGS con ECT desnudas AgNW y Ag-CdS NW. Debido al contacto eléctrico inestable, la célula con AgNWs desnudos tiene un rendimiento deficiente del dispositivo. La deposición de una capa 2nd CdS mejora en gran medida el rendimiento de la celda, como se muestra en las características de J-V en la Figura5. La célula con el Ag-CdS NW TCE mostró un aumento mayor del 50% en la eficiencia del dispositivo y ff en comparación con el AgNW TCE desnudo.

Figure 1
Figura 1: Configuración de la deposición del baño químico. Una imagen de la configuración experimental para la deposición de bañoquímico de CdS en CIGS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Una imagen SEM del AgNW TCE. La imagen SEM muestra el AgNW TCE recubierto de espín en la estructura CdS/CIGS/Mo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Diagrama esquemático de células solares de película delgada DE CIGS. Estructura de capas de una célula solar de película delgada CIGS con (A) ZnO:Al/i-ZnO TCO y (B) AgNW TCE con una capa de 2nd CdS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Análisis estructural de Ag-CdS NW. (A) Imagen temedes transversales a lo largo de un Ag-CdS NW en una estructura CdS/CIGS y (B) imagen TEM de alta resolución a través de un AG-CdS NW. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Comparación del rendimiento del dispositivo. Características J-V de las células solares de película delgada de CIGS con ECT de AgNW y Ag-CdS NW. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

celda VOC (V) JSC (mA/cm2) Eficiencia (%) FF (%)
Bare AgNW TCE 0.60 29.5 7.9 44
Ag-CdS TCE 0.65 32.3 14.2 67.2

Tabla 1: Datos de rendimiento del dispositivo. Un resumen del rendimiento del dispositivo derivado de las curvas J-V.

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Discussion

Tenga en cuenta que el tiempo de deposición de la capa 2nd CdS debe optimizarse para lograr el rendimiento de celda óptimo. A medida que aumenta el tiempo de deposición, el grosor de la capa 2nd CdS aumenta y, en consecuencia, el contacto eléctrico mejorará. Sin embargo, una nueva deposición de la capa 2nd CdS dará como resultado una capa más gruesa que reduce la absorción de la luz, y la eficiencia del dispositivo disminuirá. Logramos el mejor rendimiento celular con 10 minutos de tiempo de deposición para la capa 2nd CdS y determinamos que la eficiencia celular disminuyó con tiempos de deposición más largos.

Para evaluar nuestro método, comparamos el rendimiento del dispositivo de la célula solar CIGS basada en Ag-CdS NW con el de una célula solar ESTÁNDAR DE CIGS con un TCO ZnO:Al/i-ZnOl sputred, como se describe en la Figura 3A14. Las características de J-V eran casi iguales, y las prestaciones generales del dispositivo eran muy similares. Este resultado demuestra que nuestro método de proceso de solución puede producir una célula solar de película delgada de alto rendimiento.

Se han aplicado varios métodos para mejorar las propiedades eléctricas de agNW TCE, incluida la incorporación de matriz propicia. El método descrito en este protocolo es simple y eficaz para mejorar la propiedad de contacto eléctrico entre AgNWs y la capa de búfer CdS subyacente en la célula solar de película delgada CIGS. Debido a la propiedad de contacto mejorada, el rendimiento de la célula solar se mejora considerablemente. El método está diseñado para aplicarse al sistema CdS/CIGS, pero no se limita al sistema CdS/CIGS. Cuando se crea un método de CBD adecuado, nuestro método se puede aplicar para crear contacto eléctrico de alta calidad entre AgNWs y la capa tampón en células solares de película delgada chalcogenide.

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Disclosures

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia.

Acknowledgments

Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación y Desarrollo Interno del Instituto de Investigación Energética de Corea (KIER) (B9-2411) y el Programa de Investigación de Ciencia Básica a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de Investigación Educación (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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