Fabricage van robuust Nanoscale contact tussen een zilver Nanowire elektrode en CdS buffer Layer in Cu (in, ga) se2 dunne-film zonnecellen

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

In dit protocol beschrijven we de gedetailleerde experimentele procedure voor de fabricage van een robuust nano weegschaal contact tussen een zilver nanodraad-netwerk en een CDs-buffer laag in een dun-film Solar Cell van CIGS.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Zilver nanodraad-transparante elektroden zijn gebruikt als venster lagen voor cu (in, ga) se2 dunne-film zonnecellen. Kale zilver nanodraad-elektroden resulteren normaal in zeer slechte celprestaties. Het insluiten of inbedden van zilverkleurige nanodraden met matig geleidende transparante materialen, zoals indium tin oxide of zinkoxide, kan de celprestaties verbeteren. De oplossings-verwerkte matrix lagen kunnen echter een significant aantal interfaciaal defecten veroorzaken tussen transparante elektroden en de CdS-buffer, wat uiteindelijk kan resulteren in lage celprestaties. Dit manuscript beschrijft hoe een robuust elektrisch contact tussen een zilver nano-elektrode en de onderliggende CDs-buffer laag in een cu (in, ga) se2 zonnecel te fabriceren, waardoor hoge celprestaties mogelijk zijn met behulp van matrix-vrije zilver nanodraad-transparant Elektroden. De matrix vrije zilver nanodraad--elektrode, gefabriceerd volgens onze methode, bewijst dat de charge-Carrier Collection-capaciteit van zilver nanodraad-elektrode cellen zo goed is als die van standaard cellen met gesputterde ZnO: al/i-ZnO zolang de zilveren nanodraden en Cd's hebben een kwalitatief hoogwaardig elektrisch contact. Het hoogwaardige elektrische contact werd bereikt door een extra CDs-laag zo dun als 10 nm op het zilverkleurige nanodraad-oppervlak te storten.

Introduction

Zilver nanodraad-(agnw) netwerken zijn uitgebreid bestudeerd als alternatief voor indium tin oxide (ITO) transparant geleidende dunne folies vanwege hun voordelen ten opzichte van conventionele transparante geleidende oxiden (tcos) in termen van lagere verwerkingskosten en betere mechanische flexibiliteit. Oplossing-verwerkte AgNW-netwerk transparante geleidende elektroden (TCEs) zijn zo werkzaam in Cu (in, ga) se2 (CIGS) dunne-film zonnecellen1,2,3,4,5 , 6. oplossingverwerkte agnw tces worden normaliter vervaardigd in de vorm van embedded-agnw of sandwich-agnw structuren in een geleidende matrix zoals PEDOT: PSS, Ito, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 de matrix lagen kunnen de collectie van de laad dragers die in de lege ruimten van het agnw-netwerk aanwezig zijn, versterken.

De matrix lagen kunnen echter interfaciaal defecten genereren tussen de matrix laag en de onderliggende cd's buffer Layer in CIGS thin-film zonnecellen12,13. De interfaciaal defecten veroorzaken vaak een knik in de huidige dichtheids-voltage (J-V) curve, wat resulteert in een lage vulfactor (FF) in de cel, wat schadelijk is voor de zonnecellen. We hebben eerder een methode gemeld om dit probleem op te lossen door selectief een extra Thin CdS Layer (2ND CDs Layer) te storten tussen de agnws en de CDs buffer Layer14. De opname van een extra CdS-laag versterkte de contact eigenschappen in de kruising tussen de AgNW-en CdS-lagen. De carrier-collectie in het AgNW-netwerk werd daardoor sterk verbeterd en de celprestaties werden verbeterd. In dit protocol beschrijven we de experimentele procedure om een robuust elektrisch contact tussen het AgNW-netwerk en de CdS-buffer laag te fabriceren met behulp van een 2ND -CDs-laag in een dun-film Solar Cell van CIGS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. bereiding van mo-gecoat glas door DC microgolf sputteren

  1. Laad gereinigde glazen substraten in een DC microgolf en pomp tot onder 4 x 10-6 Torr.
  2. Debiet en stel de werkdruk in op 20 mTorr.
  3. Zet plasma aan en verhoog het gelijkstroom vermogen naar 3 kW.
  4. Na het vooraf sputteren van 3 min voor doel reiniging, begin de mo-depositie tot de mo-filmdikte ongeveer 350 nm bereikt.
  5. Stel de werkdruk in op 15 mTorr met behoud van hetzelfde uitgangsvermogen (d.w.z. 3 kW).
  6. Hervat de mo-depositie totdat de totale dikte van mo ongeveer 750 nm bereikt.

2. de afzetting van de Absorber-laag door een drietraps coverdamping

  1. Laad met mo gecoat glas in een voorverwarmde co-verdamper onder een vacuüm lager dan 5 x 10-6 Torr.
  2. Stel de temperaturen in van in-, ga-en se-effusie cellen die depositie percentages opleveren van respectievelijk 2,5 Å/s, 1,3 Å/s en 15 Å/s.
    1. Controleer de afzetting tarieven met behulp van de Quartz Crystal micro Balance (QCM)-techniek. De depositie percentages zijn afhankelijk van de ingestelde temperatuur van de effusie cellen en de hoeveelheid materialen in de effusie cellen.
  3. Begin te leveren in, ga en SE op het mo-Coated glas om een 1 μm-dik (in, ga)xsey precursor laag te vormen bij de substraat temperatuur van 450 °c. De afzetting tijd is 15 min (namelijk 1St stage).
  4. Stop de in en ga supplies en verhoog de substraat temperatuur tot 550 °C.
  5. Begin met het leveren van Cu (depositie snelheid: 1,5 Å/s) op de (in, ga)xsey voorloper en ga verder tot de Cu/(in + ga) compositorische verhouding van de film bereikt 1,15. Merk op dat de SE depositie snelheid wordt gehandhaafd op 15 Å/s door de 2ND fase (namelijk 2ND fase).
  6. Stop met het leveren van Cu en verdampen in en ga opnieuw met dezelfde depositie snelheden als de 1St stage tot eindelijk een ongeveer 2 ΜM dik CIGS-film met cu/(in + ga) compositorische verhouding van 0,9. Houd de SE depositie-en substraat temperatuur bij respectievelijk 15 Å/s en 550 °C. De depositie tijd van dit stadium is 4 min (namelijk 3RD stage).
  7. Om een volledige reactie te garanderen, heeft de afgezette CIGS film onder Ambient se (15 Å/s) gedurende 5 min bij de substraat temperatuur van 550 °C.
  8. Koel de ondergrond temperatuur af tot 450 °C onder omgevingstemperatuur se (15 Å/s) en ontlaad vervolgens het onderbouw substraat wanneer de ondergrond temperatuur lager is dan 250 °C.

3. groei van de CdS-buffer laag op de absorberende laag van CIGS met behulp van een Chemical Bath afzetting (CBD)-methode

  1. Bereid de CdS-reactie-badoplossing voor in een bekerglas van 250 mL door toevoeging van 97 mL DI water, 0,079 g cd (CH3COO)2· 2h2O, 0,041 g van NH2CSNH2en 0,155 g van CH3coonh4. Roer de oplossing enkele minuten om te mengen. Zorg ervoor dat alle toegevoegde opgeloste stoffen volledig zijn opgelost.
  2. Voeg 3 mL NH4Oh (28% NH3) toe aan de badoplossing en roer de oplossing 2 min. Figuur 1 toont de experimentele instelling van CBD voor cd's.
  3. Plaats het monster van CIGS in de reactie-badoplossing met behulp van een teflon-monsterhouder.
  4. Plaats het reactiebad in het waterwarmte bad op 65 °C en roer de reactie-badoplossing bij 200 tpm door middel van een magnetische balk tijdens het depositie proces.
  5. Reageer gedurende 20 minuten om een ongeveer 70 tot 80 nm CdS-buffer laag op de CIGS te genereren.
  6. Na de reactie, verwijder het monster uit de reactie-bad, wassen met een stroom van DI water, en drogen met N2 gas.
  7. Het monster bij 120 °C gedurende 30 minuten op een hete plaat.

4. fabricage van het AgNW TCE-netwerk

  1. Bereid een verdunde AgNW dispersie (1 mg/mL) door 19 mL ethanol te mengen met 1 mL van een gekochte op ethanol gebaseerde AgNW dispersie (20 mg/mL).
  2. Giet 0,2 mL van de verdunde AgNW dispersie op een monster van CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) om het hele oppervlak van het monster te bedekken en draai het monster met 1.000 rpm gedurende 30 sec.
  3. Herhaal stap 4,2 zo nodig om de gewenste optische en elektrische eigenschappen te bereiken. Spin-Coat de AgNWs 3x. Een Scanning Electron microscopie (SEM) beeld van spin-Coated agnw TCE wordt weergegeven in Figuur 2.
  4. Na de spin-coating, anneal het monster bij 120 ° c gedurende 5 minuten op een hete plaat.

5. afzetting van de 2ND CDs-laag

  1. Bereid een nieuwe CdS-reactie-badoplossing voor zoals beschreven in stap 3,1.
  2. Stort cd's zoals in sectie 3, behalve indien nodig de reactietijd wijzigen.
    Opmerking: we hebben de reactietijd geoptimaliseerd en 10 min resulteerde in de CIGS-apparaat met de beste prestaties. Het effect van 2ND cd's afzetting tijd op de prestaties van een dun film zonnecel apparaat van CIGS is te vinden in ons vorige werk14.

6. karakterisatie technieken

  1. Karakteriseren de oppervlakte-en transversale morfologie van de AgNWs en de met cd's beklede AgNWs door veld emissie SEM en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM).
  2. Meet de zonnecel prestaties met behulp van een stroom-voltagebron uitgerust met een Solar Simulator (1.000 W/m2, am 1.5 g).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De laag structuren van de CIGS-zonnecellen met (a) standaard ZnO: al/i-ZnO en (b) AgNW TCE worden weergegeven in Figuur 3. De oppervlaktemorfologie van CIGS is ruw en een nanoschaal kloof kan ontstaan tussen de AgNW-laag en de onderliggende CdS-buffer laag. Zoals aangegeven in Figuur 3a, kan de 2ND CDs-laag selectief worden afgezet op de nanoschaal-kloof om een stabiel elektrisch contact te creëren. De gedetailleerde uitleg over de vorming van elektrisch contact en de verbetering van elektrische eigenschappen en de prestaties van het apparaat zijn te vinden in de referentie 14. De structurele analyse van de AgNW en CdS Junction, inclusief dwarsdoorsnede SEM en TEM, en bijbehorende Elemental mapping zijn ook te vinden in de referentie 14.

Figuur 4 toont de transversale tem-afbeeldingen (a) langs de 2ND CDs-laag die op het agnw-netwerk op de CDs/CIGS-structuur is gestort en (b) over de 2ND -CDs-laag die op het agnw-netwerk is gestort. De CdS/CIGS-structuur toont een robuuste oppervlaktemorfologie door de korrelige structuur van CIGS. Daarom worden kale AgNWs in de lucht opgehangen en kan er geen stabiel elektrisch contact met de CdS-buffer laag worden verwacht. De 2ND CDs-laag wordt gelijkmatig op het oppervlak van de agnws gestort en de CDs-laag op de structuur van de core-shell agnw (AG @ CDs NW) wordt geproduceerd zoals afgebeeld in figuur 4b. Bovendien vult de 2ND CDs-laag de luchtspleten tussen de CDs-buffer laag en de agnw-laag, zoals weergegeven in de inzet van Fig. 4a, en wordt stabiel elektrisch contact bereikt.

In Figuur 5 en tabel 1 worden de prestaties van het toestel weergegeven van een dun-film Solar Cell van CIGS met kale agnw en AG @ CDs NW tces. Door onstabiel elektrisch contact heeft de cel met kale AgNWs slechte prestaties van het apparaat. De afzetting van een 2ND CDs-laag verbetert de celprestaties aanzienlijk, zoals weergegeven in de J-V-kenmerken in Figuur 5. De cel met de AG @ CdS NW TCE toonde een toename van meer dan 50% van de efficiëntie van het apparaat en FF in vergelijking met de kale AgNW TCE.

Figure 1
Figuur 1: chemische badafzetting Setup. Een afbeelding van de experimentele opstelling voor chemische badafzetting van cd's op CIGS. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: een SEM-afbeelding van de AgNW TCE. De SEM-afbeelding toont de spin-Coated AgNW TCE op de CdS/CIGS/mo-structuur. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Schematisch diagram van de dunne film zonnecellen van CIGS. Laagstructuur van een CIGS thin-film zonnecel met (a) ZnO: al/i-ZnO TCO en (B) agnw TCE met een 2ND CDs-laag. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: structurele analyse van AG @ CDs NW. A) het transversale tem-beeld langs een AG @ CDs NW op een cd/CIGS-structuur en (B) een tem-afbeelding met hoge resolutie over een AG @ CDs NW. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Afbeelding 5: vergelijking van Apparaatprestaties. J-V karakteristieken van CIGS thin-film zonnecellen met kale AgNW en AG @ CdS NW TCEs. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Cel vOC (v) Jsc (ma/cm2) Efficiëntie (%) FF (%)
Kale AgNW TCE 0,60 29,5 7,9 44
AG @ CdS TCE 0,65 32,3 14,2 67,2

Tabel 1: prestatiegegevens van het apparaat. Een samenvatting van de Apparaatprestaties die zijn afgeleid van de J-V-curven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Merk op dat de afzetting tijd van de 2ND CDs-laag moet worden geoptimaliseerd om de optimale celprestaties te bereiken. Naarmate de afzetting tijd toeneemt, neemt de dikte van de 2ND CDs-laag toe, en daardoor zal het elektrische contact verbeteren. Echter, verdere afzetting van de 2ND CDs-laag zal resulteren in een dikkere laag die licht absorptie vermindert, en de efficiëntie van het apparaat zal afnemen. We bereikten de beste celprestaties met 10 min afzetting tijd voor de 2ND CDs-laag en bepaalden dat de celefficiëntie daalde met langere depositie tijden.

Om onze methode te evalueren, vergeleken we de prestaties van het apparaat van de AG @ CDs NW-gebaseerde CIGS Solar Cell met die van een standaard CIGS Solar Cell met een gesputterde ZnO: al/i-znol TCO, zoals beschreven in Figuur 3a14. De J-V karakteristieken waren bijna gelijk, en de totale prestaties van het apparaat waren zeer vergelijkbaar. Dit resultaat bewijst dat onze oplossingsproces methode een high-performance thin-film zonnecel kan produceren.

Er zijn verschillende methoden toegepast om de elektrische eigenschappen van de AgNW TCE te verbeteren, inclusief de opname van een bevorderend matrix. De in dit protocol beschreven methode is eenvoudig en effectief om de elektrische contact eigenschap tussen de AgNWs en de onderliggende cd's buffer Layer in CIGS Thin Film Solar Cell te verbeteren. Door de verbeterde contact eigenschap is de zonnecel prestatie sterk verbeterd. De methode is ontworpen om op het CdS/CIGS-systeem te worden toegepast, maar is niet beperkt tot het CdS/CIGS-systeem. Wanneer een geschikte CBD-methode wordt gecreëerd, kan onze methode worden toegepast om hoogwaardig elektrisch contact te creëren tussen de agnws en de buffer laag in transpa dunne-film zonnecellen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Acknowledgments

Dit onderzoek werd ondersteund door het in-House onderzoeks-en ontwikkelingsprogramma van het Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) en het basis wetenschaps onderzoeksprogramma via de National Research Foundation of Korea (NRF), gefinancierd door het ministerie van Onderwijs (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lee, S., et al. Determination of the lateral collection length of charge carriers for silver-nanowire-electrode-based Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Solar Energy. 180, 519-523 (2019).
  2. Langley, D., et al. Flexible transparent conductive materials based on silver nanowire networks: a review. Nanotechnology. 24, (45), 452001 (2013).
  3. Chung, C. -H., et al. Silver nanowire composite window layers for fully solution-deposited thin-film photovoltaic devices. Advanced Materials. 24, (40), 5499-5504 (2012).
  4. Liu, C. -H., Yu, X. Silver nanowire-based transparent, flexible, and conductive thin film. Nanoscale Research Letters. 6, (1), (2011).
  5. Yu, Z., et al. Highly flexible silver nanowire electrodes for shape-memory polymer light-emitting diodes. Advanced Materials. 23, (5), 664-668 (2011).
  6. Chung, C. -H., Hong, K. -H., Lee, D. -K., Yun, J. H., Yang, Y. Ordered vacancy compound formation by controlling element redistribution in molecular-level precursor solution processed CuInSe2 thin films. Chemistry of Materials. 27, (21), 7244-7247 (2015).
  7. Kim, A., Won, Y., Woo, K., Kim, C. -H., Moon, J. Highly transparent low resistance ZnO/Ag Nanowire/ZnO composite electrode for thin film solar cells. ACS Nano. 7, (2), 1081-1091 (2013).
  8. Singh, M., Jiu, J., Sugahara, T., Suganuma, K. Thin-film copper indium gallium selenide solar cell based on low-temperature all-printing process. ACS Applied Materials and Interfaces. 6, (18), 16297-16303 (2014).
  9. Kim, A., Won, Y., Woo, K., Jeong, S., Moon, J. All-solution-processed indium-free transparent composite electrodes based on Ag Nanowire and Metal Oxide for thin-film solar cells. Advanced Functional Materials. 24, (17), 2462-2471 (2014).
  10. Shin, D., Kim, T., Ahn, B. T., Han, S. M. Solution-processed Ag Nanowires + PEDOT:PSS hybrid electrode for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. ACS Applied Materials and Interfaces. 7, (24), 13557-13563 (2015).
  11. Wang, M., Choy, K. -L. All-nonvacuum-processed CIGS solar cells using scalable Ag NWs/AZO-based transparent electrodes. ACS Applied Materials and Interfaces. 8, (26), 16640-16648 (2016).
  12. Jang, J., et al. Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells with solution processed silver nanowire composite window layers: buffer/window junctions and their effects. Solar Energy Materials and Solar Cells. 170, 60-67 (2017).
  13. Chung, C. -H., Bob, B., Song, T. -B., Yang, Y. Current-voltage characteristics of fully solution processed high performance CuIn(S,Se)2 solar cells: crossover and red kink. Solar Energy Materials and Solar Cells. 120, 642-646 (2014).
  14. Lee, S., et al. Robust nanoscale contact of silver nanowire electrodes to semiconductors to achieve high performance chalcogenide thin film solar cells. Nano Energy. 53, 675-682 (2018).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics