Fabricação do contato de nanoscale robusto entre um elétrodo de nanowire de prata e a camada do amortecedor dos CdS em células solares do fino-filme do se2 de UC (em, GA)

Engineering

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Summary

Neste protocolo, nós descrevemos o procedimento experimental detalhado para a fabricação de um contato de nanoescala robusto entre uma rede de nanofio de prata e a camada do amortecedor dos CDs em uma pilha solar da fino-película de 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

Os elétrodos transparentes de nanofio de prata foram empregados como camadas de janela para o (em, GA) se2 células solares da fino-película do UC. Os elétrodos de nanofio de prata desencapados resultam geralmente no desempenho muito pobre da pilha. Incorporar ou imprensar nanofios de prata usando materiais transparentes moderadamente condutivos, tais como o óxido da lata do índio ou o óxido de zinco, podem melhorar o desempenho da pilha. No entanto, as camadas de matriz processadas por solução podem causar um número significativo de defeitos interfaciais entre eletrodos transparentes e o buffer de CdS, o que pode resultar em baixo desempenho celular. Este manuscrito descreve como fabricar um contato elétrico robusto entre um eletrodo de nanofio de prata e a camada de buffer de CDs subjacente em uma célula solar de UC (in, GA) se2 , permitindo alto desempenho celular usando nanofio de prata sem matriz transparente Eletrodos. O elétrodo de prata Matrix-livre do nanofio fabricado por nosso método prova que a capacidade da coleção da carga-portador de pilhas eletrodo-baseadas nanofio de prata é tão boa quanto aquela de pilhas padrão com o ZnO sputtered: Al/i-ZnO contanto que os nanofios de prata e CdS têm contato elétrico de alta qualidade. O contato elétrico de alta qualidade foi conseguido depositando uma camada adicional dos CDs tão fina quanto 10 nanômetro na superfície de nanofio de prata.

Introduction

As redes de nanofio de prata (agnw) foram estudadas extensivamente como uma alternativa ao óxido de estanho do índio (ITO) transparente que conduz películas finas devido a suas vantagens sobre os óxidos de condução transparentes convencionais (TCOs) nos termos de um custo de processamento mais baixo e melhor flexibilidade mecânica. Solução-processado AgNW rede transparente eletrodos condutores (TCEs) têm sido, portanto, empregado em UC (in, GA) se2 (CIGS) células solares de película fina1,2,3,4,5 , 6. solução-processado agnw TCEs são normalmente fabricados a forma de embutido-agnw ou Sandwich-agnw estruturas em uma matriz condutora como pedot: PSS, Ito, ZnO, etc7,8,9, 10,11 as camadas da matriz podem realçar que a coleção dos portadores da carga presente nos espaços vazios da rede de agnw.

No entanto, as camadas matriciais podem gerar defeitos interfaciais entre a camada matricial e a camada de buffer de CDs subjacente em células solares de película fina de CIGS12,13. Os defeitos interfaciais causam frequentemente uma torção na curva atual da densidade-tensão (J-V), tendo por resultado um baixo fator de suficiência (FF) na pilha, que é prejudicial ao desempenho da pilha solar. Nós relatado previamente um método para resolver esta edição seletivamente depositando uma camada fina adicional dos CDs (camada dos CDs de 2ND ) entre o agnws e a camada de amortecedor14dos CDs. A incorporação de uma camada adicional de CdS aprimorou as propriedades de contato na junção entre as camadas AgNW e CdS. Conseqüentemente, a coleção da transportadora na rede de AgNW foi melhorada extremamente, e o desempenho da pilha foi realçado. Neste protocolo, nós descrevemos o procedimento experimental para fabricar o contato elétrico robusto entre a rede de AgNW e a camada de amortecedor dos CdS usando uma camada dos CDs 2ND em uma pilha solar da fino-película dos CIGS.

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Protocol

1. preparação de mo-revestido de vidro por DC magnetron sputtering

  1. Carga limpa substratos de vidro em um magnetron DC e bomba para baixo para abaixo 4 x 10-6 Torr.
  2. Fluxo de ar de gás e definir a pressão de trabalho para 20 mTorr.
  3. Ligue o plasma e aumente a potência de saída CC para 3 kW.
  4. Após o pre-sputtering de 3 minutos para a limpeza do alvo, comece o depósito do mo até que a espessura da película do mo alcangue aproximadamente 350 nanômetro.
  5. Ajuste a pressão de funcionamento a 15 mTorr ao manter a mesma potência de saída (isto é, 3 quilowatts).
  6. Retomar a deposição de mo até que a espessura total de mo atinja aproximadamente 750 nm.

2. deposição de camada absorvente de CIGS por meio de uma coevaporação de três estágios

  1. Carregue o vidro mo-revestido em um co-evaporador pré-aquecido um vácuo mais baixo do que 5 x 10-6 Torr.
  2. Defina as temperaturas das células de derrame in, GA e se produzindo taxas de deposição de 2,5 Å/s, 1,3 Å/s e 15 Å/s, respectivamente.
    1. Verifique as taxas de deposição usando a técnica de microequilíbrio de cristal de quartzo (QCM). As taxas de deposição dependem da temperatura definida das células de derrame e da quantidade de materiais nas células de derrame.
  3. Comece a fornecer in, GA e se sobre o vidro revestido com mo para formar uma camada 1 μm-grossa (in, GA)xsey precursor na temperatura do substrato de 450 ° c. O tempo de deposição é de 15 min (ou seja, 1 estágioSt ).
  4. Pare as fontes de in e GA e aumente a temperatura do substrato para 550 ° c.
  5. Começar a fornecer o UC (taxa de deposição: 1,5 Å/s) sobre o (in, GA)xsey precursor e continuar até que o/(em + GA) composição da proporção do filme atinge 1,15. Note-se que a taxa de deposição se é mantida em 15 Å/s através da fase 2ND (ou seja, 2ª etapa).
  6. Pare de fornecer o UC e evate-o em e GA outra vez com as mesmas taxas de depósito que o 1 estágio doSt para dar forma finalmente a aproximadamente 2 μm-espesso película de CIGS com relação de composição de UC/(em + GA) de 0,9. Manter a taxa de deposição de se e a temperatura do substrato em 15 Å/s e 550 ° c, respectivamente. O tempo de deposição desta fase é de 4 min (ou seja, estágio de 3RD ).
  7. A fim assegurar uma reação completa, recoze o filme depositado de CIGS o ambiente se (15 Å/s) por 5 minutos na temperatura da carcaça de 550 ° c.
  8. Refresque a temperatura da carcaça a 450 ° c o ambiente se (15 Å/s) e descarregue então o substrato CIGS-depositado quando a temperatura da carcaça está abaixo de 250 ° c.

3. crescimento da camada tampão CdS na camada de absorvedor CIGS usando um método de deposição de banho químico (CBD)

  1. Prepare a solução de banho de reação de CdS em uma taça de 250 mL adicionando 97 mL de água DI, 0, 79 g de CD (CH3COO)2· 2h2O, 0, 41 g de NH2csnh2e 0,155 g de ch3coonh4. Mexa a solução por vários minutos para misturar. Certifique-se de que todos os solutos adicionados estão completamente dissolvidos.
  2. Adicione 3 mL de NH4Oh (28% NH3) na solução de banho e mexa a solução por 2 min. a Figura 1 mostra a configuração experimental do CBD para CDs.
  3. Põr a amostra de CIGS na solução do banho da reação usando um suporte da amostra do Teflon.
  4. Põr o banho da reação no banho do água-calor mantido em 65 ° c e mexa a solução do banho da reação em 200 rpm usando uma barra magnética durante o processo do depósito.
  5. Reagir por 20 min para gerar uma camada de buffer de CdS de aproximadamente 70 a 80 nm no CIGS.
  6. Após a reação, retire a amostra do banho de reação, lave com um fluxo de água DI, e seque com gás N2 .
  7. Anneal a amostra em 120 ° c por 30 minutos em uma placa quente.

4. fabricação da rede AgNW TCE

  1. Prepare uma dispersão de AgNW diluída (1 mg/mL) misturando 19 mL de etanol com 1 mL de uma dispersão de AgNW à base de etanol comprada (20 mg/mL).
  2. Despeje 0,2 mL da dispersão de AgNW diluída sobre uma amostra de CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) para cobrir toda a superfície da amostra e gire a amostra com 1.000 rpm por 30 s.
  3. Repita a etapa 4,2 conforme necessário para obter as propriedades ópticas e elétricas desejadas. Spin-Coat o AgNWs 3x. Uma imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) de AgNW TCE revestido com spin é mostrada na Figura 2.
  4. Após o spin-coating, recoze a amostra em 120 ° c por 5 minutos em uma placa quente.

5. deposição da camada de CDs 2ND

  1. Prepare uma nova solução de banho de reacção CdS conforme descrito no passo 3,1.
  2. Deposite CdS como na secção 3, excepto alterar o tempo de reacção conforme necessário.
    Nota: otimizamos o tempo de reação e 10 min resultaram no dispositivo CIGS com o melhor desempenho. O efeito do tempo de deposição de CDs de 2ND em um desempenho de dispositivo de célula solar de filme fino cigs pode ser encontrado em nosso trabalho anterior14.

6. técnicas de caracterização

  1. Caracterizar a superfície e a morfologia transversal de AgNWs e de AgNWs CdS-revestidos pela emissão de campo SEM e pela microscopia de elétron da transmissão (TEM).
  2. Meça o desempenho da célula solar usando uma fonte de tensão atual equipada com um simulador solar (1.000 W/m2, am 1.5 g).

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Representative Results

As estruturas de camada das células solares CIGS com (a) ZnO padrão: Al/i-ZnO e (b) AgNW TCE são mostradas na Figura 3. A morfologia superficial do CIGS é áspera, e uma lacuna de nanoescala pode se formar entre a camada de AgNW e a camada de buffer de CdS subjacente. Como destacado na Figura 3a, a camada de CDs 2ND pode ser depositada seletivamente na lacuna de nanosescala para criar um contato elétrico estável. A explanação detalhada na formação do contato elétrico e do realce de propriedades elétricas e do desempenho do dispositivo pode ser encontrada na referência 14. A análise estrutural da junção de AgNW e de CdS que inclui o SEM e o TEM de seção transversal, e o traço elementar correspondente podem igualmente ser encontrados na referência 14.

A Figura 4 mostra as imagens transversais do tem (a) ao longo da camada de CDs 2ND depositada na rede agnw na estrutura CDs/CIGS e (b) através da camada de CDs 2ND depositada na rede agnw. A estrutura de CdS/CIGS mostra uma morfologia de superfície áspera devido à estrutura granulada de CIGS. Daqui, os AgNWs desencapados são suspendidos no ar, e o contato elétrico estável com a camada de amortecedor dos CdS não pode ser esperado. A camada de CDs de 2ND é uniformemente depositada na superfície do agnws, e a camada de CDs na estrutura de agnw (AG @ CDs NW) de Shell de núcleo é produzida como mostrado na Figura 4B. Além disso, a camada de CDs de 2ND preenche as lacunas de ar entre a camada de buffer de CDs e a camada de agnw, como mostrado no conjunto da figura 4a, e o contato elétrico estável é conseguido.

Figura 5 e tabela 1 mostre o desempenho do dispositivo de uma célula solar de película fina de CIGS com Agnw nu e AG @ CDs NW TCEs. Devido ao contato elétrico instável, a pilha com AgNWs desencapado tem o desempenho deficiente do dispositivo. A deposição de uma camada de CDs de 2ND aumenta consideravelmente o desempenho da célula, como mostrado nas características do J-V na Figura 5. A célula com o AG @ CdS NW TCE mostrou um aumento maior do que 50% na eficiência do dispositivo e FF em comparação com o nu AgNW TCE.

Figure 1
Figura 1: configuração do depósito de banho químico. Uma imagem da instalação experimental para o depósito químico do banho dos CdS em CIGS. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: uma imagem de sem do AgNW TCE. A imagem SEM mostra o AgNW TCE revestido com spin na estrutura CdS/CIGS/mo. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: diagrama esquemático de células solares de película fina CIGS. Estrutura de camada de uma célula solar de película fina CIGS com (a) ZnO: Al/i-ZNO TCO e (B) agnw TCE com uma camada de CDs de 2ND . Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: análise estrutural da AG @ CDs NW. (A) imagem transversal do tem ao longo de um AG @ CDs NW em uma estrutura de CDs/CIGS e (B) imagem de alta resolução tem através de um AG @ CDs NW. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: comparação de desempenho do dispositivo. Características de J-V de células solares de película fina CIGS com AgNW nua e AG @ CdS NW TCEs. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Célula vOC (v) JSC (ma/cm2) Eficiência (%) FF (%)
Nu AgNW TCE 0,60 29,5 7,9 44
AG @ CdS TCE 0,65 32,3 14,2 67,2

Tabela 1: dados de desempenho do dispositivo. Um resumo do desempenho do dispositivo derivado das curvas J-V.

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Discussion

Observe que o tempo de deposição da camada de CDs de 2ND deve ser otimizado para atingir o desempenho ideal da célula. À medida que o tempo de deposição aumenta, a espessura da camada de CDs de 2ND aumenta e, consequentemente, o contato elétrico melhorará. No entanto, a deposição adicional da camada de CDs de 2ND resultará em uma camada mais espessa que reduz a absorção de luz, e a eficiência do dispositivo diminuirá. Conseguimos o melhor desempenho celular com 10 min de tempo de deposição para a camada de CDs 2ND e determinamos que a eficiência celular diminuiu com tempos de deposição mais longos.

Para avaliar nosso método, comparamos o desempenho do dispositivo da célula solar CIGS com base em nanowatt AG @ CdS com a de uma célula solar CIGS padrão com um ZnO sputtered: Al/i-ZnOl TCO, conforme descrito na Figura 3a14. As características do J-V eram quase iguais, e os desempenhos totais do dispositivo eram muito similares. Esse resultado prova que nosso método de processo de solução pode produzir uma célula solar de filme fino de alto desempenho.

Vários métodos têm sido aplicados para melhorar as propriedades elétricas do AgNW TCE, incluindo a incorporação de matriz propícia. O método descrito neste protocolo é simples e eficaz realçar a propriedade elétrica do contato entre AgNWs e a camada de amortecedor subjacente dos CdS na pilha solar do filme fino de CIGS. Devido à propriedade reforçada do contato, o desempenho da pilha solar é melhorado extremamente. O método é projetado para se aplicar ao sistema CdS/CIGS, mas não se limita ao sistema CdS/CIGS. Quando um método CBD apropriado é criado, nosso método pode ser aplicado para criar contato elétrico de alta qualidade entre AgNWs e a camada tampão em células solares de película fina de chalcogenida.

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Disclosures

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Acknowledgments

Esta pesquisa foi apoiada pelo programa de pesquisa e desenvolvimento in-House do Instituto de pesquisa de energia da Coréia (KIER) (B9-2411) e do programa de pesquisa de ciência básica através da Fundação Nacional de pesquisa da Coréia (NRF) financiado pelo Ministério da Educação (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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