Fabrication de robuste nanoéchelle Contact entre une électrode nanofil identaire argentée et une couche tampon CdS dans Cu(In,Ga)Se2 Cellules solaires à film mince

Engineering

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Summary

Dans ce protocole, nous décrivons la procédure expérimentale détaillée pour la fabrication d'un contact nanométrique robuste entre un réseau de nanofils d'argent et une couche tampon CdS dans une cellule solaire à couches minces 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

Des électrodes transparentes en nanofil argent ont été utilisées comme couches de fenêtre pour cu(In,Ga)Se2 cellules solaires à couches minces. Les électrodes de nanofil argenté s'est normalement entramable de très mauvaises performances cellulaires. L'intégration ou le sandwich des nanofils d'argent à l'aide de matériaux transparents modérément conductifs, tels que l'oxyde d'étain indium ou l'oxyde de zinc, peut améliorer la performance cellulaire. Cependant, les couches de matrice traitées par solution peuvent causer un nombre important de défauts interfaciaux entre les électrodes transparentes et le tampon CdS, ce qui peut éventuellement entraîner de faibles performances cellulaires. Ce manuscrit décrit comment fabriquer le contact électrique robuste entre une électrode de nanofil argenté et la couche tampon sous-jacente de CdS dans une cellule solaire de Cu(In,Ga)Se 2, permettant la performance élevée de cellules utilisant le nanowire argenté matrix-libre transparent Électrodes. L'électrode nanofil argentée sans matrice fabriquée par notre méthode prouve que la capacité de collecte de charges des cellules à base d'électrodes nanofil argentées est aussi bonne que celle des cellules standard avec znO:Al/i-ZnO aussi longtemps que les nanofils d'argent et Les CdS ont un contact électrique de haute qualité. Le contact électrique de haute qualité a été atteint en déposant une couche CdS supplémentaire aussi mince que 10 nm sur la surface de nanofil argenté.

Introduction

Les réseaux de nanofils d'argent (AgNW) ont fait l'objet d'études approfondies en tant qu'alternative à l'oxyde d'étain indium (ITO) transparent en réalisant des films minces en raison de leurs avantages par rapport aux oxydes conducteurs transparents conventionnels (TCO) en termes de coût de traitement plus faible et une meilleure flexibilité mécanique. Les électrodes de conduite transparentes (TCE) du réseau AgNW traitées par solution ont ainsi été employées dans cu (In,Ga)Se2 (CIGS) cellules solaires à couches minces1,2,3,4,5 , 6. Les TCE AgNW traitées par solution sont normalement fabriquées sous forme de structures agNW intégrées ou sandwich-AgNW dans une matrice conductrice telle que PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 Les couches de matrice peuvent améliorer que la collecte des porteurs de charge présents dans les espaces vides du réseau AgNW.

Cependant, les couches de matrice peuvent générer des défauts interfacial entre la couche de matrice et la couche tampon CdS sous-jacente dans les cellules solaires à couches minces CIGS12,13. Les défauts interfacial causent souvent un pli dans la courbe de densité-tension courante (J-V), ayant pour résultat un facteur de remplissage bas (FF) dans la cellule, qui est préjudiciable à la performance de cellules solaires. Nous avons précédemment signalé une méthode pour résoudre ce problème en déposant sélectivement une couche CdS mince supplémentaire (2nd CdS couche) entre les AgNWs et la couche tampon CdS14. L'incorporation d'une couche CdS supplémentaire a amélioré les propriétés de contact dans la jonction entre les couches AgNW et CdS. Par conséquent, la collection de transporteurs dans le réseau AgNW a été grandement améliorée, et les performances cellulaires ont été améliorées. Dans ce protocole, nous décrivons la procédure expérimentale pour fabriquer le contact électrique robuste entre le réseau D'AgNW et la couche tampon de CdS utilisant une couche CdS de 2nd dans une cellule solaire à film mince de CIGS.

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Protocol

1. Préparation du verre mo-enduit par DC magnétron pulvérisation

  1. Chargez les substrats de verre nettoyés dans un magnétron DC et pompez jusqu'à moins de 4 x 10-6 Torr.
  2. Flux de gaz Ar et de définir la pression de travail à 20 mTorr.
  3. Allumez le plasma et augmentez la puissance de sortie DC à 3 kW.
  4. Après le pré-sputtering de 3 min pour le nettoyage de cible, commencer le dépôt de Mo jusqu'à ce que l'épaisseur du film Mo atteigne environ 350 nm.
  5. Définir la pression de travail à 15 mTorr tout en maintenant la même puissance de sortie (c.-à-d., 3 kW).
  6. Reprenez le dépôt Mo jusqu'à ce que l'épaisseur totale de Mo atteigne environ 750 nm.

2. Dépôt de couche d'absorbeur CIGS au moyen d'une coevaporation en trois étapes

  1. Chargez le verre recouvert de Mo dans un co-évaporateur préchauffé sous un vide inférieur à 5 x 10-6 Torr.
  2. Définir les températures des cellules d'effusion In, Ga et Se produisant des taux de dépôt de 2,5 '/s, 1,3 '/s, et 15 '/s, respectivement.
    1. Vérifiez les taux de dépôt à l'aide de la technique du microbalance cristal liquet (QCM). Les taux de dépôt dépendent de la température fixe des cellules d'épanchement et de la quantité de matériaux dans les cellules d'épanchement.
  3. Commencer à fournir In, Ga et Se sur le verre enduit de Mo pour former une couche de précurseur de 1 m d'épaisseur (In,Ga)xSey à la température du substrat de 450 oC. Le temps de dépôt est de 15 min (à savoir, 1st étape).
  4. Arrêtez les approvisionnements D'In et Ga et augmentez la température du substrat à 550 oC.
  5. Commencer à fournir Cu (taux de dépôt: 1,5 '/s) sur le (In,Ga)xSey précurseur et continuer jusqu'à ce que le Cu / (In Ga) rapport de composition du film atteint 1,15. Notez que le taux de dépôt De est maintenu à 15 euros/s à travers la 2ème étape (à savoir, 2nd étape).
  6. Cessez de fournir Cu et évaporez In et Ga à nouveau avec les mêmes taux de dépôt que la 1ère étape pour finalement former un film CIGS d'environ 2 m d'épaisseur avec Cu / (In-Ga) ratio de composition de 0,9. Maintenir le taux de dépôt de Se et la température du substrat à 15 's et 550 'C, respectivement. Le temps de déposition de cette étape est de 4 min (à savoir 3ème étape).
  7. Afin d'assurer une réaction complète, anneale le film CIGS déposé sous se ambiante (15 '/s) pendant 5 min à la température du substrat de 550 oC.
  8. Refroidir la température du substrat à 450 oC sous le Se ambiant (15 o/s) puis décharger le substrat déposé par le CIGS lorsque la température du substrat est inférieure à 250 oC.

3. Croissance de la couche tampon CdS sur la couche d'absorbeur CIGS à l'aide d'une méthode chimique de dépôt de bain (CBD)

  1. Préparer la solution de bain de réaction CdS dans un bécher de 250 ml en ajoutant 97 ml d'eau DI, 0,079 g de Cd(CH3COO)2o 2H2O, 0,041 g de NH2CSNH2, et 0,155 g de CH3COONH4. Remuer la solution pendant plusieurs minutes pour mélanger. Assurez-vous que tous les solutés ajoutés sont complètement dissous.
  2. Ajouter 3 mL de NH4OH (28% NH3) dans la solution de bain et remuer la solution pendant 2 min. Figure 1 montre la configuration expérimentale de CBD pour CdS.
  3. Placez l'échantillon CIGS dans la solution de bain de réaction à l'aide d'un support d'échantillon de téflon.
  4. Placez le bain de réaction dans le bain de chaleur de l'eau maintenu à 65 oC et remuez la solution de bain de réaction à 200 tr/min à l'aide d'une barre magnétique pendant le processus de dépôt.
  5. Réagissez pendant 20 minutes pour générer une couche tampon CdS d'environ 70 à 80 nm sur le CIGS.
  6. Après la réaction, retirer l'échantillon du bain de réaction, laver avec un flux d'eau DI, et sécher avec du gaz N 2.
  7. Anneal l'échantillon à 120 oC pendant 30 min sur une plaque chaude.

4. Fabrication du réseau AgNW TCE

  1. Préparer une dispersion AgNW diluée (1 mg/ml) en mélangeant 19 ml d'éthanol avec 1 ml de dispersion AgNW à base d'éthanol achetée (20 mg/ml).
  2. Verser 0,2 ml de la dispersion diluée d'AgNW sur un échantillon CdS/CIGS (2,5 cm x 2,5 cm) pour couvrir toute la surface de l'échantillon et faire pivoter l'échantillon de 1 000 tr/min pour 30 s.
  3. Répétez l'étape 4.2 au besoin pour atteindre les propriétés optiques et électriques souhaitées. Enrobez les AgNWs 3x. Une image de microscopie électronique à balayage (SEM) de l'AgNW TCE enduite est montrée dans la figure 2.
  4. Après le spin-enrobage, annexer l'échantillon à 120 oC pendant 5 min sur une plaque chaude.

5. Dépôt de la couche CdS 2nd

  1. Préparer une nouvelle solution de bain de réaction CdS telle que décrite à l'étape 3.1.
  2. Déposer le CdS comme à l'article 3, sauf modifier le temps de réaction au besoin.
    REMARQUE: Nous avons optimisé le temps de réaction, et 10 min a abouti à l'appareil CIGS avec les meilleures performances. L'effet du temps de dépôt de 2nd CdS sur une performance de dispositif de cellules solaires à film mince de CIGS peut être trouvé dans notre travail précédent14.

6. Techniques de caractérisation

  1. Caractériser la morphologie de surface et transversale des AgNW et des AgNW enduits de CdS par le SEM d'émission sur le terrain et la microscopie électronique de transmission (TEM).
  2. Mesurer la performance des cellules solaires à l'aide d'une source de tension de courant équipée d'un simulateur solaire (1 000 W/m2, AM1.5G).

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Representative Results

Les structures de calque des cellules solaires CIGS avec (a) standard ZnO:Al/i-ZnO et (b) AgNW TCE sont représentées dans la figure 3. La morphologie de surface de CIGS est rugueuse, et un écart à l'échelle nanométrique peut se former entre la couche AgNW et la couche tampon CdS sous-jacente. Comme le souligne la figure 3A, la couche CdS de 2nd peut être déposée sélectivement sur l'espace nanométrique pour créer un contact électrique stable. L'explication détaillée sur la formation du contact électrique et l'amélioration des propriétés électriques et des performances de l'appareil se trouve dans la référence 14. L'analyse structurale de la jonction AgNW et CdS, y compris la section transversale SEM et TEM, et la cartographie élémentaire correspondante peuvent également être trouvées dans la référence 14.

La figure 4 montre les images TRANSversales TEM (a) le long de la couche CdS de 2nd déposée sur le réseau AgNW sur la structure CdS/CIGS et (b) à travers la couche CdS de 2nd déposée sur le réseau AgNW. La structure CdS/CIGS montre une morphologie de surface robuste due à la structure granulaire de CIGS. Par conséquent, les AgNW nus sont suspendus dans l'air, et on ne peut pas s'attendre à un contact électrique stable avec la couche tampon CdS. La couche CdS de 2nd est uniformément déposée à la surface des AgNW, et la couche CdS sur la structure AgNW à coquille centrale (Ag-CdS NW) est produite comme le montre la figure 4B. En outre, la couche CdS de 2nd comble les écarts d'air entre la couche tampon CdS et la couche AgNW, comme le montre l'en-feu de la figure 4A,et un contact électrique stable est atteint.

La figure 5 et le tableau 1 montrent les performances de l'appareil d'une cellule solaire à couches minces CIGS avec des TCE AgNW et Ag-CdS NW nus. En raison d'un contact électrique instable, la cellule avec des AgNW séminaux a de mauvaises performances de l'appareil. Le dépôt d'une couche CdS de 2nd améliore considérablement les performances cellulaires, comme le montrent les caractéristiques J-V de la figure 5. La cellule avec le TCE NW Ag-CdS a montré une augmentation de plus de 50% de l'efficacité de l'appareil et FF par rapport à la TCE AgNW nue.

Figure 1
Figure 1 : Configuration des dépôts de bain chimique. Une image de la configuration expérimentale pour le dépôt chimique de bain de CdS sur CIGS. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Une image SEM du TCE AgNW. L'image SEM montre l'AgNW TCE enduit de spin sur la structure CdS/CIGS/Mo. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Diagramme schématique des cellules solaires à couches minces CIGS. Structure de couche d'une cellule solaire à couches minces CIGS avec (A) ZnO:Al/i-ZnO TCO et (B) AgNW TCE avec une couche CdS 2nd. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Analyse structurale de l'AG-CdS NW. (A) Image TRANSsectionnelle TEM le long d'un NW Ag-CdS sur une structure CdS/CIGS et (B) image TEM haute résolution à travers un NW Ag-CdS. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Comparaison des performances de l'appareil. Caractéristiques J-V des cellules solaires à couches minces CIGS avec des TCE Nu AgNW et Ag-CdS NW. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

cellule VOC (V) JSC (mA/cm2) Efficacité (%) FF (%)
TCE AgNW nu 0,60 29,5 annonces 7,9 44 Ans, en est à qui
TCE Ag-CdS 0,65 32,3 14,2 67,2 Annonces

Tableau 1 : Données sur les performances de l'appareil. Un résumé des performances de l'appareil dérivée des courbes J-V.

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Discussion

Notez que le temps de dépôt de la couche CdS 2nd doit être optimisé pour atteindre les performances cellulaires optimales. À mesure que le temps de dépôt augmente, l'épaisseur de la couche CdS de 2nd augmente et, par conséquent, le contact électrique s'améliorera. Cependant, un dépôt supplémentaire de la couche CdS 2nd se traduira par une couche plus épaisse qui réduit l'absorption de la lumière, et l'efficacité de l'appareil diminuera. Nous avons réalisé la meilleure performance cellulaire avec 10 min de temps de dépôt pour la couche CdS 2nd et déterminé que l'efficacité cellulaire a diminué avec des temps de dépôt plus longs.

Pour évaluer notre méthode, nous avons comparé les performances de l'appareil de la cellule solaire CIGS basée à AG-CdS NW avec celle d'une cellule solaire CIGS standard avec un piétiné ZnO:Al/i-ZnOl TCO, tel que décrit dans la figure 3A14. Les caractéristiques J-V étaient presque égales, et les performances globales de l'appareil étaient très similaires. Ce résultat prouve que notre méthode de processus de solution peut produire une cellule solaire à couches minces haute performance.

Diverses méthodes ont été appliquées pour améliorer les propriétés électriques d'AgNW TCE, y compris l'incorporation d'une matrice favorable. La méthode décrite dans ce protocole est simple et efficace pour améliorer la propriété de contact électrique entre AgNWs et la couche tampon CdS sous-jacente dans la cellule solaire à film mince CIGS. En raison de la propriété de contact améliorée, la performance des cellules solaires est grandement améliorée. La méthode est conçue pour s'appliquer au système CdS/CIGS, mais elle ne se limite pas au système CdS/CIGS. Lorsqu'une méthode de CBD appropriée est créée, notre méthode peut être appliquée pour créer un contact électrique de haute qualité entre les AgNW et la couche tampon dans les cellules solaires à couches minces chalcogenides.

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Disclosures

Les auteurs déclarent qu'ils n'ont pas d'intérêts financiers concurrents.

Acknowledgments

Cette recherche a été soutenue par le Programme interne de recherche et de développement de l'Institut coréen de recherche sur l'énergie (KIER) (B9-2411) et le Programme de recherche en sciences fondamentales par l'intermédiaire de la National Research Foundation of Korea (NRF) financé par le ministère de la Éducation (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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