Gümüş Nanowire elektrot ve CD tampon katmanı arasında cu (ın, GA) se2 ince-film güneş pilleri arasında sağlam Nanoölçek temas imalatı

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

Bu protokolde, biz bir gümüş nanotel ağ ve CD tampon katmanı arasında bir CIGS ince film güneş hücresi arasında sağlam bir nano temas imalat için ayrıntılı deneysel prosedür açıklanmaktadır.

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

Gümüş nanotel şeffaf elektrotlar cu (ın, GA) se2 ince film güneş pilleri için pencere katmanları olarak istihdam edilmiştir. Çıplak gümüş nanotel elektrotlar normalde çok kötü hücre performansı neden. Indum kalay oksit veya çinko oksit gibi orta iletkenli şeffaf malzemeler kullanarak gümüş nanoteller katıştırma veya sandviç, hücre performansını artırabilir. Ancak, çözelti işlenmiş matris katmanları şeffaf elektrotlar ve CD tampon arasında önemli sayıda arayüzey kusurları neden olabilir, bu da sonunda düşük hücre performansına neden olabilir. Bu yazıda bir gümüş nanotel elektrot ve temel CD tampon katmanı arasında bir cu (ın, GA) se2 güneş hücresi arasında sağlam elektrik teması imal açıklar, matris içermeyen gümüş nanotel şeffaf kullanarak yüksek hücre performansı sağlayan Elektrot -lar. Bizim yöntemi tarafından imal matris ücretsiz gümüş nanotel elektrot gümüş nanotel elektrot tabanlı hücrelerin şarj taşıyıcı toplama yeteneği gibi iyi olduğunu kanıtlıyor standart hücreler olarak balonaklı ZNO: Al/i-ZNO uzun gümüş nanoteller ve CD 'Lerin yüksek kaliteli elektrik teması vardır. Yüksek kaliteli elektrik teması, gümüş nanotel yüzeyine 10 Nm kadar ince bir ek CD tabakası yatırarak elde edilmiştir.

Introduction

Gümüş nanotel (agnw) ağlar kapsamlı bir alternatif olarak çalışılmıştır ındum kalay oksit (ITO) Şeffaf iletken ince filmler geleneksel Şeffaf iletken oksitler üzerinden avantajları nedeniyle (TCOS) düşük işlem maliyeti açısından ve daha iyi mekanik esneklik sağlar. Çözüm-işlenmiş AgNW ağ Şeffaf iletken elektrotlar (TCEs) böylece cu (ın, GA) se2 (cigs) ince film güneş hücreleri1,2,3,4,5 istihdam edilmiştir , 6. çözelti-işlenmiş agnw TCEs normalde gömülü-agnw veya sandviç-agnw yapıları PEDOT gibi iletken bir matris şeklinde imal edilmiştir: PSS, Ito, ZnO, vb7,8,9, 10,11 matris katmanları, ücret taşıyıcıları koleksiyonunun agnw ağının boş alanlarda bulunduğunu geliştirebilir.

Ancak, matris katmanları CIGS ince film güneş hücreleri12,13matris katmanı ve temel CDS tampon katmanı arasında arayüzey kusurları üretebilir. Arayüzey kusurları genellikle geçerli yoğunluk voltajında bir kink neden (J-V) eğrisi, düşük Dolgu faktörü sonuçlanan (FF) hücre, hangi güneş hücresi performansı için zararlı olan. Daha önce, AgNWs ve CdS arabellek katmanı14arasında ek bir ince CD katmanı (2ND CD katmanı) yatırarak bu sorunu çözmek için bir yöntem bildirdik. Ek bir CD katmanının birleştirilmesi, AgNW ve CD katmanları arasındaki kavşakta bulunan temas özelliklerini geliştirdi. Sonuç olarak, AgNW ağındaki taşıyıcı koleksiyonu büyük ölçüde iyileştirildi ve hücre performansı geliştirildi. Bu protokolde, biz bir CIGS ince film güneş hücresi 2ND CD katmanı kullanarak agnw ağ ve CD tampon katmanı arasında sağlam elektrik teması üretebilmek için deneysel prosedürü tarif.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. DC magnetron püskürtme ile Mo-kaplı cam hazırlanması

  1. Temizlenmiş cam substratlar bir DC magnetron içine yük ve aşağı 4 x 10-6 Torr aşağı pompa.
  2. Debi ar gazı ve çalışma basıncını 20 mTorr olarak ayarlayın.
  3. Plazma açın ve DC çıkış gücünü artırmak 3 kW.
  4. Hedef temizlik için 3 dakika ön-fışkırmadan sonra, Mo film kalınlığı yaklaşık 350 NM ulaştığında Mo biriktirme başlar.
  5. Aynı çıkış gücünü (örn. 3 kW) korurken çalışma basıncını 15 mTorr olarak ayarlayın.
  6. Mo toplam kalınlığı yaklaşık 750 Nm ulaşır kadar Mo biriktirme devam.

2. üç aşamalı koevaporasyon yoluyla CIGS emici tabaka birikimi

  1. 5 x 10-6 Torr 'den daha düşük bir vakum altında önceden ısıtılmış bir eş-Buharlaştırıcı içine Mo-kaplı cam yükleyin.
  2. Sırasıyla 2,5 å/s, 1,3 å/s ve 15 å/s cinsinden biriktirme hızları sağlayan ın, GA ve se efüzyon hücrelerinin sıcaklıklarını ayarlayın.
    1. Kuvars Kristal mikrodenge (QCM) tekniğini kullanarak biriktirme oranlarını kontrol edin. Biriktirme oranları efüzyon hücrelerinin set sıcaklığına ve efüzyon hücrelerinde malzeme miktarına bağlıdır.
  3. 450 °c ' nin substrat sıcaklığında 1 μm kalınlığında (ın, GA)xsey habercisi tabakası oluşturmak için Mo kaplı cama ın, GA ve se 'ye tedarik etmeye başlayın. Biriktirme süresi 15 dakika (yani, 1St aşama).
  4. In ve GA malzemelerini durdurun ve 550 °C ' ye kadar substrat sıcaklığını artırın.
  5. Cu tedarik başlar (biriktirme oranı: 1,5 Å/s) üzerine (ın, GA)xsey ön ve cu kadar devam/(+ GA) filmin kompozisyon oranı 1,15 ulaşır. Se biriktirme oranı 2ND aşama (yani 2ND aşama) ile 15 Å/s korunur unutmayın.
  6. Cu tedarik etmeyi durdurun ve 1St aşamasına kadar aynı biriktirme oranlarına sahip olarak yeniden Buharlaşın ve GA/(ın + ga) 0,9 kompozisyonsal oranı ile yaklaşık 2 μm kalınlığında CIGS filmi oluşturur. Se biriktirme hızı ve substrat sıcaklığını sırasıyla 15 Å/s ve 550 °C ' de koruyun. Bu aşamanın biriktirme süresi 4 dakika (yani 3 'üncü aşama).
  7. Tam bir reaksiyon sağlamak için, 550 °c ' nin substrat sıcaklığında 5 dk için Ambient se (15 Å/s) altında biriken CIGS filmi tavlama.
  8. Yüzey sıcaklığı 250 °C ' nin altında olduğu zaman, ortam se (15 Å/s) altında 450 °C ' ye kadar soğur ve sonra da CIGS yatırılmış substrat boşaltılır.

3. bir kimyasal banyo biriktirme (CBD) yöntemi kullanılarak CıGS emici katmanında CD tampon katmanının büyümesi

  1. CD (CH3COO)2· 2H2O, 0,041 g NH2csnh2ve 0,155 g ch3coonh4, 97 ml dı su ekleyerek 0,079, 250 ml kabı CDS reaksiyon banyo çözümü hazırlayın. Karıştırın birkaç dakika için çözüm karıştırın. Tüm eklenen solutes tamamen çözülür emin olun.
  2. Banyo çözeltisi içine 3 mL NH4Oh (% 28 NH3) ekleyin ve 2 dakika Için çözüm KARıŞTıRıN 1 CD için CBD deneysel kurulumunu gösterir.
  3. Bir Teflon örnek tutucu kullanarak reaksiyon banyo çözümü içine CıGS örnek koyun.
  4. 65 °C ' de tutulan su-ısı banyosuna reaksiyon banyosunu koyun ve biriktirme işlemi sırasında bir manyetik çubuk kullanarak 200 rpm 'de reaksiyon banyosu çözümünü karıştırın.
  5. Yaklaşık 70 oluşturmak için 20 dakika tepki 80 nm CdS tampon katmanı CıGS üzerinde.
  6. Reaksiyondan sonra, numuneyi reaksiyon banyosundan çıkarın, bir dı suyu akışı ile yıkayın ve N2 gazla kurutun.
  7. Bir sıcak plaka üzerinde 30 dakika için 120 °C ' de örnek anneal.

4. AgNW TCE ağının imalatı

  1. 1 mL (20 mg/mL) satın alınan etanol tabanlı AgNW dispersiyonu ile 19 mL etanol karıştırarak seyreltilmiş bir AgNW dağılımı (1 mg/mL) hazırlayın.
  2. Numunenin tüm yüzeyini kapsayacak şekilde (2,5 cm x 2,5 cm) bir CD/CIGS numunesi üzerine seyreltilmiş AgNW dispersiyonunda 0,2 mL dökün ve numuneyi 30 s için 1.000 RPM ile döndürün.
  3. İstenen optik ve elektriksel özellikleri elde etmek için gerektiğinde adım 4,2 tekrarlayın. Spin-Coat AgNWs 3x. Spin kaplamalı AgNW TCE 'nin Tarama elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü Şekil 2' de gösterilir.
  4. Spin-kaplama sonra, bir sıcak plaka üzerinde 5 dakika için 120 °c ' de numune tavlama.

5.2ND CD katmanının birikimi

  1. 3,1 adımda açıklandığı gibi yeni bir CD reaksiyonu banyo çözümü hazırlayın.
  2. Gereken reaksiyon süresini değiştirmek dışında, Bölüm 3 ' te olduğu gibi CD 'Leri yatırın.
    Not: reaksiyon süresini optimize ettik ve 10 dk. en iyi performansa sahip CıGS cihazıyla sonuçlandı. Bir CıGS ince film güneş pili cihaz performansı 2ND CDS biriktirme süresi etkisi önceki çalışma14bulunabilir.

6. karakterizasyon teknikleri

  1. Alan emisyonu SEM ve iletim elektron mikroskobu (TEM) ile AgNWs ve CD kaplı AgNWs 'in yüzey ve çapraz Seksiyonel morfolojisi karakterize edilir.
  2. Bir güneş Simülatörü (1.000 W/m2, 1,5 g) ile donatılmış bir akım voltaj kaynağı kullanarak güneş hücresi performansını ölçmek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

CIGS güneş hücrelerinin katman yapıları (a) standart ZnO: Al/i-ZnO ve (b) AgNW TCE Şekil 3' te gösterilir. CIGS 'nin yüzey morfolojisi pürüzlü ve AgNW tabakası ile altta yatan CdS tampon katmanı arasında Nanoölçek boşluğu ortaya çıkarabilir. Şekil 3A'da vurgulanan 2ND CD katmanı, istikrarlı bir elektrik teması oluşturmak için nano ölçek boşluğu üzerine seçici olarak yatırılabilir. Elektrik temas ve elektriksel özellikleri ve cihaz performansı geliştirme oluşumu hakkında ayrıntılı açıklama referans 14 bulunabilir. Geçici SEM ve TEM dahil olmak üzere AgNW ve CdS kavşağının yapısal analizi ve buna karşılık gelen Elemental haritalama da referans 14 ' te bulunabilir.

Şekil 4 , CD/cigs yapısında agnw ağında yatırılan 2ND CD katmanında (b), agnw ağında yatırılan 2ND CD katmanı boyunca çapraz kesit Tem görüntülerini (a) gösterir. CD/CIGS yapısı, CıGS 'in granüler yapısına bağlı olarak engebeli bir yüzey morfolojisi gösterir. Bu nedenle, çıplak AgNWs havada askıya alınır ve CdS tampon katmanı ile istikrarlı elektrik teması beklenemez. 2ND CD katmanı, agnws 'in yüzeyine eşit şekilde yatırılır ve Core-Shell agnw (AG @ CDS NW) yapısında CD katmanı Şekil 4b'de gösterildiği gibi üretilir. Ayrıca, 2ND CD katmanı, Şekil 4AAnkastre olarak gösterildiği gibi CDS tampon katmanı ve agnw katmanı arasındaki hava boşlukları doldurur ve istikrarlı elektrik teması elde edilir.

Şekil 5 ve Tablo 1 bir cigs cihaz performansını göster Thin-film çıplak agnw ve AG @ CDS NW TCEs ile güneş hücresi. Kararsız elektrik teması nedeniyle, çıplak AgNWs ile hücre zayıf cihaz performansı vardır. 2ND CD katmanının birikimi, Şekil 5' teki J-V özelliklerinde gösterildiği gibi hücre performansını büyük ölçüde arttırır. AG @ CD 'Ler NW TCE ile hücre daha büyük gösterdi 50% cihaz verimliliği artış ve FF çıplak AgNW TCE kıyasla.

Figure 1
Şekil 1: kimyasal banyo biriktirme kurulumu. CIGS üzerinde CD 'Ler kimyasal banyo birikimi için deneysel kurulum bir görüntü. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: AgNW TCE 'Nin BIR SEM görüntüsü. SEM görüntü CD/CIGS/Mo yapısında spin kaplı AgNW TCE gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: CıGS ince film güneş hücrelerinin şematik şeması. (A) ZNO: al/ı-ZNO TCO ve (B) agnw TCe ile 2ND CD katmanı ile CIGS ince film güneş hücresi katman yapısı. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: AG @ CDS NW yapısal analizi. (A) bir AG @ CDS NW üzerinde bir CD/cigs yapısı ve (B) yüksek çözünürlüklü Tem görüntü BIR AG @ CDS NW boyunca çapraz Seksiyonel Tem görüntü. Bu rakam daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: cihaz performans karşılaştırması. CıGS ince film güneş hücrelerinin J-V özellikleri Bare AgNW ve AG @ CdS NW TCEs ile. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.

Hücre vOC (v) Jsc (ma/cm2) Verimlilik (%) FF (%)
Çıplak AgNW TCE 0,60 29,5 7,9 44
AG @ CD 'Ler TCE 0,65 32,3 14,2 67,2

Tablo 1: aygıt performans verileri. J-V eğrilerinden türetilen cihaz performansının bir özeti.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

2ND CD katmanının biriktirme süresini en iyi hücre performansını elde etmek için optimize edilmelidir unutmayın. Biriktirme süresi arttıkça, 2ND CD katmanının kalınlığı artar ve sonuç olarak elektrik teması gelişecektir. Ancak, 2ND CD katmanının daha fazla birikimi ışık emilimini azaltan kalın bir tabakaya neden olacak ve cihaz verimliliği azalacak. 2ND CD katmanı için 10 dk birikme süresi ile en iyi hücre performansını elde ettik ve hücre verimliliğinin daha uzun biriktirme süreleri ile azaldığını belirledi.

Bizim yöntemi değerlendirmek için, biz AG @ CD 'Ler NW tabanlı CıGS güneş hücresi ile standart bir CıGS güneş hücresi ile bir yıpranmış ZnO ile cihaz performansını karşılaştırıldı: al/ı-ZnOl TCO, Şekil 3A14açıklandığı gibi. J-V özellikleri neredeyse eşittir ve genel cihaz performansları çok benzerdir. Bu sonuç, çözüm süreci yöntemimizin yüksek performanslı ince film güneş hücresi üretebilen olduğunu kanıtlıyor.

AgNW TCE 'nin elektrik özelliklerini geliştirmek için çeşitli yöntemler uygulanmaktadır. Bu protokolde açıklanan yöntem basit ve etkili olan CIGS ince film güneş hücresi içinde AgNWs ve altta yatan CD tampon katmanı arasında elektrik temas özelliği geliştirmek için. Gelişmiş temas özelliği nedeniyle, güneş pili performansı büyük ölçüde geliştirilmiştir. Yöntem CD/CIGS sistemine uygulamak için tasarlanmıştır, ancak CD/CIGS sistemi ile sınırlı değildir. Uygun bir CBD yöntemi oluşturulduğunda, bizim Yöntem AgNWs ve Chalcogenide ince film güneş pilleri tampon katmanı arasında yüksek kaliteli elektrik teması oluşturmak için uygulanabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar, rakip finansal çıkarların olmadığını beyan ederler.

Acknowledgments

Bu araştırma of-House araştırma ve geliştirme programı Kore Enerji Araştırma Enstitüsü (KıER) (B9-2411) ve temel bilim araştırma programı tarafından desteklenen Kore Ulusal Araştırma Vakfı (NRF) Bakanlığı tarafından finanse Eğitim (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