Herstellung eines robusten Nano-Kontakts zwischen einer Silber-Nanodrahtelektrode und einer CdS-Pufferschicht in Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht-Solarzellen

Engineering

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Summary

In diesem Protokoll beschreiben wir das detaillierte experimentelle Verfahren zur Herstellung eines robusten nanoskaligen Kontakts zwischen einem Silber-Nanodraht-Netzwerk und cdS-Pufferschicht in einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle.

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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

Silber Nanodraht transparente Elektroden wurden als Fensterschichten für Cu(In,Ga)Se2 Dünnschicht-Solarzellen verwendet. Bare Silber NanodrahtElektroden führen in der Regel zu sehr schlechten Zellleistung. Das Einbetten oder Sandwichen von Silber-Nanodrähten mit mäßig leitfähigen transparenten Materialien wie Indiumzinnoxid oder Zinkoxid kann die Zellleistung verbessern. Die lösungsverarbeiteten Matrixschichten können jedoch eine erhebliche Anzahl von Grenzflächendefekten zwischen transparenten Elektroden und dem CdS-Puffer verursachen, was schließlich zu einer geringen Zellleistung führen kann. Dieses Manuskript beschreibt, wie ein robuster elektrischer Kontakt zwischen einer silbernen Nanodrahtelektrode und der darunter liegenden CdS-Pufferschicht in einer Cu(In,Ga)Se 2-Solarzelle hergestellt wird, was eine hohe Zellleistung mit matrixfreiem Silber-Nanodraht transparent ermöglicht. Elektroden. Die nach unserer Methode hergestellte matrixfreie Silber-Nanodrahtelektrode beweist, dass die Ladungsträger-Sammelfähigkeit von Silber-Nanodraht-Elektroden-basierten Zellen so gut ist wie die von Standardzellen mit gesputterter ZnO:Al/i-ZnO, solange die Silber-Nanodrähte und CdS haben hochwertigen elektrischen Kontakt. Der hochwertige elektrische Kontakt wurde durch die Ablagerung einer zusätzlichen CdS-Schicht von bis zu 10 nm auf die Silber-Nanodrahtoberfläche erreicht.

Introduction

Silber-Nanodraht-Netzwerke (AgNW) wurden als Alternative zu indium zinnoxid (ITO) transparenten Dünnschichten aufgrund ihrer Vorteile gegenüber herkömmlichen transparenten Leitoxiden (TCOs) in Bezug auf niedrigere Verarbeitungskosten und bessere mechanische Flexibilität. Lösungsbearbeitete AgNW-Netzwerk-Transparente Leitungselektroden (TCEs) wurden daher in Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) Dünnschicht-Solarzellen1,2,3,4,5 eingesetzt , 6. Lösungsbearbeitete AgNW-TCEs werden in der Regel in Form von Embedded-AgNW- oder Sandwich-AgNW-Strukturen in einer leitfähigen Matrix wie PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc. hergestellt7,8,9, 10,11 Die Matrixschichten können die Erfassung der Ladungsträger in den leeren Räumen des AgNW-Netzes verbessern.

Die Matrixschichten können jedoch Grenzflächendefekte zwischen der Matrixschicht und der zugrunde liegenden CdS-Pufferschicht in CIGS-Dünnschicht-Solarzellen12,13erzeugen. Die Grenzflächendefekte verursachen oft einen Knick in der Stromdichte-Spannungskurve (J-V), was zu einem niedrigen Füllfaktor (FF) in der Zelle führt, was die Leistung von Solarzellen beeinträchtigt. Wir hatten zuvor eine Methode zur Behebung dieses Problems gemeldet, indem eine zusätzliche dünne CdS-Schicht (2. CdS-Schicht) selektiv zwischen den AgNWs und der CdS-Pufferschicht14abgelegt wurde. Durch die Einbindung einer zusätzlichen CdS-Schicht wurden die Kontakteigenschaften im Knoten zwischen den AgNW- und CdS-Layern verbessert. Folglich wurde die Trägersammlung im AgNW-Netzwerk erheblich verbessert und die Zellleistung verbessert. In diesem Protokoll beschreiben wir das experimentelle Verfahren zur Herstellung eines robusten elektrischen Kontakts zwischen dem AgNW-Netzwerk und der CdS-Pufferschicht mit einer 2. CdS-Schicht in einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle.

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Protocol

1. Herstellung von Mo-beschichtetem Glas durch DC-Magnetron-Sputtern

  1. Reinigene Glassubstrate in ein GLEICHstrommagnetron laden und bis unter 4 x 10-6 Torr pumpen.
  2. Durchfluss Ar Gas und stellen Sie den Arbeitsdruck auf 20 mTorr.
  3. Schalten Sie Plasma ein und erhöhen Sie die DC-Ausgangsleistung auf 3 kW.
  4. Nach dem Vorspritzen von 3 min für die Zielreinigung beginnen Sie mit der Mo-Abscheidung, bis die Mo-Foliendicke ca. 350 nm erreicht.
  5. Stellen Sie den Arbeitsdruck auf 15 mTorr ein, während Sie die gleiche Ausgangsleistung (d. h. 3 kW) beibehalten.
  6. Setzen Sie die Mo-Abscheidung fort, bis die Gesamtdicke von Mo etwa 750 nm erreicht.

2. CIGS-Absorberschichtabscheidung durch dreistufige Verdampfung

  1. Mo-beschichtetes Glas unter einem Vakuum unter 5 x 10-6 Torr in einen vorgeheizten Co-Verdampfer laden.
  2. Stellen Sie die Temperaturen von In-, Ga- und Se-Ergusszellen mit Abscheidungsraten von 2,5 ,/s, 1,3 ,/s bzw. 15 °C/s ein.
    1. Überprüfen Sie die Abscheidungsraten mit der Quarzkristall-Mikrobalance (QCM)-Technik. Die Abscheidungsraten sind abhängig von der eingestellten Temperatur der Ergusszellen und der Menge der Materialien in den Ergusszellen.
  3. Beginnen Sie, In, Ga und Se auf das Mo-beschichtete Glas zu liefern, um eine 1 m dicke (In,Ga)xSey Vorläuferschicht bei einer Substrattemperatur von 450 °C zu bilden. Die Abscheidungszeit beträgt 15 min (nämlich1. Stufe).
  4. Stoppen Sie die In- und Ga-Versorgung und erhöhen Sie die Substrattemperatur auf 550 °C.
  5. Beginnen Sie, Cu (Abscheidungsrate: 1,5 x/s) auf den (In,Ga)xSey Vorläufer zu liefern und fahren Sie fort, bis das Kompositionsverhältnis Cu/(In + Ga) des Films 1,15 erreicht. Beachten Sie, dass die Se-Abscheidungsrate bis zur 2. Stufe bei 15 °/s gehalten wird (nämlich 2. Stufe).
  6. Stoppen Sie die Versorgung von Cu und verdampfen Sie In und Ga wieder mit den gleichen Abscheidungsraten wie die 1. Stufe, um schließlich eine ca. 2 m dicke CIGS-Folie mit Cu/(In+Ga) Kompositionsverhältnis von 0,9 zu bilden. Halten Sie die Se-Abscheidungsrate und die Substrattemperatur bei 15 °s bzw. 550 °C. Die Abscheidungszeit dieser Stufe beträgt 4 min (nämlich 3. Stufe).
  7. Um eine vollständige Reaktion zu gewährleisten, wird die abgelagerte CIGS-Folie unter Umgebungss-Se (15 x/s) für 5 min bei einer Substrattemperatur von 550 °C anneal.
  8. Kühlen Sie die Substrattemperatur unter Umgebungsse auf 450 °C ab und entladen Sie dann das CIGS-abgelagerte Substrat, wenn die Substrattemperatur unter 250 °C liegt.

3. Wachstum der CdS-Pufferschicht auf der CIGS-Absorberschicht mit einer chemischen Badabscheidungsmethode (CBD)

  1. Bereiten Sie die CdS-Reaktionsbadlösung in einem 250 ml Becher vor, indem Sie 97 ml DI-Wasser, 0,079 g Cd(CH3COO)2x 2H2O, 0,041 g NH2CSNH2und 0,155 g CH3COONH4hinzufügen. Rühren Sie die Lösung für mehrere Minuten zu mischen. Stellen Sie sicher, dass alle hinzugefügten Gelösten vollständig aufgelöst sind.
  2. Fügen Sie 3 ml NH4OH (28% NH3) in die Badlösung und rühren Sie die Lösung für 2 min. Abbildung 1 zeigt den experimentellen Aufbau von CBD für CdS.
  3. Die CIGS-Probe mit einem Teflon-Probenhalter in die Reaktionsbadlösung geben.
  4. Das Reaktionsbad in das bei 65 °C gehaltene Wasser-Wärmebad geben und die Reaktionsbadlösung bei 200 Umdrehungen bei 200 Umdrehungen rühren.
  5. Reagieren Sie 20 min lang, um eine ca. 70 bis 80 nm CdS-Pufferschicht auf dem CIGS zu erzeugen.
  6. Nach der Reaktion die Probe aus dem Reaktionsbad entfernen, mit einem Di-Wasserfluss waschen und mit N2-Gas trocknen.
  7. Die Probe bei 120 °C 30 min auf einer Kochplatte annealieren.

4. Herstellung des AgNW TCE-Netzes

  1. Bereiten Sie eine verdünnte AgNW-Dispersion (1 mg/ml) vor, indem Sie 19 ml Ethanol mit 1 ml einer gekauften Ethanol-basierten AgNW-Dispersion (20 mg/ml) mischen.
  2. 0,2 ml der verdünnten AgNW-Dispersion auf eine CdS/CIGS-Probe (2,5 cm x 2,5 cm) gießen, um die gesamte Oberfläche der Probe abzudecken und die Probe mit 1.000 Umdrehungen für 30 s zu drehen.
  3. Wiederholen Sie Schritt 4.2 nach Bedarf, um die gewünschten optischen und elektrischen Eigenschaften zu erreichen. Die AgNWs 3x verschichten. Abbildung 2zeigt ein Rasterelektronenmikroskopie (SEM) des spinbeschichteten AgNW TCE .
  4. Nach der Spin-Beschichtung die Probe bei 120 °C für 5 min auf einer Kochplatte annealieren.

5. Abscheidung der 2. CdS-Schicht

  1. Bereiten Sie eine neue CdS-Reaktionsbadlösung vor, wie in Schritt 3.1 beschrieben.
  2. Legen Sie CdS wie in Abschnitt 3 ab, außer ändern Sie die Reaktionszeit bei Bedarf.
    HINWEIS: Wir haben die Reaktionszeit optimiert, und 10 min führte zu dem CIGS-Gerät mit der besten Leistung. Der Effekt der 2. CdS-Abscheidungszeit auf eine CIGS Dünnschicht-Solarzellen-Geräteleistung finden Sie in unserer vorherigen Arbeit14.

6. Charakterisierungstechniken

  1. Charakterisieren Sie die Oberflächen- und Querschnittsmorphologie von AgNWs und CdS-beschichteten AgNWs durch Feldemission SEM und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM).
  2. Messen Sie die Leistung von Solarzellen mit einer Stromspannungsquelle, die mit einem Solarsimulator (1.000 W/m2, AM1.5G) ausgestattet ist.

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Representative Results

Die Schichtstrukturen der CIGS-Solarzellen mit (a) Standard ZnO:Al/i-ZnO und (b) AgNW TCE sind in Abbildung 3dargestellt. Die Oberflächenmorphologie von CIGS ist rau, und zwischen der AgNW-Schicht und der zugrunde liegenden CdS-Pufferschicht kann sich ein nanoskaliger Spalt bilden. Wie in Abbildung 3Ahervorgehoben, kann die 2. CdS-Schicht selektiv auf die nanoskaligen Lücke abgelagert werden, um einen stabilen elektrischen Kontakt zu erzeugen. Die ausführliche Erläuterung zur Bildung des elektrischen Kontakts und zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften und der Geräteleistung finden Sie in der Referenz 14. Die Strukturanalyse der AgNW- und CdS-Kreuzung einschließlich Querschnitts-SEM und TEM sowie die entsprechende Elementarkartierung finden sich ebenfalls in der Referenz 14.

Abbildung 4 zeigt die Querschnitts-TEM-Bilder (a) entlang der 2. CdS-Schicht, die sich im AgNW-Netzwerk auf der CdS/CIGS-Struktur abgelagert hat und (b) über die im AgNW-Netzwerk abgelagerte 2. CdS-Schicht. Die CdS/CIGS-Struktur zeigt aufgrund der körnigen Struktur von CIGS eine robuste Oberflächenmorphologie. Daher werden nackte AgNWs in der Luft aufgehängt, und ein stabiler elektrischer Kontakt mit der CdS-Pufferschicht ist nicht zu erwarten. Die2. CdS-Schicht wird gleichmäßig auf der Oberfläche der AgNWs abgelagert, und die CdS-Schicht auf der Kernschalenstruktur AgNW (Ag-CdS NW) wird wie in Abbildung 4Bdargestellt hergestellt. Darüber hinaus füllt die 2. CdS-Schicht die Luftlücken zwischen der CdS-Pufferschicht und der AgNW-Schicht, wie im Einset von Abbildung 4Adargestellt, und ein stabiler elektrischer Kontakt wird erreicht.

Abbildung 5 und Tabelle 1 zeigen die Geräteleistung einer CIGS-Dünnschicht-Solarzelle mit nackten AgNW- und Ag-CdS NW-TCEs. Aufgrund des instabilen elektrischen Kontakts weist die Zelle mit nackten AgNWs eine schlechte Geräteleistung auf. Die Deposition einer 2. CdS-Schicht verbessert die Zellleistung erheblich, wie in den J-V-Eigenschaften in Abbildung 5dargestellt. Die Zelle mit dem Ag-CdS NW TCE zeigte eine steigerung von mehr als 50% der Geräteeffizienz und FF im Vergleich zum nackten AgNW TCE.

Figure 1
Abbildung 1: Chemische Badabscheidungseinrichtung. Ein Bild des Versuchsaufbaus für die chemische Badabscheidung von CdS auf CIGS. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Ein SEM-Bild des AgNW TCE. Das SEM-Bild zeigt den spinbeschichteten AgNW TCE auf der CdS/CIGS/Mo-Struktur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Schematische Darstellung von CIGS Dünnschicht-Solarzellen. Schichtstruktur einer CIGS Dünnschicht-Solarzelle mit (A) ZnO:Al/i-ZnO TCO und (B) AgNW TCE mit einer 2nd CdS Schicht. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Strukturanalyse von Ag-CdS NW. (A) Querschnitts-TEM-Bild entlang einer Ag-CdS NW auf einer CdS/CIGS-Struktur und (B) hochauflösendem TEM-Bild über eine Ag-CdS NW. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Geräteleistungsvergleich. J-V-Eigenschaften von CIGS Dünnschicht-Solarzellen mit nackten AgNW- und Ag-CdS NW-TCEs. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

zelle VOC (V) JSC (mA/cm2) Effizienz (%) FF (%)
Bare AgNW TCE 0,60 29,5 7,9 44
Ag-CdS TCE 0,65 32,3 14,2 67,2

Tabelle 1: Geräteleistungsdaten. Eine Zusammenfassung der Geräteleistung, die aus den J-V-Kurven abgeleitet wurde.

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Discussion

Beachten Sie, dass die Abscheidungszeit der 2. CdS-Schicht optimiert werden muss, um die optimale Zellleistung zu erzielen. Mit zunehmender Abscheidungszeit nimmt die Dicke der 2. CdS-Schicht zu, so dass sich der elektrische Kontakt verbessert. Eine weitere Ablagerung der2. CdS-Schicht führt jedoch zu einer dickeren Schicht, die die Lichtabsorption reduziert, und die Geräteeffizienz wird verringert. Wir erreichten die beste Zellleistung mit 10 min Abscheidungszeit für die2. CdS-Schicht und stellten fest, dass die Zelleffizienz mit längeren Abscheidungszeiten abnahm.

Um unsere Methode zu bewerten, haben wir die Geräteleistung der Ag-CdS NW-basierten CIGS-Solarzelle mit der einer Standard-CIGS-Solarzelle mit einer gesputterten ZnO:Al/i-ZnOl TCO verglichen, wie in Abbildung 3A14beschrieben. Die J-V-Eigenschaften waren nahezu gleich, und die Geräteleistung insgesamt war sehr ähnlich. Dieses Ergebnis beweist, dass unser Lösungsverfahren eine leistungsstarke Dünnschicht-Solarzelle produzieren kann.

Verschiedene Methoden wurden angewendet, um die elektrischen Eigenschaften von AgNW TCE zu verbessern, einschließlich der Einbeziehung von förderlichen Matrix. Die in diesem Protokoll beschriebene Methode ist einfach und effektiv, um die elektrische Kontakteigenschaft zwischen AgNWs und der zugrunde liegenden CdS-Pufferschicht in CIGS-Dünnschicht-Solarzellen zu verbessern. Durch die verbesserte Kontakteigenschaft wird die Leistung der Solarzellen deutlich verbessert. Die Methode ist auf das CdS/CIGS-System angewendet, ist jedoch nicht auf das CdS/CIGS-System beschränkt. Wenn eine geeignete CBD-Methode entwickelt wird, kann unsere Methode angewendet werden, um einen qualitativ hochwertigen elektrischen Kontakt zwischen AgNWs und der Pufferschicht in Chalcogenid-Dünnschicht-Solarzellen herzustellen.

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Disclosures

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Acknowledgments

Diese Forschung wurde durch das interne Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) und das Basic Science Research Program durch die National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, die vom Ministerium für Bildung (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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