Name: fabrication of robust nanoscale contact between a silver nanowire electrode and cds buffer layer in cu(in,ga)se2 thin-film solar cells
Uploaded: 2019-07-19T14:30:00
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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).

1. Préparation du verre mo-enduit par DC magnétron pulvérisation
<ol><li>Chargez les substrats de verre nettoyés dans un magnétron DC et pompez jusqu'à moins de 4 x 10-6 Torr.</li>
	<li>Flux de gaz Ar et de définir la pression de travail à 20 mTorr.</li>
	<li>Allumez le plasma et augmentez la puissance de sortie DC à 3 kW.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Déf...

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

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 ...

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.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:616px;" width="617">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Mo</td>
			<td style="width:115px;">Materion</td>
			<td style="width:119px;">Purity: 3N5</td>
			<td style="width:167px;">Mo sputtering</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cu</td>
			<td style="width:115px;">5N Plus</td>
			<td style="width:119px;">Purity: 4N7</td>
			<td>CIGS deposition</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">In</td>
			<td style="width:115px;">5N Plus</td>
			<td style="width:119px;">Purity: 5N</td>
			<td>CIGS deposition</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ga</td>
			<td style="width:115px;">5N Plus</td>
			<td style="width:119px;">Purity: 5N</td>
			<td>CIGS deposition</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Se</td>
			<td style="width:115px;">5N Plus</td>
			<td style="width:119px;">Purity: 5N</td>
			<td>CIGS deposition</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ammonium acetate</td>
			<td style="width:115px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:119px;">11599</td>
			<td>CdS reaction solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ammonium hydroxide</td>
			<td style="width:115px;">Alfa Aesar</td>
			<td style="width:119px;">L13168</td>
			<td>CdS reaction solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Cadmium acetate dihydrate</td>
			<td style="width:115px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">289159</td>
			<td>CdS reaction solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Thiourea</td>
			<td style="width:115px;">Sigma-Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">T8656</td>
			<td>CdS reaction solution</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Silver Nanowire</td>
			<td style="width:115px;">ACSMaterial</td>
			<td style="width:119px;">AgNW-L30</td>
			<td>AgNW dispersion</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication of robust nanoscale contact between a silver nanowire electrode and cds buffer layer in cu(in,ga)se2 thin-film solar cells

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.

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 c...

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Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells

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.

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

Silver nanowire transparent electrodes have been employed as window layers for Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Bare silver nanowire electrodes ...

Les réseaux nanofils argentés sont une technologie émergente pour remplacer les oxydes conductrices transparents traditionnels dans l’application de cellules solaires à couches minces. Cependant, le contact électrique avec la couche sous-jacente a été un problème. Notre protocole est une méthode de processus simple pour améliorer la propriété de contact électrique entre le réseau nanofil argenté et la couche tampon sous-jacente de CdS dans les cellules solaires à couches minces cigs.Notre méthode est un processus très simple, reproductible et bon marché basé sur les solutions. Il est également comparable au processus existant basé sur les solutions, pour fabriquer des cellules solaires à couches minces CIGS. Tout d’abord, chargez les substrats en verre nettoyés dans un magnétron DC, et pompez vers le bas pour souffler quatre fois 10 à la moins six torr.Écoulez le gaz argon et réglez la pression de travail à 20 millitorr. Allumez le plasma et augmentez la puissance de sortie de DC à trois kilowatts. Après avoir pré-pulvérisé trois minutes pour le nettoyage de la cible, commencer le dépôt de molybdène jusqu’à ce que l’épaisseur du film molybdène atteigne environ 350 nanomètres.Ensuite, réglez la pression de travail à 15 millitorr, tout en maintenant la puissance de sortie à 3 kilowatts. Reprendre le dépôt de molybdène jusqu’à ce que l’épaisseur totale du molybdène atteigne environ 750 nanomètres. Charger le verre recouvert de molybdène dans un co-évaporateur préchauffé sous vide inférieur à 5 fois 10 à moins 6 torr.Réglez les températures des cellules d’effusion d’indium, de gallium et de sélénium donnant des taux de dépôt de 2,5, 1,3 et 15 angstroms par seconde, respectivement. Vérifiez les taux de dépôt à l’aide de la technique de microbalance de cristal de quartz. Commencez à fournir de l’indium, du gallium et du sélénium sur le verre recouvert de molybdène pour former une couche précurseur indium-gallium-sélénium d’un micromètre d’épaisseur à une température du substrat de 450 degrés Celsius.Après 15 minutes, arrêter les réserves d’indium et de gallium et augmenter la température du substrat à 550 degrés Celsius. Ensuite, commencez à fournir du cuivre sur le précurseur de l’indium-gallium-sélénium et continuez jusqu’à ce que le rapport compositionnel cuivre-indium+gallium du film atteigne 1,15. Arrêtez de fournir du cuivre et évaporez à nouveau l’indium et le gallium avec les mêmes taux de dépôt que la première étape pour former un film CIGS d’environ 2 micromètres d’épaisseur avec un rapport compositionnel cuivre-indium+gallium de 0,9.Maintenir le taux de dépôt de sélénium et la température du substrat à 15 angstroms par seconde et 550 degrés Celsius, respectivement. Afin d’assurer une réaction complète, anneal le film CIGS déposé sous le sélénium ambiant pendant 5 minutes à une température de substrat de 550 degrés Celsius. Diminuer la température du substrat à 450 degrés Celsius sous le sélénium ambiant, puis décharger le substrat déposé cigs lorsque la température du substrat est inférieure à 250 degrés Celsius.Préparer une solution de bain de réaction de sulfure de cadmium dans un bécher de 250 millilitres, en ajoutant de l’eau déionisée, du dihydrate d’acétate de cadmium, de la thiourée et de l’acétate d’ammonium. Remuer la solution pendant plusieurs minutes jusqu’à homogénéité. Ajouter 3 millilitres d’hydroxyde d’ammonium à la solution de bain et remuer pendant 2 minutes.Ensuite, placez l’échantillon CIGS dans la solution de bain de réaction à l’aide d’un porte-échantillon de téflon. Placez le bain de réaction dans un bain de chaleur de l’eau, maintenu à 65 degrés Celsius. Remuer la solution de bain de réaction à 200 RPM pendant le processus de dépôt, ce qui permet à la réaction de se poursuivre pendant 20 minutes pour générer une couche tampon de sulfure de cadmium d’environ 70-80 nanomètres sur le CIGS.Après la réaction, retirer l’échantillon du bain de réaction, laver avec un écoulement d’eau déionisée et sécher avec du gaz azoté. Anneal l’échantillon à 120 degrés Celsius pendant 30 minutes sur une plaque chauffante préchauffée. Préparez une dispersion nanofil argentée de 1 milligramme par millilitre en mélangeant 90 millilitres d’éthanol avec 1 millilitre d’une dispersion nanofil argentée à base d’éthanol de 20 milligrammes par millilitre.Verser 0,2 millilitres de la dispersion diluée des nanofils argentés sur un échantillon de cigs de sulfure de cadmium, pour couvrir toute la surface et faire pivoter l’échantillon à 1 000 RPM pendant 30 secondes. Par la suite, enduire les nanofils d’argent 3 fois. Après spin-enduit, anneal l’échantillon à 120 degrés Celsius pendant 5 minutes sur une plaque chauffante préchauffée.Préparez une nouvelle solution de bain de réaction de sulfure de cadmium comme décrit précédemment. Déposer le sulfure de cadmium comme décrit précédemment, sauf changer le temps de réaction, au besoin. Maintenant, caractérisez la morphologie de surface des nanofils argentés recouverts de sulfide de cadmium par microscopie optique.Mesurez les performances des cellules solaires à l’aide d’une source de tension actuelle équipée d’un simulateur solaire. Les structures de couche des cellules solaires CIGS avec l’oxyde de zinc dopé en aluminium standard sur l’oxyde intrinsèque de zinc et les électrodes transparentes de conduite de réseau de nanofil argent sont montrées ici. La deuxième couche de sulfure de cadmium peut être déposée sélectivement sur l’espace nanométrique pour créer un contact électrique stable.Des images transversales de microscopie électronique de transmission, le long de la deuxième couche de sulfure de cadmium, déposées sur le réseau de nanofils argentés sur la structure cigs de sulfure de cadmium, et à travers la deuxième couche de sulfure de cadmium déposée sur le réseau nanofil argenté, sont présentées ici. La deuxième couche de sulfure de cadmium est uniformément déposée à la surface des nanofils argentés et la couche de cadmium sur la structure nanofilée argentée de la coquille centrale est produite. La deuxième couche de sulfure de cadmium comble les écarts d’air entre le tampon de cadmium et les couches nanofilées argentées, et un contact électrique stable est atteint.La performance de l’appareil d’une cellule solaire à couches minces CIGS avec nanofils argentés nus, et la couche de sulfure de cadmium sur les électrodes de conduite transparentes en nanofil argenté de la coquille centrale sont présentées ici. En raison d’un contact électrique instable, la cellule avec des nanofils argentés nus a de mauvaises performances de l’appareil. Le dépôt d’une deuxième couche de cadmium améliore considérablement les performances cellulaires.L’étape la plus importante de notre protocole est de fabriquer une deuxième couche cdS sur le réseau nanofil argenté. Le temps divergent peut être optimisé en mesurant les performances de l’appareil de la cellule solaire à couches minces CIGS. Nous proposons une méthode pour fabriquer un contact électrique robuste à l’échelle nanométrique dans le système CIGS.Nous croyons que notre méthode peut être appliquée à d’autres systèmes de cellules solaires, qui nécessitent l’amélioration des propriétés de contact électrique.

Research

JoVE Journal

Engineering

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