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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Robust Nanoscale Contact between a Silver Nanowire Electrode and CdS Buffer Layer in CuIn,GaSe2 Thin-film Solar Cells at JoVE.com

Questa ricerca è stata sostenuta dal Programma di Ricerca e Sviluppo In-House del Korea Institute of Energy Research (KIER) (B9-2411) e dal Basic Science Research Program attraverso la National Research Foundation of Korea (NRF) finanziato dal Ministero della Istruzione (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

1. Preparazione di vetro rivestito in moe da DC magnetron sputtering
<ol><li>Caricare i substrati di vetro puliti in un magnetron DC e pompare fino a sotto 4 x 10-6 Torr.</li>
	<li>Flusso Ar gas e impostare la pressione di lavoro a 20 mTorr.</li>
	<li>Accendere il plasma e aumentare la potenza di uscita DC a 3 kW.</li>
	<li>Dopo il pre-sputtering di 3 min per la pulizia del bersaglio, iniziare la deposizione Mo fino a quando lo spessore della pellicola Mo raggiunge circa 350 nm.</li>
	<li>Impostare la pressi...

<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>

Si noti che il tempo di deposizione del livello 2nd CdS deve essere ottimizzato per ottenere prestazioni ottimali delle celle. Con l'aumentare del tempo di deposizione, aumenta lo spessore del livello 2nd CdS e, di conseguenza, il contatto elettrico migliorerà. Tuttavia, un'ulteriore deposizione dello strato 2nd CdS si tradurrà in uno strato più spesso che riduce l'assorbimento della luce e l'efficienza del dispositivo diminuirà. Abbiamo raggiunto le migliori prestazioni cellulari con...

Le reti di nanofili d'argento (ANW) sono state ampiamente studiate come alternativa all'indiotto stagno di stagno (ITO) che conducono pellicole sottili trasparenti a causa dei loro vantaggi rispetto agli ossidi conduttori trasparenti convenzionali (TCO) in termini di minori costi di elaborazione e migliore flessibilità meccanica. La rete AgNW in modo trasparente elaborato in soluzione sono stati quindi impiegati nelle celle solari a film sottile Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)1,2,3,4,5 , 6. Le ETE AgNW trattate dalla soluzione sono normalmente fabbricate sotto forma di strutture embedded-AgNW o sandwich-AgNW in una matrice conduttiva come PEDOT:PSS, ITO, nO, ecc.7,8,9, 10,11 I livelli della matrice possono migliorare la raccolta dei vettori di carica presenti negli spazi vuoti della rete AgNW.
Tuttavia, gli strati della matrice possono generare difetti interfacciali tra il livello della matrice e lo strato di buffer CdS sottostante nelle celle solari a film sottile CIGS12,13. I difetti interfacciali spesso causano una piega nella curva densità-tensione corrente (J-V), con conseguente basso fattore di riempimento (FF) nella cella, che è dannoso per le prestazioni delle celle solari. In precedenza abbiamo segnalato un metodo per risolvere questo problema depositando in modo selettivo un ulteriore livello CdS sottile (2nd livello CdS) tra gli AGW e il livello di buffer CdS14. L'incorporazione di un ulteriore livello CdS ha migliorato le proprietà di contatto nel nodo tra i layer AgNW e CdS. Di conseguenza, la raccolta carrier nella rete AgNW è stata notevolmente migliorata e le prestazioni delle celle sono state migliorate. In questo protocollo, descriviamo la procedura sperimentale per fabbricare un robusto contatto elettrico tra la rete AgNW e lo strato di buffer CdS utilizzando uno strato 2nd CdS in una cella solare ciGS a film sottile.

<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

Gli elettrodi trasparenti in nanofilo d'argento sono stati impiegati come strati di finestre per le celle solari Cu(In,Ga)Se2 a film sottile. Gli elettrodi nanofili a fine argento normalmente si traducono in prestazioni cellulari molto scarse. L'incorporamento o l'inserimento di nanofili d'argento con materiali trasparenti moderatamente conduttivi, come l'ossido di stagno indio o l'ossido di zinco, può migliorare le prestazioni delle cellule. Tuttavia, gli strati di matrice elaborati dalla soluzione possono causare un numero significativo di difetti interfacciali tra elettrodi trasparenti e il buffer CdS, che alla fine può comportare prestazioni ridotte. Questo manoscritto descrive come fabbricare un robusto contatto elettrico tra un elettrodo nanofilo d'argento e lo strato di buffer CdS sottostante in una cella solare Cu(In,Ga)Se2, consentendo prestazioni cellulari elevate utilizzando nanofilo d'argento privo di matrice trasparente trasparente Elettrodi. L'elettrodo nanofilo d'argento privo di matrice fabbricato con il nostro metodo dimostra che la capacità di raccolta del vettore di carica delle cellule a base di elettrodo nanofilo d'argento è buona come quella delle cellule standard con sputtered CdS hanno un contatto elettrico di alta qualità. Il contatto elettrico di alta qualità è stato ottenuto depositando uno strato aggiuntivo di CdS sottile come 10 nm sulla superficie del nanofilo d'argento.

Le strutture di strati delle celle solari CIGS con (a) standard nO:Al/i-'nO e (b) AgNW TCE sono mostrate nella Figura 3. La morfologia superficiale del CIGS è ruvida e può formarsi uno spazio su nanoscala tra lo strato AgNW e lo strato di buffer CdS sottostante. Come evidenziato nella Figura 3A, lo strato 2nd CdS può essere depositato selettivamente sul divario su nanoscala per creare un contatto elettrico stabile. ...

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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

In questo protocollo, descriviamo la procedura sperimentale dettagliata per la fabbricazione di un robusto contatto su nanoscala tra una rete di nanofili d'argento e lo strato di buffer CdS in una cella solare ciGS a film sottile.

Fabbricazione di robusto contatto nanoscala tra un'elettroda Nanowire d'argento e CdS Buffer Layer in Cu(In,Ga)Se2 thin-film Solar Cells

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

Le reti di nanofili d'argento sono una tecnologia emergente per sostituire i tradizionali ossidi conduttivi trasparenti nell'applicazione a celle solari a film sottile. Tuttavia, il contatto elettrico con lo strato sottostante è stato un problema. Il nostro protocollo è un semplice metodo di processo per migliorare la proprietà di contatto elettrico tra la rete di nanofili d'argento e lo strato tampone CdS sottostante nelle celle solari a film sottile CIGS.Il nostro metodo è un processo basato su soluzioni molto semplice, riproducibile ed economico. È anche paragonabile al processo esistente basato su soluzioni, per fabbricare celle solari a film sottile CIGS. In primo luogo, caricare i substrati di vetro puliti in un magnetron CC e pompare verso il basso per soffiare quattro volte 10 a meno sei torr.Vola gas argon e imposta la pressione di lavoro su 20 millitorr. Accendere il plasma e aumentare la potenza di uscita CC a tre kilowatt. Dopo tre minuti pre-sputtering per la pulizia del bersaglio, iniziare la deposizione di molibdeno fino a quando lo spessore del film di molibdeno raggiunge circa 350 nanometri.Successivamente, impostare la pressione di lavoro su 15 millitorr, mantenendo la potenza di uscita a 3 kilowatt. Riprendere la deposizione di molibdeno fino a quando lo spessore totale del molibdeno raggiunge circa 750 nanometri. Caricare il vetro rivestito di molibdeno in un co-evaporatore preriscaldato sotto un vuoto inferiore a 5 per 10 a meno 6 torr.Impostare le temperature delle cellule di effusione di indio, gallio e selenio che producono tassi di deposizione rispettivamente di 2,5, 1,3 e 15 angstrom al secondo. Controllare i tassi di deposizione utilizzando la tecnica di microbilanciamento del cristallo di quarzo. Inizia a fornire indio, gallio e selenio sul vetro rivestito di molibdeno per formare uno strato precursore di indio-gallio-selenio spesso un micrometro a una temperatura del substrato di 450 gradi Celsius.Dopo 15 minuti, interrompere l'indio e le forniture di gallio e aumentare la temperatura del substrato a 550 gradi Celsius. Successivamente, iniziare a fornire rame sul precursore dell'indio-gallio-selenio e continuare fino a quando il rapporto compositivo rame-indio+gallio del film raggiunge 1,15. Smettere di fornire rame ed evaporare nuovamente l'indio e il gallio con gli stessi tassi di deposizione del primo stadio per formare una pellicola CIGS spessa circa 2 micrometri con un rapporto compositiva rame-indio+gallio di 0,9.Mantenere la velocità di deposizione del selenio e la temperatura del substrato rispettivamente a 15 angstrom al secondo e 550 gradi Celsius. Al fine di garantire una reazione completa, ricotturare il film CIGS depositato sotto selenio ambientale per 5 minuti a una temperatura del substrato di 550 gradi Celsius. Ridurre la temperatura del substrato a 450 gradi Celsius sotto il selenio ambientale, quindi scaricare il substrato depositato CIGS quando la temperatura del substrato è inferiore a 250 gradi Celsius.Preparare una soluzione di bagno di reazione al solfuro di cadmio in un bicchiere da 250 millilitri, aggiungendo acqua deionizzata, diidrato di acetato di cadmio, tiourea e acetato di ammonio. Mescolare la soluzione per diversi minuti fino a omogenea. Aggiungere 3 millilitri di idrossido di ammonio alla soluzione del bagno e mescolare per 2 minuti.Quindi, posizionare il campione CIGS nella soluzione del bagno di reazione utilizzando un portacampioni in teflon. Posizionare il bagno di reazione in un bagno di calore dell'acqua, mantenuto a 65 gradi Celsius. Mescolare la soluzione del bagno di reazione a 200 RPM durante il processo di deposizione, consentendo alla reazione di procedere per 20 minuti per generare uno strato tampone di solfuro di cadmio di circa 70-80 nanometri sulla CIGS.Dopo la reazione, rimuovere il campione dal bagno di reazione, lavare con un flusso di acqua deionizzata e asciugare con gas azoto. Ricottura del campione a 120 gradi Celsius per 30 minuti su una piastra calda preriscaldata. Preparare una dispersione di nanofili d'argento da 1 milligrammo per millilitro mescolando 90 millilitri di etanolo con 1 millilitro di una dispersione di nanofili d'argento a base di etanolo da 20 milligrammi per millilitro.Versare 0,2 millilitri della dispersione di nanofilo d'argento diluito su un campione CIGS di solfuro di cadmio, per coprire l'intera superficie e ruotare il campione a 1000 giri/min per 30 secondi. In seguito, spin-coat i nanofili d'argento 3 volte. Dopo lo spin-coating, ricotturare il campione a 120 gradi Celsius per 5 minuti su una piastra calda preriscaldata.Preparare una nuova soluzione di bagno di reazione al solfuro di cadmio come descritto in precedenza. Depositare il solfuro di cadmio come descritto in precedenza, tranne per modificare il tempo di reazione, se necessario. Ora, caratterizzare la morfologia superficiale dei nanofili d'argento rivestiti di solfuro di cadmio mediante microscopia ottica.Misurare le prestazioni delle celle solari utilizzando una fonte di tensione di corrente dotata di un simulatore solare. Qui sono mostrate le strutture a strati delle celle solari CIGS con ossido di zinco drogato in alluminio standard su ossido intrinseco di zinco e elettrodi conduttori trasparenti di rete nanofilo d'argento. Il secondo strato di solfuro di cadmio può essere depositato selettivamente sullo spazio su scala nanometrica per creare un contatto elettrico stabile.Qui sono mostrate immagini di microscopia elettronica a trasmissione trasversale, lungo il secondo strato di solfuro di cadmio, depositate sulla rete di nanofili d'argento sulla struttura CIGS del solfuro di cadmio, e attraverso il secondo strato di solfuro di cadmio depositato sulla rete dei nanofili d'argento. Il secondo strato di solfuro di cadmio è depositato uniformemente sulla superficie dei nanofili d'argento e viene prodotto lo strato di cadmio sulla struttura del nanofilo d'argento del guscio centrale. Il secondo strato di solfuro di cadmio riempie gli spazi d'aria tra il tampone di cadmio e gli strati di nanofilo d'argento, e si ottiene un contatto elettrico stabile.Le prestazioni del dispositivo di una cella solare a film sottile CIGS con nanofili d'argento nudo, e lo strato di solfuro di cadmio sugli elettrodi conduttori trasparenti in nanofilo d'argento del guscio centrale sono mostrati qui. A causa del contatto elettrico instabile, la cella con nanofili d'argento nudo ha scarse prestazioni del dispositivo. La deposizione di un secondo strato di cadmio migliora notevolmente le prestazioni cellulari.Il passo più importante del nostro protocollo è quello di fabbricare un secondo strato CdS sulla rete di nanofili d'argento. Il tempo divergente può essere ottimizzato misurando le prestazioni del dispositivo della cella solare a film sottile CIGS. Suggeriamo un metodo per fabbricare un robusto contatto elettrico su nanoscala nel sistema CIGS.Crediamo che il nostro metodo possa essere applicato ad altri sistemi a celle solari, che richiedono un miglioramento delle proprietà di contatto elettrico.

Research

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