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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Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación y Desarrollo Interno del Instituto de Investigación Energética de Corea (KIER) (B9-2411) y el Programa de Investigación de Ciencia Básica a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiado por el Ministerio de Investigación Educación (Grant NRF-2016R1D1A1B03934840).

1. Preparación de vidrio recubierto de Mo por el sputtering de magnetrón DC
<ol><li>Cargue los sustratos de vidrio limpiados en un magnetrón de CC y bombee hasta menos 4 x 10-6 Torr.</li>
	<li>Flujo Ar gas y establecer la presión de trabajo a 20 mTorr.</li>
	<li>Encienda el plasma y aumente la potencia de salida de CC a 3 kW.</li>
	<li>Después de pre-sputtering de 3 min para la limpieza del objetivo, comenzar la deposición Mo hasta que el espesor de la película Mo alcanza aproximadamente 350 nm.</li>
...

<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>

Tenga en cuenta que el tiempo de deposición de la capa 2nd CdS debe optimizarse para lograr el rendimiento de celda óptimo. A medida que aumenta el tiempo de deposición, el grosor de la capa 2nd CdS aumenta y, en consecuencia, el contacto eléctrico mejorará. Sin embargo, una nueva deposición de la capa 2nd CdS dará como resultado una capa más gruesa que reduce la absorción de la luz, y la eficiencia del dispositivo disminuirá. Logramos el mejor rendimiento celular con 10 minutos...

Las redes de nanohilos de plata (AgNW) se han estudiado ampliamente como una alternativa a la realización de películas delgadas de óxido de estaño indio (ITO) debido a sus ventajas sobre los óxidos de conducción transparentes convencionales (TTO) en términos de menor costo de procesamiento y menor costo de procesamiento y mayor flexibilidad mecánica. Así, se han empleado electrodos de conducción transparente (ECT) de red AgNW procesados en solución en células solares de película delgada Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)1,2,3,4,5 , 6. Las ECT AgNW procesadas en solución se fabrican normalmente en forma de estructuras integradas AgNW o sandwich-AgNW en una matriz conductora como PEDOT:PSS, ITO, ZnO, etc.7,8,9, 10,11 Las capas de matriz pueden mejorar que la recogida de los portadores de carga presentes en los espacios vacíos de la red AgNW.
Sin embargo, las capas de matriz pueden generar defectos interfaciales entre la capa de matriz y la capa de búfer CdS subyacente en las células solares de película delgada CIGS12,13. Los defectos interfaciales a menudo causan una torcedura en la curva de voltaje de densidad de corriente (J-V), lo que resulta en un factor de llenado bajo (FF) en la célula, que es perjudicial para el rendimiento de las células solares. Previamente informamos de un método para resolver este problema mediante el depósito selectivo de una capa cdS delgada adicional (2nd Capa CdS) entre los AgNW y la capa de búfer de CdS14. La incorporación de una capa CdS adicional mejoró las propiedades de contacto en la unión entre las capas AgNW y CdS. En consecuencia, la colección de portadoras en la red AgNW se mejoró considerablemente, y se mejoró el rendimiento de la célula. En este protocolo, describimos el procedimiento experimental para fabricar un contacto eléctrico robusto entre la red AgNW y la capa de búfer CdS utilizando una capa de 2nd CdS en una célula solar de película delgada 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

Los electrodos transparentes nanohilos de plata se han empleado como capas de ventana para células solares de película delgada Cu(In,Ga)Se 2. Los electrodos nanohilos de plata desnuda normalmente resultan en un rendimiento celular muy pobre. La incrustación o emparedado de nanohilos de plata utilizando materiales transparentes moderadamente conductivos, como el óxido de estaño de indio u óxido de zinc, puede mejorar el rendimiento celular. Sin embargo, las capas de matriz procesadas por la solución pueden causar un número significativo de defectos interfaciales entre los electrodos transparentes y el búfer CdS, lo que eventualmente puede resultar en un bajo rendimiento celular. Este manuscrito describe cómo fabricar un contacto eléctrico robusto entre un electrodo de nanohilo de plata y la capa de amortiguación CdS subyacente en una celda solar Cu(In,Ga)Se 2, lo que permite un alto rendimiento celular utilizando nanohilos de plata sin matriz transparente Electrodos. El electrodo de nanohilo de plata sin matriz fabricado por nuestro método demuestra que la capacidad de recolección de portadoras de carga de células basadas en electrodos de nanohilo de plata es tan buena como la de las células estándar con ZnO:Al/i-ZnO estan a la misma y Los CdS tienen contacto eléctrico de alta calidad. El contacto eléctrico de alta calidad se logró depositando una capa CdS adicional tan delgada como 10 nm sobre la superficie de nanohilo de plata.

Las estructuras de capa de las células solares CIGS con (a) ZnO estándar:Al/i-ZnO y (b) AgNW TCE se muestran en la Figura 3. La morfología de la superficie de CIGS es áspera, y se puede formar una brecha a nanoescala entre la capa AgNW y la capa de búfer CdS subyacente. Como se destaca en la Figura 3A,la 2a capa CdS se puede depositar selectivamente en la brecha de nanoescala para crear un contacto eléctrico esta...

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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

En este protocolo, describimos el procedimiento experimental detallado para la fabricación de un contacto robusto a nanoescala entre una red de nanohilos de plata y la capa de búfer CdS en una célula solar de película delgada CIGS.

Fabricación de contacto robusto a nanoescala entre un electrodo de nanohilo de plata y una capa de búfer CdS en 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 ...

Las redes de nanohilos de plata son una tecnología emergente para reemplazar los óxidos conductores transparentes tradicionales en la aplicación de células solares de película delgada. Sin embargo, el contacto eléctrico con la capa subyacente ha sido un problema. Nuestro protocolo es un método de proceso simple para mejorar la propiedad de contacto eléctrico entre la red de nanohilos de plata y la capa de búfer CdS subyacente en las células solares de película delgada CIGS.Nuestro método es un proceso muy simple, reproducible y barato basado en soluciones. También es comparable al proceso existente basado en soluciones, para fabricar células solares de película delgada CIGS. En primer lugar, cargue los sustratos de vidrio limpios en un magnetrón de CC, y bombee hacia abajo para soplar cuatro veces 10 a menos seis torr.Flute el gas de argón y ajuste la presión de trabajo a 20 milivatros. Encienda el plasma y aumente la potencia de salida de CC a tres kilovatios. Después de pre-pulverizar tres minutos para la limpieza del objetivo, comience la deposición del molibdeno hasta que el espesor de la película de molibdeno alcance aproximadamente 350 nanómetros.A continuación, ajuste la presión de trabajo a 15 milcitores, manteniendo la potencia de salida en 3 kilovatios. Reanudar la deposición del molibdeno hasta que el espesor total del molibdeno alcance aproximadamente 750 nanómetros. Cargue el vidrio recubierto de molibdeno en un co-evaporador precalentado bajo un vacío inferior a 5 veces 10 a menos 6 torr.Establecer las temperaturas de las células de derrame de indio, galio y selenio produciendo tasas de deposición de 2.5, 1.3, y 15 angstroms por segundo, respectivamente. Compruebe las tasas de deposición utilizando la técnica de microbalance de cristal de cuarzo. Comience a suministrar indio, galio y selenio en el vidrio recubierto de molibdeno para formar una capa precursora de indium-galio-selenio de un micrómetro de espesor a una temperatura de sustrato de 450 grados Celsius.Después de 15 minutos, detenga los suministros de indio y galio y aumente la temperatura del sustrato a 550 grados centígrados. A continuación, comience a suministrar cobre en el precursor de indio-galio-selenio y continúe hasta que la relación compositiva de cobre a indio+galio de la película alcance 1.15. Deje de suministrar cobre y evapore el indio y el galio de nuevo con las mismas tasas de deposición que la primera etapa para formar una película CIGS de aproximadamente 2 micrómetros de espesor con una relación compositiva de cobre a indio+galio de 0,9.Mantener la tasa de deposición de selenio y la temperatura del sustrato en 15 angstroms por segundo y 550 grados Celsius, respectivamente. Con el fin de garantizar una reacción completa, recocido la película CIGS depositada bajo selenio ambiental durante 5 minutos a una temperatura de sustrato de 550 grados centígrados. Disminuya la temperatura del sustrato a 450 grados Celsius bajo selenio ambiental, y luego descargue el sustrato depositado CIGS cuando la temperatura del sustrato esté por debajo de 250 grados Celsius.Preparar una solución de baño de reacción de sulfuro de cadmio en un vaso de precipitados de 250 mililitros, añadiendo agua desionizada, acetato de cadmio dihidrato, tótrase y acetato de amonio. Revuelva la solución durante varios minutos hasta que quede homogénea. Agregue 3 mililitros de hidróxido de amonio a la solución de baño y revuelva durante 2 minutos.A continuación, coloque la muestra DE CIGS en la solución de baño de reacción utilizando un portacuchillas de teflón. Coloque el baño de reacción en un baño de calor de agua, mantenido a 65 grados centígrados. Revuelva la solución de baño de reacción a 200 RPM durante el proceso de deposición, permitiendo que la reacción continúe durante 20 minutos para generar una capa tampón de sulfuro de cadmio de aproximadamente 70-80 nanómetros en el CIGS.Después de la reacción, retire la muestra del baño de reacción, lave con un flujo de agua desionizada y seque con gas nitrógeno. Anneal la muestra a 120 grados Celsius durante 30 minutos en una placa de cocción precalentada. Prepare una dispersión de nanohilos de plata de 1 miligramo por mililitro mezclando 90 mililitros de etanol con 1 mililitro de una dispersión de nanohilos de plata a base de etanol de 20 miligramos por mililitro.Vierta 0,2 mililitros de la dispersión de nanohilos de plata diluida en una muestra de sulfuro de cadmio CIGS, para cubrir toda la superficie, y gire la muestra a 1000 RPM durante 30 segundos. Después de esto, spin-coat los nanohilos de plata 3 veces. Después del recubrimiento de espín, recose la muestra a 120 grados Centígrados durante 5 minutos en una placa de cocción precalentada.Prepare una nueva solución de baño de reacción de sulfuro de cadmio como se describió anteriormente. Deposite sulfuro de cadmio como se describió anteriormente, excepto cambiar el tiempo de reacción, según sea necesario. Ahora, caracterizar la morfología superficial de los nanohilos de plata recubiertos de sulfuro de cadmio por microscopía óptica.Mida el rendimiento de la célula solar utilizando una fuente de voltaje de corriente equipada con un simulador solar. Las estructuras de capa de las células solares CIGS con óxido de zinc dopado de aluminio estándar en óxido de zinc intrínseco y electrodos conductores transparentes de red de nanohilos de plata se muestran aquí. La segunda capa de sulfuro de cadmio se puede depositar selectivamente en la brecha a nanoescala para crear un contacto eléctrico estable.Aquí se muestran imágenes de microscopía electrónica de transmisión transversal, a lo largo de la segunda capa de sulfuro de cadmio, depositadas en la red de nanohilos de plata en la estructura CIGS de sulfuro de cadmio, y a través de la segunda capa de sulfuro de cadmio depositada en la red de nanohilos de plata. La segunda capa de sulfuro de cadmio se deposita uniformemente en la superficie de los nanohilos de plata y se produce la capa de cadmio en la estructura de nanohilos de plata de la cáscara del núcleo. La segunda capa de sulfuro de cadmio llena los espacios de aire entre las capas de tampón de cadmio y nanohilo de plata, y se logra un contacto eléctrico estable.El rendimiento del dispositivo de una célula solar de película delgada CIGS con nanohilos de plata desnuda, y la capa de sulfuro de cadmio en los electrodos de conducción transparente de nanohilo de plata de carcasa de núcleo se muestra aquí. Debido al contacto eléctrico inestable, la célula con nanohilos de plata desnuda tiene un rendimiento deficiente del dispositivo. La deposición de una segunda capa de cadmio mejora en gran medida el rendimiento de la célula.El paso más importante en nuestro protocolo es fabricar una segunda capa CdS en la red de nanohilos de plata. El tiempo divergente se puede optimizar midiendo el rendimiento del dispositivo de la célula solar de película delgada CIGS. Sugerimos un método para fabricar un contacto eléctrico a nanoescala robusto en el sistema CIGS.Creemos que nuestro método se puede aplicar a otros sistemas de células solares, que requieren la mejora de las propiedades de contacto eléctrico.

Research

JoVE Journal

Engineering

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