Verbeterde metaaloxide-elektrode voor CIGS-zonnecellen:de toepassing van een AgOX-bevochtigingslaag

Abstract

Oxide/metaal/oxide (OMO) laagstapels worden gebruikt om transparante geleidende oxiden te vervangen als frontcontact van dunne-film zonnecellen. Deze meerlaagse structuren verminderen niet alleen de totale dikte van het contact, maar kunnen worden gebruikt voor het kleuren van de cellen door gebruik te maken van interferentie-effecten. De plaatweerstand en parasitaire absorptie, die beide sterk afhankelijk zijn van de metaallaag, moeten echter verder worden verminderd om hogere efficiënties in de zonnecellen te bereiken. In deze publicatie, AgO_X bevochtigende lagen werden aangebracht op OMO-elektroden om de prestaties van Cu(In,Ga)Se₂ te verbeteren (CIGS) dunne-film zonnecellen. We laten zien dat een AgO_X bevochtigingslaag is een effectieve maatregel om de transmissie en geleidbaarheid van de meerlaagse elektrode te verhogen. Met de gepresenteerde aanpak konden we de kortsluitstroomdichtheid met 18% verbeteren van 28,8 naar 33,9 mA/cm² met een laagdikte van metaal (Ag) van slechts 6 nm. Onze resultaten laten zien dat OMO-elektroden een effectieve vervanging kunnen zijn voor conventionele transparante geleidende oxiden zoals met aluminium gedoteerd zinkoxide op dunnefilmzonnecellen.

Inleiding

Oxide/metaal/oxide (OMO)-elektroden kunnen transparante geleidende oxiden (TCO) zoals indiumtinoxide of aluminium-gedoteerde zinkoxide (AZO) vervangen, die doorgaans worden gebruikt als elektroden in een grote verscheidenheid aan apparaten, waaronder lichtemitterende diodes , displays, aanraakschermen en fotovoltaïsche modules. Belangrijke aspecten van OMO-elektroden die voortkomen uit hun verminderde dikte zijn de korte depositietijd en betere mechanische flexibiliteit. Dat maakt ze goedkoper om te produceren en een robuust alternatief voor TCO's, terwijl ze gelijkwaardige of superieure optische en elektrische eigenschappen bieden [1, 2]. Dat met OMO-elektroden op zonnecellen vergelijkbare of betere resultaten behaald kunnen worden dan met conventionele AZO-elektroden, is al eerder aangetoond aan de hand van het voorbeeld van dunne-film zonnecellen van amorf silicium [3]. Bovendien zijn OMO-elektroden vanwege een lage depositietemperatuur geschikt voor temperatuurgevoelige apparaten zoals organische fotovoltaïsche of polymeersubstraten [1, 2].

Het meest interessante is dat OMO-elektroden fungeren als optische holtes vanwege de interferentie veroorzaakt door meerdere reflecties op de laaginterfaces. Dit maakt het mogelijk om de elektrode te ontwerpen met een brede piek van zeer hoge transmissie ondanks het gebruik van een sterk reflecterende metaallaag [1, 3]. Door gebruik te maken van een metaal met een lage brekingsindex en dus een hoge reflectiviteit, wordt de sterkte of finesse van de optische holte vergroot en zo ook de transmissie in het resonantiegebied [4]. De spectrale posities van de transmissie- en reflectiepieken worden bepaald door de optische dikte van de oxidelagen, terwijl de elektrische geleidbaarheid voornamelijk wordt beïnvloed door de metaalfilm. Daarom is het mogelijk om de optische kenmerken van de holte afzonderlijk van de elektrische af te stemmen. Dit maakt het niet alleen mogelijk om de elektrode te ontwerpen volgens de elektrische en optische vereisten van verschillende fotovoltaïsche absorbers of celtechnologieën, maar ook om deze op een multifunctionele manier te gebruiken. Het is aangetoond dat speciale optische eigenschappen van OMO-elektroden kunnen worden gebruikt voor het kleuren van PV-modules [5,6,7]. We hebben eerder OMO-elektroden met geïntegreerde kleuring toegepast op CIGS-dunnefilmzonnecellen, die een aantrekkelijke optie zijn voor modules die specifiek zijn ontworpen voor integratie in gebouwen [5]. Een enorme uitdaging bij de ontwikkeling van OMO-elektroden is de afzetting van de ultradunne metaallaag (<-15 nm) ingeklemd tussen de twee oxidelagen. Hier wordt meestal zilver (Ag) gebruikt, omdat het de laagste soortelijke weerstand van alle metalen heeft [8]. Idealiter moet de Ag-film zo dun mogelijk zijn voor de hoogste transmissie met minimale absorptieverliezen. Daarom wordt theoretisch alleen een ondergrens bepaald door de gewenste geleidbaarheid. Vanwege een significante ontvochtiging van Ag wordt echter een driedimensionale eilandgroei van het Volmer-Weber-type waargenomen voor Ag-lagen met een dikte onder de percolatiedrempel (d _pt ) van ongeveer 10 nm [2, 9,10,11,12]. De transmissie bij deze lage diktes wordt ernstig beperkt door de absorptie en verstrooiing als gevolg van oppervlakteplasmonresonanties die optreden bij de metaalclusters [2, 13, 14]. Bovendien leidt de vorming van eilanden tot een verhoogde weerstand [15, 16]. Een overgang naar een volledig gesloten, continue film kan worden waargenomen met toenemende metaaldikte boven de percolatiedrempel d _pt . Dit gaat gepaard met een vermindering van de soortelijke weerstand, evenals een toename van de transmissiepiekhoogte, hoewel de transmissie weer afneemt voor lagen die zeker dikker zijn dan de percolatiedikte d> d _pt [2, 12, 17]. De waarde van d _pt is gerelateerd aan de oppervlakte-vrije energieën van het afgezette metaal, het substraat en het grensvlak daartussen [18]. Er zijn verschillende strategieën voorgesteld en in detail beoordeeld om d . te verminderen _pt en om een vlakke Ag-laag met volledige dekking te bereiken door de hechting aan het substraat te vergroten of de vrije oppervlakte-energieën van het metaal of het grensvlak te verminderen. Ze omvatten het legeren van verschillende metalen [19, 20] of de toevoeging van gassen tijdens de afzetting van de Ag-laag [10, 12]. Verder zijn een aantal verschillende bevochtigingslagen onderzocht om de kwaliteit van dunne Ag-lagen te verbeteren, waaronder Ge, AgO_X en Cu [2, 17]. Ge bleek de beste bevochtigbaarheid te bieden, maar de optische verliezen als gevolg van de sterke absorptie van Ge maken het een slechte keuze voor optische toepassingen [17]. In het bijzonder AgO_X heeft veelbelovende resultaten opgeleverd. Zhao et al. gevonden percolatiediktes van 6 nm en 8 nm voor Ag-lagen met en zonder AgO_X bevochtigingslagen in OMO-elektroden [17], en vergelijkbare resultaten werden bereikt door H. Jo et al. en W. Wang et al. met volledige AgO_X films [10, 12]. AgO_X heeft als voordeel dat de depositie eenvoudig in het OMO-proces kan worden uitgevoerd door zuurstof als reactief gas toe te voegen. Verder is een AgO_X bevochtigingslaag (WL) heeft de voorkeur boven volledige AgO_X laag, als de hogere brekingsindex van AgO_X in vergelijking met puur Ag zou de sterkte van de optische holte verminderen vanwege een kleiner brekingsindexverschil met de AZO [11, 12]. Terwijl OMO-elektroden zijn gebruikt voor Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) zonnecellen eerder [5, 21], het effect van WL op OMO/CIGS zonnecellen is nog niet onderzocht. In deze publicatie demonstreren we de impact van een AgO_X bevochtigingslaag op een OMO die wordt gebruikt als de transparante voorelektrode van CIGS-zonnecellen. We laten zien dat de fotostroom samen met de efficiëntie van CIGS-cellen aanzienlijk kan worden verhoogd door OMO-elektroden te gebruiken met AgO_X bevochtigingslaag, vergeleken met conventionele OMO-lagenstapels (Fig. 1).

Schematische laagstapel van OWLMO-elektrode op de CIGS-zonnecel. De geleidbaarheid en transparantie van de tussenliggende Ag-laag kan worden verbeterd met een bevochtigingslaag

Materialen en methoden

Referentie oxide/metaal/oxide (OMO) elektroden werden bereid via DC magnetron sputteren bij kamertemperatuur zoals eerder beschreven [5]. De onderste en bovenste AZO-lagen van de OMO-elektrode hebben een dikte van 20 nm en 63 nm en zijn afgezet met een zuurstofstroom van respectievelijk 0 sccm en 5 sccm. De oxide/bevochtigingslaag/metaal/oxide (OWLMO) elektroden, zoals weergegeven in Fig. 1, werden bereikt door de afzetting van een extra AgO_X bevochtigingslaag na het eerste oxide door Ag te sputteren met 45 sccm argon en 10 sccm zuurstof bij 0,8 Pa en 200 W bij kamertemperatuur gedurende één seconde. We gingen uit van de depositiesnelheid van AgO_X gelijk aan of iets minder zijn dan die van zuiver Ag, omdat het bekend staat om reactief sputteren. Daarom wordt in het volgende de dikte van de bevochtigingslaag geschat op 1 nm en wordt een bevochtigingslaag gevolgd door b.v. 6 nm pure Ag wordt beschreven met een totale dikte van 7 nm. De depositiesnelheden van de Ag- en AZO-sputterprocessen werden bepaald met een Veeco Dektak 150-profielmeter. De diktes van de lagen van de monsters zoals beschreven in deze studie zijn gebaseerd op deze depositiesnelheden, die 1,03 ± 0,08 nm/s waren voor Ag, 1,41 ± 0,02 nm/s voor AZO met 0 sccm zuurstofstroom en 1,38 ± 0,01 nm/ s voor AZO met 5 sccm zuurstofstroom. De gebruikte CIGS-cellen zijn gebaseerd op state-of-the-art, cd-vrije CIGS-processen van AVANCIS, wat leidt tot diafragma-efficiëntie tot 19% op kleine modules [22]. Om de toepassing van het alternatieve frontcontact mogelijk te maken, werden deze cellen aangepast om een geschikte testcel voor dit onderzoek te verschaffen. In plaats van een volledige verwijdering van het standaard frontcontact AZO, werd de dikte teruggebracht tot ongeveer 200 nm om de geoptimaliseerde interface van de ultramoderne cellen te behouden. Bovendien heeft dit het voordeel van verhoogde stabiliteit en bescherming van de cellen tijdens transport en verhoogt het de reproduceerbaarheid van onze experimenten. De CIGS-monsters hebben een totale grootte van 2,5 × 2,5 cm² , waarvan negen 0,25 cm² cellen werden gemaakt door mechanisch in te schrijven. Reflectiespectra van de OMO / CIGS-monsters werden opgenomen met een UV-VIS Cary 5000-spectrofotometer met een integrerende bol. De bladweerstand van de OMO/CIGS-monsters werd gemeten met een Jandel RM3-AR vierpunts-sondesysteem. Vanwege de brosse aard van CIGS kan niet-optimaal contact (bijvoorbeeld doorprikken van het rugcontact) leiden tot uitschieters in de weerstandswaarden van de plaat. Daarom werd voor de evaluatie de mediane in plaats van de gemiddelde plaatweerstandswaarden gebruikt. Er werden 15-20 metingen uitgevoerd om de mediane bladweerstand van elk monster te bepalen. Om de celprestaties te evalueren, werden stroom-spanningsmetingen uitgevoerd met een WACOM dual lamp solar simulator volgens standaard testomstandigheden (AM1.5G-spectrum, 1000 W/m² , 25 °C). Het systeem heeft een relatieve fout van de efficiëntie van 1,13% inclusief de referentiecelfout, meetapparaatfout en de vermogensfluctuaties van de bestraling. De externe kwantumefficiëntie (EQE) is vastgelegd met een RR-2100-meetsysteem van LOT Oriel.

Resultaten en discussie

De elektrische prestaties van de monsters met (OWLMO) en zonder (OMO) bevochtigingslaag werden geëvalueerd aan de hand van hun resistieve eigenschappen. In Fig. 2 wordt de bladweerstand van de monsters getoond. Voorafgaand aan de afzetting van OMO-elektroden, werd een plaatweerstand van 56 ± 3 /sq gemeten voor het gedeeltelijke frontcontact van de CIGS-zonnecellen. Zoals verwacht neemt de plaatweerstand af met toenemende Ag-dikte voor zowel OMO- als OWLMO-monsters, hoewel de OWLMO-monsters duidelijk een lagere algehele plaatweerstand vertonen. Een vergelijking met een materiaal met een constante soortelijke weerstand (stippellijnen) laat echter zien dat alleen de soortelijke weerstand van de OWLMO-elektroden de verwachte trend volgt. De plaatweerstand van de OMO-elektroden stijgt veel sterker voor dunnere Ag-lagen dan verwacht voor een constante soortelijke weerstand. Dit geeft aan dat voor de OMO-monsters Ag-lagen met een dikte van minder dan 8 nm niet volledig gesloten zijn vanwege de eilandgroei van het Volmer-Weber-type, terwijl de AgO_X bevochtigingslaag in de OWLMO-monsters is in staat dit ontvochtigingsgedrag te onderdrukken. De plaatweerstand voor OWLMO-monsters is niet alleen lager dan voor OMO-monsters, maar voor alle diktes wordt een bijna constante soortelijke weerstand van ongeveer 8,2 µΩcm bereikt. Dit geeft aan dat door de bevochtigende laag een hoge dekkingsgraad van de Ag-film kan worden bereikt, zelfs voor diktes van slechts 6 nm (WL + Ag). Bovendien komt de hier bereikte plaatweerstand van 13,9 (10,3) Ω/sq met 6 (8) nm WL + Ag goed overeen met de weerstand die is gerapporteerd door G. Zhao et al. met 12,5 Ω/sq op PET-substraten [17]. Op CIGS-cellen, het in deze publicatie gebruikte substraat, Kang et al. publiceerde een plaatweerstand van 104 Ω/sq voor hun best presterende cel met een OMO-elektrode die een Cu-Mo-metaallaag gebruikt [21]. Zelfs verdere verbetering van OMO-elektroden die Ag gebruiken, zou mogelijk zijn, aangezien bulk Ag een soortelijke weerstand heeft van slechts 1,6 µΩcm [8],

Vergelijking van de plaatweerstand gemeten van OMO-elektroden van de CIGS-zonnecellen met verschillende diktes van het tussenmetaal. Monsters zonder (zwart) en met (rode) bevochtigingslagen worden getoond. De stippellijnen vertegenwoordigen de plaatweerstand van OMO's met constante soortelijke weerstand, zoals zou worden verwacht zonder een verandering in de morfologie van de Ag-laag

In Fig. 3 worden de JV-kenmerken van de cellen met en zonder OWLMO-lagen getoond. De monsters inclusief een bevochtigingslaag vertonen een verhoogde stroomdichtheid tot 5 mA/cm² vergeleken met de referentie OMO-elektroden. Bovendien laten de monsters met een OWLMO-elektrode een afname van de stroomdichtheid zien met toenemende Ag-dikte, terwijl de stroomdichtheid van monsters met een OMO-elektrode niet verandert over het bereik van 6-8 nm Ag. In Fig. 4 is deze trend ook duidelijk zichtbaar in de grafiek van de kortsluitstroomdichtheid J_SC overdikte, hoewel er geen duidelijke invloed is op de nullastspanning of vulfactor. Een afname van de stroomdichtheid met toenemende metaaldikte (Ag) is te verwachten vanwege de verhoogde reflectie van een dikkere metaallaag. Vanwege de kleine steekproefomvang van 0,25 cm² , geen significante invloed van de plaatweerstand op J_SC is aanwezig. In Fig. 5 wordt de EQE van elk monster getoond samen met de respectieve reflectie. De EQE-metingen bevestigen de resultaten van de stroom-spanningskarakterisering. OWLMO-lagen en OMO-lagen zijn duidelijk van elkaar te onderscheiden. De bevochtigende laag verbetert de kwantumefficiëntie met maximaal 17% in een golflengte-interval van 400-1200 nm. Een lichte afname van ongeveer 2% in reflectie kan worden waargenomen bij 710 nm. Het is echter niet voldoende om de toename van EQE te verklaren. Bovendien nemen de reflectie en de EQE toe voor golflengten boven 800 nm met de introductie van de bevochtigingslaag. Daarom kan worden geconcludeerd dat de transmissie van de OWLMO-elektrode is verbeterd als gevolg van verminderde absorptie in de Ag-laag. De uit de geïntegreerde EQE berekende kortsluitstroomdichtheid komt ook goed overeen met de resultaten van de JV-meting (tabel 1).

Stroomdichtheid-spanningskarakteristieken van CIGS-cellen met behulp van elektroden met (volle lijnen) en zonder (stippellijnen) bevochtigingslagen voor de drie dikteniveaus van de Ag-laag worden vergeleken. De best presterende cel uit de set van negen cellen die op elk monster is gestructureerd, wordt weergegeven

Vergelijking van de efficiëntie van de celprestatieparameters (a ), kortsluitstroomdichtheid (b ), nullastspanning (c ) en vulfactor (d ). Het open symbool geeft het gemiddelde van een set van negen cellen aan en het kruisje de waarde van de best presterende cel

De externe kwantumefficiëntie (EQE) en de reflectie afgetrokken van 100% (100%-R) van CIGS-cellen met behulp van OMO-elektroden met (volledige lijnen) en zonder (stippellijnen) bevochtigingslagen voor de drie dikteniveaus van de Ag-laag worden weergegeven . De best presterende cel uit de set van negen cellen die op elk monster is gestructureerd, wordt weergegeven

Zoals eerder vermeld, laat figuur 4 zien dat de J_SC van de OMO-monsters zonder bevochtigingslaag wordt niet beïnvloed door de Ag-laagdikte. In de EQE-resultaten in Fig. 5 kunnen we zien dat dit komt doordat de afname van de EQE in het lange-golflengtebereik wordt gecompenseerd door een toename voor kortere golflengten in het zichtbare bereik. Dit kan worden toegeschreven aan een effectief verbeterde kwaliteit van de Ag-laag met toenemende dikte vanwege de verhoogde dekking en reflectiviteit van de Ag-film. Dit verbetert de finesse van de optische holte die is opgezet door de OMO-stack, die is afgestemd om de transmissie in het zichtbare bereik te vergroten [5]. Volgens hetzelfde argument neemt de reflectiviteit van OMO-monsters voor golflengten boven 800 nm toe met de Ag-dikte, wat resulteert in een verminderde EQE in dat spectrale bereik.

Voor OWLMO-monsters is het effect van hogere reflectie met toenemende Ag-dikte bij hogere golflengte zelfs nog meer uitgesproken. Als we OWLMO-monsters vergelijken met OMO-monsters, geven zowel de toename in reflectiviteit voor > 800 nm als de vermindering van absorptie voor 400-1200 nm aan dat een gunstigere morfologie van de Ag-laag werd bereikt als gevolg van de bevochtigende laag.

In Fig. 6 worden de niet-stralingsrecombinatieverliezen en parasitaire absorptie getoond. Het is duidelijk zichtbaar dat het gebruik van bevochtigende lagen de parasitaire absorptie van het frontcontact vermindert. Zoals eerder besproken, schrijven we dit toe aan een verbeterde homogeniteit en dekking, evenals een verminderde percolatiedikte en ruwheid van de Ag-laag. Deze veranderingen in de Ag-laag resulteren in een lagere absorptie, zoals eerder werd waargenomen met andere substraten [12, 17].

100-EQE-R, d.w.z. parasitaire absorptie- en recombinatieverliezen van CIGS-cellen met OMO-elektroden met (volle lijnen) en zonder (stippellijnen) bevochtigingslagen. Na aftrekking van zowel EQE als reflectie van 100%, blijft alleen de absorptie over die niet bijdraagt aan de huidige opwekking

Ondanks de verbetering van het OMO frontcontact, ligt de in deze studie behaalde efficiëntie van ongeveer 13% onder die van de huidige state-of-the-art CIGS-module van Avancis met 19% [22]. Omdat de OMO-elektrode echter primair kan worden gebruikt om de stroomopwekking te beïnvloeden, is een vergelijking van de kortsluitstroomdichtheid nuttiger. Met 34 mA/cm² bereikt in dit onderzoek vergeleken met de 36,3 mA/cm² in de literatuur toont de OMO-technologie zijn concurrentievermogen al vóór optimalisatie van de gehele celstapel [22].

Conclusie

AgO_X bevochtigingslagen zijn onderzocht in oxide/metaal/oxide frontcontacten op CIGS-zonnecellen, met betrekking tot een verbetering van de kortsluitdichtheid en algehele efficiëntie. Een afname van de plaatweerstand van 22,71 tot 13,89 Ω/sq en een toename van de kortsluitstroomdichtheid van 28,8 tot 33,9 mA/cm² voor een Ag-dikte van 6 nm werd bereikt. De resultaten geven aan dat een significante verlaging van de percolatiedikte van de Ag-films als gevolg van de bevochtigende lagen succesvol was, resulterend in een lagere parasitaire absorptie door de elektrode. De hier waargenomen toename in Ag-filmkwaliteit door de toevoeging van de bevochtigende laag, namelijk een hogere transmissie en geleidbaarheid, komt goed overeen met eerdere bevindingen in de literatuur. Op basis van deze resultaten kan worden geconcludeerd dat de bevochtigingslaag met succes is geïmplementeerd voor OMO-elektroden die zijn aangebracht op CIGS dunne-film zonnecellen. De resultaten tonen aan dat bevochtigingslagen een waardevolle toevoeging zijn om OMO-contacten voor zonneceltoepassingen te verbeteren.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die tijdens het huidige onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

OMO:: Oxide/metaal/oxide
CIGS:: Cu(In,Ga)Se2
AZO:: Met aluminium gedoteerd zinkoxide
TCO:: Transparant geleidend oxide
d _pt :: Percolatiedrempel
WL:: Bevochtigingslaag
OWLMO:: Oxide/bevochtigingslaag/metaal/oxide
EQE:: Externe kwantumefficiëntie

Identificatie van een brugspecifieke intramoleculaire excitondissociatieroute in donor–π–acceptor alternerende geconjugeerde polymeren Thermodynamica gecontroleerde scherpe transformatie van InP naar GaP nanodraden via introductie van spoorhoeveelheid gallium

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal