AgO_X benettingslaag verbetert metaaloxide elektroden voor hogere efficiëntie CIGS zonnecellen

Samenvatting

Oxide/metaal/oxide (OMO) laagstapels vervangen transparante geleidende oxiden (TCO) als frontcontact van dun-film zonnecellen. Deze multilaagstructuren verminderen niet alleen de totale contactdikte, maar kunnen ook gebruikt worden voor kleuring via interferentie-effecten. Echter, vlakke weerstand en parasitair absorptie, beide sterk afhankelijk van de metallagen, moeten verder gereduceerd worden voor hogere efficiëntie. In deze publicatie werden AgO_X benettingslagen toegepast op OMO elektroden om prestaties van Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) dun-film zonnecellen te verbeteren. We tonen aan dat een AgO_X benettingslaag een effectieve maatregel is om transmissie en geleiding van de multilaagelectrode te verhogen. Met deze benadering verbeterden we de kortsluitstroomdichtheid met 18% van 28,8 naar 33,9 mA/cm² met een metaal (Ag) filmdikte van slechts 6 nm. Onze resultaten benadrukken dat OMO elektroden een effectieve vervanging kunnen zijn voor conventionele TCO's zoals aluminium-gedoteerde zinkoxide op dun-film zonnecellen.

Inleiding

OMO elektroden kunnen TCO's zoals indium-tin-oxide of aluminium-gedoteerde zinkoxide (AZO) substitueren, typisch gebruikt als elektroden in LEDs, displays, touchscreens en fotovoltaïsche modules. Kenmerken van OMO elektroden door hun verminderde dikte: kortere depositietijd, betere mechanische flexibiliteit → goedkoper productie, robuuste alternatief voor TCO's, met equivalente of superieure optische/elektrische eigenschappen. Vergelijkbare of betere resultaten met OMO elektroden op zonnecellen dan met AZO is eerder aangetoond voor amorf silicium dun-film zonnecellen. Door lage depositietemperatuur geschikt voor temperatuurgevoelige apparaten zoals organische fotovoltaïka of polymere substraten.

Meest interessant: OMO elektroden fungeren als optische kaviteiten door interferentie van multipele reflecties aan laaginterfaces. Dit ontwerpt elektrode met brede piek van zeer hoge transmissie ondanks hoge reflecterende metallagen. Metaal met lage brekingsindex (hoge reflectiviteit) verhoogt kracht/finesse van optische kaviteit en transmissie in resonantiegebied. Spectrale posities transmissie/reflectiepieken bepaald door optische dikte oxidelagen; elektrische geleiding hoofdzakelijk beïnvloed door metaalfilm. Optische en elektrische kenmerken afzonderlijk afstemmen → ontwerp naar elektrisch/optisch vereisten van verschillende fotovoltaïsche absorbers/celltechnologieën, multifunctioneel gebruik. Speciale optische eigenschappen OMO elektroden gebruikt voor kleuring PV modules. We paste OMO elektroden met geïntegreerde kleuring toe op CIGS dun-film zonnecellen, aantrekkelijk voor gebouwgeïntegreerde modules. Grote uitdaging: depositie van ultradunne metaallaag (<15 nm) tussen twee oxidelagen. Meestal zilver (Ag) gebruikt, laagste resistiviteit van alle metalen. Ideaal: Ag-film zo dun mogelijk voor hoogste transmissie, minimale absorptieverliezen. Theoretische ondergrens alleen door gewenste geleidbaarheid. Echter, door significante ontbenetting van Ag, driedimensionale Volmer-Weber-type eilandgroei waargenomen voor Ag-lagen onder percolatiedrempel (d_pt) ~10 nm. Transmissie bij deze dunne lagen ernstig beperkt door absorptie/verstrooiing door oppervlakteplasmonresonanties aan metaalkusters. Eilandenvorming → verhoogde resistiviteit. Overgang naar volledig gesloten, continue film bij toenemende metaaldikte boven d_pt → verminderde resistiviteit, verhoogde transmissiepiekhoogte, maar transmissie daalt weer voor zeker dikker dan d_pt. Waarde d_pt gerelateerd aan oppervlaktevrije energieën van gemeten metaal, substraat en interface. Verschillende strategieën voorgesteld om d_pt te verlagen en gladde Ag-laag met volledige bedekking te bereiken: legeringen, gassen toevoegen tijdens depositie, benettingslagen (Ge, AgO_X, Cu). Ge gaf beste benetting, maar optische verliezen door sterke absorptie maken het slecht voor optische toepassingen. AgO_X toonde veelbelovende resultaten. Zhao et al. vonden percolatiediktes 6 nm en 8 nm voor Ag lagen met/zonder AgO_X benettingslaag in OMO elektroden. Vergelijkbare resultaten door H. Jo et al. en W. Wang et al. met volledige AgO_X films. AgO_X voordeel: depositie gemakkelijk geïmplementeerd in OMO proces door zuurstof als reactief gas toe te voegen. AgO_X benettingslaag (WL) bevorzugd boven volledige AgO_X laag, want hogere brekingsindex AgO_X vs puur Ag verlaagt kaviteitskracht door kleinere brekingsindexverschil met AZO. Hoewel OMO elektroden eerder gebruikt voor CIGS zonnecellen, effect van WL op OMO/CIGS nog niet bestudeerd. In deze publicatie demonstreren we impact van AgO_X benettingslaag op OMO als transparante frontelektrode van CIGS zonnecellen. We tonen aan dat fotostroom en efficiëntie significant verhoogd worden door OMO elektroden met AgO_X benettingslaag vs conventionele OMO laagstapels.

Materialen en methoden

Referentie OMO elektroden via DC magnetron sputteren bij kamertemperatuur. Onderste en bovenste AZO lagen: 20 nm en 63 nm, gedeponeerd met zuurstofstroom 0 sccm en 5 sccm. OWLMO elektroden (oxide/benettingslaag/metaal/oxide): extra AgO_X benettingslaag na eerste oxide door sputteren van Ag met 45 sccm Argon en 10 sccm zuurstof bij 0,8 Pa, 200 W, kamertemperatuur, 1 seconde. Aangenomen depositietempo AgO_X gelijk of iets lager dan puur Ag (reactief sputteren). Benettingslaag dikte geschat 1 nm; WL + 6 nm puur Ag = totaal 7 nm. Depositietempo's bepaald met Veeco Dektak 150 profilometer: Ag 1,03 ± 0,08 nm/s; AZO 0 sccm O₂: 1,41 ± 0,02 nm/s; AZO 5 sccm O₂: 1,38 ± 0,01 nm/s. CIGS cellen gebaseerd op state-of-the-art Cd-vrije CIGS processen AVANCIS, apertuurefficiëntie tot 19% op kleine modules. Cellen gemodificeerd voor alternatief frontcontact: standaard AZO frontcontact niet volledig verwijderd, maar dikte gereduceerd tot ~200 nm voor geoptimaliseerde interface, verhoogde stabiliteit/bescherming, betere reproduceerbaarheid. Steekproefgrootte 2,5 × 2,5 cm², negen 0,25 cm² cellen via mechanisch scriberen. Reflectiespectra met UV-VIS Cary 5000 spectrophotometer met integrerende bol. Vlakke weerstand met Jandel RM3-AR vierpunt meetstysteem. Median in plaats van gemiddelde gebruikt voor evaluatie (brosheid CIGS → uitbijters). 15-20 metingen voor mediane vlakke weerstand. Stroom-spanning metingen met WACOM dubbele lams zonne-simulator standaard testcondities (AM1.5G, 1000 W/m², 25 °C). Relatieve fout efficiëntie 1,13%. Externe quantum efficiëntie (EQE) met RR-2100 systeem LOT Oriel.

Resultaten en discussie

Elektrische prestaties geëvalueerd via resistieve kenmerken. Fig. 2: vlakke weerstand met (OWLMO) en zonder (OMO) benettingslaag. Voor OMO depositie: 56 ± 3 Ω/vk gemeten voor gedeeltelijk frontcontact CIGS. Vlakke weerstand daalt met toenemende Ag-dikte voor OMO en OWLMO, maar OWLMO duidelijk lager overall. Vergelijking met constant resistiviteit (stippellijnen): alleen OWLMO resistiviteit volgt verwachte trend. OMO vlakke weerstand stijgt sterker voor dunne Ag-lagen dan verwacht bij constant resistiviteit → Ag-lagen <8 nm niet volledig gesloten door Volmer-Weber eilandgroei, terwijl AgO_X WL in OWLMO deze ontbenetting onderdrukt. OWLMO vlakke weerstand niet alleen lager, maar bijna constante resistiviteit ~8,2 µΩcm voor alle diktes → hoge bedekkingsgraad Ag-film zelfs bij 6 nm (WL + Ag). Vlakke weerstand 13,9 (10,3) Ω/vk met 6 (8) nm WL+Ag overeenkomt met G. Zhao et al. (12,5 Ω/vk op PET). Op CIGS cellen: Kang et al. 104 Ω/vk voor beste OMO cel met Cu-Mo metaallaag. Verdere verbetering mogelijk: bulk Ag resistiviteit slechts 1,6 µΩcm.

Fig. 3: JV kenmerken cellen met/zonder OWLMO. WL monsters: verhoogde stroomdichtheid tot 5 mA/cm² vs referentie OMO. OWLMO: stroomdichtheid daalt met toenemende Ag-dikte; OMO: geen verandering 6-8 nm Ag. Fig. 4: korte-sluitstroomdichtheid J_SC over dikte: duidelijke trend, geen duidelijk effect op open-circuit spanning of vulfactor. Dalende stroomdichtheid met dikkere Ag verwacht door verhoogde reflectiviteit. Kleine steekproef (0,25 cm²) → geen significant effect vlakke weerstand op J_SC. Fig. 5: EQE en reflectiviteit per monster. EQE bevestigt JV resultaten. OWLMO en OMO duidelijk te onderscheiden. WL verbetert quantum efficiëntie tot 17% in 400-1200 nm. Lichte reflectiedaling ~2% bij 710 nm, onvoldoende voor EQE stijging. Reflectiviteit en EQE stijgen >800 nm met WL → transmissie OWLMO verbeterd door verminderde absorptie in Ag-laag. J_SC uit geïntegreerde EQE overeenkomt met JV metingen (Tabel 1).

Fig. 4: J_SC OMO zonder WL onbeïnvloed door Ag-dikte. EQE (Fig. 5): daling EQE lange golflengten gecompenseerd door stijging korte golflengten (zichtbaar). Toegeschreven aan effectief verbeterde Ag-laagkwaliteit met toenemende dikte (verhoogde bedekking/reflectiviteit) → verhoogde finesse optische kaviteit OMO stapel, afgestemd op verhoogde transmissie zichtbaar bereik. Reflectiviteit OMO >800 nm neemt toe met Ag-dikte → verminderde EQE in dat spectrum.

OWLMO: effect hogere reflectiviteit >800 nm met toenemende Ag-dikte nog duidelijker. OWLMO vs OMO: zowel toename reflectiviteit >800 nm als verminderde absorptie 400-1200 nm wijzen op gunstigere Ag-morfologie door WL.

Fig. 6: niet-radiatieve recombinatieverliezen en parasitair absorptie. WL vermindert parasitair absorptie frontcontact duidelijk. Toegeschreven aan verbeterde homogeniteit/bedekking, verlaagde percolatiedikte/ruwheid Ag-laag → lagere absorptie, consistent met eerdere studies op andere substraten.

Ondanks verbetering OMO frontcontact, efficiëntie ~13% in deze studie onder state-of-the-art CIGS module AVANCIS (19%). Aangezien OMO hoofdzakelijk stroomopwekking beïnvloedt, is vergelijking J_SC nuttiger. 34 mA/cm² in deze studie vs 36,3 mA/cm² in literatuur → OMO technologie competitief zelfs vóór optimalisatie volledige celstapel.

Conclusie

AgO_X benettingslagen onderzocht in oxide/metaal/oxide frontcontacten op CIGS zonnecellen voor verbetering korte-sluitstroomdichtheid en algehele efficiëntie. Dalen vlakke weerstand van 22,71 naar 13,89 Ω/vk en stijging korte-sluitstroomdichtheid van 28,8 naar 33,9 mA/cm² voor Ag-dikte 6 nm bereikt. Resultaten wijzen op significante verlaging percolatiedikte Ag-films door benettingslagen → lagere parasitair absorptie electrode. Verhoogde Ag-filmkwaliteit (hogere transmissie en geleiding) door WL toevoeging in overeenstemming met eerdere literatuur. Conclusie: benettingslaag succesvol geïmplementeerd voor OMO elektroden op CIGS dun-film zonnecellen. Benettingslagen zijn waardevolle toevoeging om OMO contacten te verbeteren voor zonneceltoepassingen.