Electrodo de óxido metálico mejorado para células solares CIGS:la aplicación de una capa humectante de AgOX

Resumen

Las pilas de capas de óxido / metal / óxido (OMO) se utilizan para reemplazar los óxidos conductores transparentes como contacto frontal de las células solares de película delgada. Estas estructuras multicapa no solo reducen el grosor total del contacto, sino que pueden usarse para colorear las células utilizando efectos de interferencia. Sin embargo, la resistencia laminar y la absorción parásita, que dependen en gran medida de la capa de metal, deben reducirse aún más para alcanzar mayores eficiencias en las células solares. En esta publicación, AgO _X Se aplicaron capas humectantes a los electrodos OMO para mejorar el rendimiento de Cu (In, Ga) Se ₂ (CIGS) células solares de película fina. Mostramos que un AgO _X La capa humectante es una medida eficaz para aumentar la transmisión y la conductividad del electrodo multicapa. Con el enfoque presentado, pudimos mejorar la densidad de corriente de cortocircuito en un 18% de 28,8 a 33,9 mA / cm ² con un espesor de película de metal (Ag) tan bajo como 6 nm. Nuestros resultados destacan que los electrodos OMO pueden ser un reemplazo eficaz para los óxidos conductores transparentes convencionales como el óxido de zinc dopado con aluminio en las células solares de película delgada.

Introducción

Los electrodos de óxido / metal / óxido (OMO) pueden sustituir los óxidos conductores transparentes (TCO) como el óxido de indio y estaño o el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO), que se utilizan normalmente como electrodos en una gran variedad de dispositivos, incluidos los diodos emisores de luz. , displays, pantallas táctiles y módulos fotovoltaicos. Los aspectos clave de los electrodos OMO que surgen de su espesor reducido son el corto tiempo de deposición y una mejor flexibilidad mecánica. Eso los hace más baratos de producir y una alternativa robusta a los TCO, al tiempo que proporciona características ópticas y eléctricas equivalentes o superiores [1, 2]. El hecho de que se pueden lograr resultados comparables o mejores con electrodos OMO en células solares que con electrodos AZO convencionales ya se ha demostrado anteriormente utilizando el ejemplo de las células solares de película delgada de silicio amorfo [3]. Además, debido a una baja temperatura de deposición, los electrodos OMO son adecuados para dispositivos sensibles a la temperatura como sustratos poliméricos o fotovoltaicos orgánicos [1, 2].

Lo más interesante es que los electrodos OMO actúan como cavidades ópticas debido a la interferencia causada por múltiples reflejos en las interfaces de las capas. Esto permite diseñar el electrodo para que posea un pico amplio de muy alta transmisión a pesar del uso de una capa de metal altamente reflectante [1, 3]. Al emplear un metal con un índice de refracción bajo y, por lo tanto, una reflectividad alta, aumenta la resistencia o delicadeza de la cavidad óptica y también lo hace la transmisión en la región de resonancia [4]. Las posiciones espectrales de los picos de transmisión y reflexión están determinadas por el espesor óptico de las capas de óxido, mientras que la conductividad eléctrica está influenciada principalmente por la película metálica. Por tanto, es posible ajustar las características ópticas de la cavidad por separado de las eléctricas. Esto permite no solo diseñar el electrodo de acuerdo con los requisitos eléctricos y ópticos de diferentes absorbedores fotovoltaicos o tecnologías de células, sino también utilizarlo de manera multifuncional. Se ha demostrado que las propiedades ópticas especiales de los electrodos OMO se pueden utilizar para colorear módulos fotovoltaicos [5,6,7]. Anteriormente aplicamos electrodos OMO con coloración integrada en células solares de película delgada CIGS, que son una opción atractiva para módulos diseñados específicamente para la integración en edificios [5]. Un gran desafío en el desarrollo de electrodos OMO es la deposición de la capa de metal ultrafina (<15 nm) intercalada entre las dos capas de óxido. Aquí, normalmente se utiliza plata (Ag), ya que tiene la resistividad más baja de todos los metales [8]. Idealmente, la película de Ag debe ser lo más delgada posible para lograr la máxima transmisión con mínimas pérdidas de absorción. Por lo tanto, teóricamente, un límite inferior se establece solo por la conductividad deseada. Sin embargo, debido a la deshumectación significativa de Ag, se observa un crecimiento en isla de tipo Volmer-Weber tridimensional para las capas de Ag con espesores por debajo del umbral de percolación ( d _pt ) de aproximadamente 10 nm [2, 9,10,11,12]. La transmitancia a estos espesores bajos está severamente limitada por la absorbancia y la dispersión debidas a las resonancias de plasmones superficiales que ocurren en los grupos de metales [2, 13, 14]. Además, la formación de islas conduce a un aumento de la resistividad [15, 16]. Se puede observar una transición a una película continua completamente cerrada al aumentar el espesor del metal por encima del umbral de percolación d _pt . Esto se acompaña de una reducción en la resistividad, así como un aumento en la altura del pico de transmisión, aunque la transmisión disminuye nuevamente para capas seguramente más gruesas que el espesor de percolación d > d _pt [2, 12, 17]. El valor de d _pt está relacionado con las energías libres superficiales del metal depositado, el sustrato y la interfaz entre ellos [18]. Se han propuesto y revisado en detalle varias estrategias para reducir d _pt y lograr una capa plana de Ag con cobertura total aumentando la adherencia al sustrato o disminuyendo las energías libres superficiales del metal o la interfaz. Incluyen la aleación de diferentes metales [19, 20] o la adición de gases durante la deposición de la capa de Ag [10, 12]. Además, se han estudiado varias capas humectantes diferentes para mejorar la calidad de las capas finas de Ag, incluidas Ge, AgO _X y Cu [2, 17]. Se encontró que Ge proporciona la mejor humectabilidad, pero las pérdidas ópticas debido a la fuerte absorción de Ge lo convierten en una mala elección para aplicaciones ópticas [17]. En particular, AgO _X ha mostrado resultados prometedores. Zhao y col. encontró espesores de percolación de 6 nm y 8 nm para capas de Ag con y sin AgO _X capas humectantes en electrodos OMO [17], y H. Jo et al. y W. Wang et al. con AgO completo _X películas [10, 12]. AgO _X tiene la ventaja de que la deposición se implementa fácilmente en el proceso OMO añadiendo oxígeno como gas reactivo. Además, un AgO _X La capa humectante (WL) es preferible a AgO completo _X capa, como el índice de refracción más alto de AgO _X en comparación con el Ag puro, se reduciría la resistencia de la cavidad óptica debido a una diferencia menor del índice de refracción con el AZO [11, 12]. Mientras que los electrodos OMO se han utilizado para Cu (In, Ga) Se ₂ (CIGS) células solares anteriormente [5, 21], el efecto de WL en células solares OMO / CIGS no se ha estudiado todavía. En esta publicación, demostramos el impacto de un AgO _X capa humectante en un OMO utilizado como el electrodo frontal transparente de las células solares CIGS. Demostramos que la fotocorriente junto con la eficiencia de las células CIGS se puede aumentar significativamente mediante el uso de electrodos OMO con AgO _X capa humectante, en comparación con las pilas de capas OMO convencionales (Fig. 1).

Pila de capas esquemáticas del electrodo OWLMO en la celda solar CIGS. La conductividad y la transparencia de la capa intermedia de Ag se pueden mejorar con una capa humectante

Materiales y métodos

Los electrodos de referencia de óxido / metal / óxido (OMO) se prepararon mediante pulverización catódica con magnetrón de CC a temperatura ambiente como se describió anteriormente [5]. Las capas de AZO inferior y superior del electrodo OMO tienen un espesor de 20 nm y 63 nm y se depositaron con un flujo de oxígeno de 0 sccm y 5 sccm, respectivamente. Los electrodos de óxido / capa humectante / metal / óxido (OWLMO), como se muestra en la Fig.1, se lograron mediante la deposición de un AgO _{X adicional} capa humectante después del primer óxido mediante pulverización catódica de Ag con 45 sccm de argón y 10 sccm de oxígeno a 0,8 Pa y 200 W a temperatura ambiente durante un segundo. Asumimos la tasa de deposición de AgO _X ser igual o ligeramente menor que el del Ag puro, como se le conoce por la pulverización catódica reactiva. Por lo tanto, a continuación, se estima que el espesor de la capa humectante es de 1 nm y una capa humectante seguida de p. Se describirá Ag pura de 6 nm con un espesor total de 7 nm. Las velocidades de deposición de los procesos de pulverización catódica de Ag y AZO se determinaron con un perfilómetro Veeco Dektak 150. Los espesores de las capas de las muestras descritas en este estudio se basan en estas tasas de deposición, que fueron 1.03 ± 0.08 nm / s para Ag, 1.41 ± 0.02 nm / s para AZO con 0 sccm de flujo de oxígeno y 1.38 ± 0.01 nm / s para AZO con un flujo de oxígeno de 5 sccm. Las celdas CIGS utilizadas se basan en procesos CIGS sin Cd de última generación de AVANCIS, lo que conduce a eficiencias de apertura de hasta el 19% en módulos pequeños [22]. Para permitir la aplicación del contacto frontal alternativo, estas celdas se modificaron para proporcionar una celda de prueba adecuada para este estudio. Específicamente, en lugar de una eliminación completa del AZO de contacto frontal estándar, su grosor se redujo a aproximadamente 200 nm para mantener la interfaz optimizada de las células de última generación. Además, esto tiene el beneficio de una mayor estabilidad y protección de las células durante el transporte y aumenta la reproducibilidad de nuestros experimentos. Las muestras CIGS tienen un tamaño total de 2,5 × 2,5 cm ² , de los cuales nueve 0,25 cm ² Las células fueron creadas mediante trazado mecánico. Los espectros de reflexión de las muestras OMO / CIGS se registraron con un espectrofotómetro UV-VIS Cary 5000 con una esfera integradora. La resistencia laminar de las muestras OMO / CIGS se midió con un sistema de sonda de cuatro puntos Jandel RM3-AR. Debido a la naturaleza frágil de CIGS, un contacto no óptimo (por ejemplo, perforar el contacto trasero) puede dar lugar a valores atípicos en los valores de resistencia de la hoja. Por lo tanto, para la evaluación se utilizó la mediana en lugar de los valores medios de resistencia de la hoja. Se tomaron de 15 a 20 mediciones para determinar la resistencia media de la hoja de cada muestra. Para evaluar el rendimiento de la celda, se realizaron mediciones de corriente-voltaje con un simulador solar de lámpara dual WACOM de acuerdo con las condiciones de prueba estándar (espectro AM1.5G, 1000 W / m ² , 25 ° C). El sistema tiene un error relativo de eficiencia del 1,13%, incluido el error de la celda de referencia, el error del dispositivo de medición y las fluctuaciones de potencia de la irradiación. La eficiencia cuántica externa (EQE) se registró con un sistema de medición RR-2100 de LOT Oriel.

Resultados y discusión

El rendimiento eléctrico de las muestras con (OWLMO) y sin (OMO) capa humectante se evaluó por sus características resistivas. En la figura 2, se muestra la resistencia laminar de las muestras. Antes de la deposición de los electrodos OMO, se midió una resistencia laminar de 56 ± 3 Ω / sq para el contacto frontal parcial de las células solares CIGS. Como era de esperar, la resistencia de la hoja disminuye al aumentar el espesor de Ag para las muestras OMO y OWLMO, aunque las muestras de OWLMO exhiben claramente una resistencia general de la hoja más baja. Sin embargo, una comparación con un material con resistividad constante (líneas discontinuas) muestra que solo la resistividad de los electrodos OWLMO sigue la tendencia esperada. La resistencia laminar de los electrodos OMO aumenta mucho más para capas de Ag más delgadas de lo esperado para una resistividad constante. Esto indica que para las muestras OMO, las capas de Ag con espesores por debajo de 8 nm no están completamente cerradas debido al crecimiento de isla tipo Volmer-Weber, mientras que AgO _X La capa humectante en las muestras de OWLMO es capaz de suprimir este comportamiento de deshumectación. La resistencia de la hoja para las muestras OWLMO no solo es más baja que para las muestras OMO, sino que se logra una resistividad casi constante de aproximadamente 8,2 µΩcm para todos los espesores. Esto indica que debido a la capa humectante, se puede alcanzar un alto grado de cobertura de la película de Ag incluso para espesores tan bajos como 6 nm (WL + Ag). Además, la resistencia de la hoja de 13,9 (10,3) Ω / sq con 6 (8) nm WL + Ag conseguida aquí está de acuerdo con la informada por G. Zhao et al. con 12,5 Ω / sq en sustratos de PET [17]. En células CIGS, el sustrato empleado en esta publicación, Kang et al. publicaron una resistencia laminar de 104 Ω / sq para su celda de mejor rendimiento con un electrodo OMO que emplea una capa de metal Cu-Mo [21]. Incluso podría ser posible una mejora adicional de los electrodos OMO que emplean Ag, ya que el Ag a granel tiene una resistividad de solo 1,6 µΩcm [8],

Comparación de la resistencia laminar medida de los electrodos OMO de las células solares CIGS con diferentes espesores del metal intermedio. Se muestran muestras sin (negro) y con (rojo) capas humectantes. Las líneas discontinuas representan la resistencia laminar de los OMO con resistividad constante, como se esperaría sin un cambio en la morfología de la capa de Ag

En la Fig. 3, se muestran las características JV de las celdas con y sin capas OWLMO. Las muestras que incluyen una capa humectante muestran una densidad de corriente aumentada de hasta 5 mA / cm ² en comparación con los electrodos OMO de referencia. Además, las muestras con un electrodo OWLMO muestran una disminución en la densidad de corriente al aumentar el espesor de Ag, mientras que la densidad de corriente de las muestras con un electrodo OMO no cambia en el rango de 6-8 nm de Ag. En la Fig. 4, esta tendencia también es claramente visible en el gráfico de la densidad de corriente de cortocircuito J _SC sobre el espesor, aunque no es evidente un impacto claro en el voltaje de circuito abierto o el factor de llenado. Es de esperar una disminución en la densidad de corriente con el aumento del espesor del metal (Ag) debido a la mayor reflectancia de una capa de metal más gruesa. Sin embargo, debido al pequeño tamaño de muestra de 0,25 cm ² , ningún impacto significativo de la resistencia de la hoja en J _SC está presente. En la Fig. 5, el EQE de cada muestra se muestra junto con la reflectancia respectiva. Las mediciones de EQE confirman los resultados de la caracterización corriente-voltaje. Las capas OWLMO y las capas OMO se pueden distinguir claramente entre sí. La capa humectante mejora la eficiencia cuántica hasta en un 17% en un intervalo de longitud de onda de 400 a 1200 nm. Se puede observar una ligera disminución de aproximadamente un 2% en la reflexión a 710 nm. Sin embargo, no es suficiente para explicar el aumento de EQE. Además, la reflexión y el EQE aumentan para longitudes de onda superiores a 800 nm con la introducción de la capa humectante. Por tanto, se puede concluir que la transmitancia del electrodo OWLMO mejora debido a la reducción de la absorción en la capa de Ag. La densidad de corriente de cortocircuito calculada a partir del EQE integrado también concuerda bien con los resultados de la medición de JV (Tabla 1).

Se comparan las características de densidad de corriente-voltaje de las celdas CIGS que utilizan electrodos con (líneas completas) y sin (líneas discontinuas) capas humectantes para los tres niveles de espesor de la capa de Ag. Se muestra la celda con mejor rendimiento del conjunto de nueve celdas estructuradas en cada muestra

Comparación de la eficiencia de los parámetros de rendimiento de la celda ( a ), densidad de corriente de cortocircuito ( b ), voltaje de circuito abierto ( c ) y factor de relleno ( d ). El símbolo abierto indica el promedio de un conjunto de nueve celdas y la cruz el valor de la celda con mejor rendimiento

Se muestran la eficiencia cuántica externa (EQE) y la reflectancia restada del 100% (100% -R) de las células CIGS utilizando electrodos OMO con (líneas completas) y sin (líneas discontinuas) capas humectantes para los tres niveles de espesor de la capa de Ag. . Se muestra la celda con mejor rendimiento del conjunto de nueve celdas estructuradas en cada muestra

Como se mencionó anteriormente, la Fig.4 muestra que el J _SC de las muestras OMO sin capa humectante no se ve influenciada por el espesor de la capa de Ag. En los resultados de EQE de la Fig. 5, podemos ver que esto se debe a que la disminución de la EQE en el rango de longitud de onda larga se compensa con un aumento para longitudes de onda más cortas en el rango visible. Esto se puede atribuir a una calidad efectivamente mejorada de la capa de Ag al aumentar el espesor debido a la mayor cobertura y reflectividad de la película de Ag. Esto mejora la delicadeza de la cavidad óptica creada por la pila OMO, que está ajustada para aumentar la transmitancia en el rango visible [5]. Según el mismo argumento, la reflectividad de las muestras OMO para longitudes de onda superiores a 800 nm aumenta con el espesor de Ag, lo que da como resultado una EQE reducida en ese rango espectral.

Para las muestras OWLMO, el efecto de una mayor reflexión al aumentar el espesor de Ag a mayor longitud de onda es aún más pronunciado. Al comparar muestras de OWLMO con OMO, tanto el aumento en la reflectividad para> 800 nm como la reducción en la absorción para 400-1200 nm indican que se logró una morfología más favorable de la capa de Ag debido a la capa humectante.

En la Fig. 6, se muestran las pérdidas por recombinación no radiativa y la absorción parasitaria. Es claramente visible que el uso de capas humectantes reduce la absorción parásita del contacto frontal. Como se discutió anteriormente, atribuimos esto a una mayor homogeneidad y cobertura, así como a una disminución del grosor de percolación y la rugosidad de la capa de Ag. Estos cambios en la capa de Ag dan como resultado una menor absorción, como se observó anteriormente con otros sustratos [12, 17].

100-EQE-R, es decir, pérdidas por absorción parasitaria y recombinación de células CIGS utilizando electrodos OMO con (líneas completas) y sin (líneas discontinuas) capas humectantes. Después de restar tanto el EQE como la reflexión del 100%, solo queda la absorción que no contribuye a la generación actual

A pesar de la mejora en el contacto frontal OMO, la eficiencia de aproximadamente el 13% lograda en este estudio está por debajo de la del módulo CIGS de última generación actual de Avancis con un 19% [22]. Sin embargo, dado que el electrodo OMO se puede utilizar principalmente para influir en la generación de corriente, es más útil una comparación de la densidad de corriente de cortocircuito. Con 34 mA / cm ² logrados en este estudio en comparación con los 36,3 mA / cm ² En la literatura, la tecnología OMO muestra su competitividad incluso antes de la optimización de toda la pila de células [22].

Conclusión

AgO _X Se han investigado capas humectantes en contactos frontales de óxido / metal / óxido en células solares CIGS, con respecto a una mejora en la densidad de cortocircuito y la eficiencia general. Una disminución en la resistencia de la hoja de 22,71 a 13,89 Ω / sq, así como un aumento en la densidad de corriente de cortocircuito de 28,8 a 33,9 mA / cm ² para un espesor de Ag de 6 nm. Los resultados indican que se logró una reducción significativa del espesor de percolación de las películas de Ag debido a las capas humectantes, lo que resultó en una menor absorción parásita por parte del electrodo. El aumento en la calidad de la película de Ag observado aquí debido a la adición de la capa humectante, es decir, una mayor transmisión y conductividad, está de acuerdo con los hallazgos previos en la literatura. Con base en estos resultados, se puede concluir que la capa humectante se implementó con éxito para electrodos OMO aplicados en células solares de película delgada CIGS. Los resultados demuestran que las capas humectantes son una valiosa adición para mejorar los contactos OMO para aplicaciones de células solares.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos utilizados y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

OMO:: Óxido / metal / óxido
CIGS:: Cu (In, Ga) Se2
AZO:: Óxido de zinc dopado con aluminio
TCO:: Óxido conductor transparente
d _pt :: Umbral de filtración
WL:: Capa humectante
OWLMO:: Óxido / capa humectante / metal / óxido
EQE:: Eficiencia cuántica externa

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