Lapisan Basah AgO_X Meningkatkan Elektroda Oksida Logam untuk Sel Surya CIGS dengan Efisiensi Tinggi
Abstrak
Tumpukan lapisan oksida/logam/oksida (OMO) digunakan untuk mengganti oksida konduktif transparan sebagai kontak depan sel tipis-film surya. Struktur berlapis ini tidak hanya mengurangi ketebalan keseluruhan kontak, tetapi juga dapat digunakan untuk pewarnaan sel menggunakan efek interferensi. Namun, resistansi lembar dan absorpsi parasit, keduanya sangat bergantung pada lapisan logam, harus lebih diturunkan untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi dalam sel surya. Dalam publikasi ini, lapisan basah AgOX diterapkan pada elektroda OMO untuk meningkatkan kinerja sel tipis-film surya Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Kami menunjukkan bahwa lapisan basah AgOX adalah langkah efektif untuk meningkatkan transmisi dan konduktivitas elektroda berlapis. Dengan pendekatan yang disajikan, kami berhasil meningkatkan kepadatan arus pendek sebesar 18% dari 28,8 menjadi 33,9 mA/cm2 dengan ketebalan film logam (Ag) seberat 6 nm. Hasil kami menyoroti bahwa elektroda OMO dapat menjadi pengganti yang efektif untuk oksida konduktif transparan konvensional seperti zink oksida terdoping aluminium pada sel tipis-film surya.
Pendahuluan
Elektroda oksida/logam/oksida (OMO) mampu mengganti oksida konduktif transparan (TCO) seperti oksida timah indium atau zink oksida terdoping aluminium (AZO), yang biasanya digunakan sebagai elektroda dalam berbagai perangkat termasuk dioda pemancar cahaya, layar, layar sentuh, dan modul fotovoltaik. Aspek utama elektroda OMO yang timbul dari ketebalan yang dikurangi adalah waktu penyaringan yang pendek dan fleksibilitas mekanis yang lebih baik. Hal itu membuatnya lebih murah untuk diproduksi dan alternatif yang kuat bagi TCO, sambil memberikan karakteristik optik dan listrik yang setara atau unggul [1, 2]. Fakta bahwa hasil yang setara atau lebih baik dapat dicapai dengan elektroda OMO pada sel surya dibandingkan elektroda AZO konvensional telah sebelumnya diwakilkan menggunakan contoh sel tipis-film surya silikon amorfa [3]. Selain itu, karena suhu penyaringan yang rendah, elektroda OMO cocok untuk perangkat sensitif suhu seperti fotovoltaik organik atau substrat polimer [1, 2].
Menariknya, elektroda OMO bertindak sebagai ruang optik karena interferensi yang disebabkan oleh banyak refleksi di antarmuka lapisan. Hal ini memungkinkan merancang elektroda untuk memiliki puncak transmisi yang sangat luas meskipun menggunakan lapisan logam yang sangat refleksif [1, 3]. Dengan menggunakan logam dengan indeks bias rendah dan oleh karena itu refleksivitas tinggi, kekuatan atau kehalusan ruang optik meningkat dan begitu pula transmisi di wilayah resonansi [4]. Posisi spektral puncak transmisi dan refleksi ditentukan oleh ketebalan optik lapisan oksida, sementara konduktivitas listrik terutama dipengaruhi oleh film logam. Oleh karena itu, mungkin untuk menyesuaikan karakteristik optik ruang secara terpisah dari yang listrik. Hal ini memungkinkan tidak hanya untuk merancang elektroda sesuai kebutuhan listrik dan optik dari berbagai penyerap fotovoltaik atau teknologi sel, tetapi juga untuk menggunakannya dengan cara multifungsi. Telah ditunjukkan bahwa properti optik khusus elektroda OMO dapat digunakan untuk pewarnaan modul PV [5,6,7]. Kami sebelumnya menerapkan elektroda OMO dengan pewarnaan terintegrasi pada sel tipis-film surya CIGS, yang merupakan opsi menarik untuk modul yang dirancang khusus untuk integrasi bangunan [5]. Salah satu tantangan besar dalam pengembangan elektroda OMO adalah penyaringan lapisan logam ultra-tipis (< 15 nm) yang terperangkap antara dua lapisan oksida. Di sini, biasanya perak (Ag) digunakan, karena memiliki resistensi terendah dari semua logam [8]. Secara ideal, film Ag harus se tipis mungkin untuk transmisi tertinggi dengan kehilangan absorpsi minimal. Oleh karena itu, secara teoritis batas bawah hanya ditetapkan oleh konduktivitas yang diinginkan. Namun, karena penebusan Ag yang signifikan, pertumbuhan pulau tipe Volmer–Weber tiga dimensi diamati untuk lapisan Ag dengan ketebalan di bawah ambang perkolasi (dpt) sekitar 10 nm [2, 9,10,11,12]. Transmisi pada ketebalan rendah ini sangat terbatas oleh absorpsi dan pencaran karena resonansi permukaan plasmon yang terjadi pada kluster logam [2, 13, 14]. Selain itu, pembentukan pulau mengakibatkan peningkatan resistensi [15, 16]. Transisi ke film tertutup, kontinu dapat diamati dengan peningkatan ketebalan logam di atas ambang perkolasi dpt. Hal ini disertai dengan penurunan resistensi, serta peningkatan tinggi puncak transmisi, meskipun transmisi menurun lagi untuk lapisan yang jauh lebih tebal dari ketebalan perkolasi d > dpt [2, 12, 17]. Nilai dpt terkait dengan energi bebas permukaan logam yang disalir, substrat, dan antarmuka di antara mereka [18]. Berbagai strategi telah diusulkan dan ditinjau secara detail untuk mengurangi dpt dan mencapai lapisan Ag rata dengan cakupan penuh dengan meningkatkan adhesi ke substrat atau mengurangi energi bebas permukaan logam atau antarmuka. Mereka mencakup paduan berbagai logam [19, 20] atau penambahan gas selama penyaringan lapisan Ag [10, 12]. Selain sejumlah lapisan basah berbeda telah dipelajari untuk meningkatkan kualitas lapisan Ag tipis, termasuk Ge, AgOX dan Cu [2, 17]. Ge ditemukan memberikan basabilitas terbaik, tetapi kehilangan optik karena absorpsi kuat Ge membuatnya pilihan buruk untuk aplikasi optik [17]. Secara khusus, AgOX telah menunjukkan hasil yang menjanjikan. Zhao et al. menemukan ketebalan perkolasi 6 nm dan 8 nm untuk lapisan Ag dengan dan tanpa lapisan basah AgOX dalam elektroda OMO [17], dan hasil yang serupa dicapai oleh H. Jo et al. dan W. Wang et al. dengan film AgOX penuh [10, 12]. AgOX memiliki keuntungan bahwa penyaringan dengan mudah diimplementasikan dalam proses OMO dengan menambahkan oksigen sebagai gas reaktif. Selain itu, lapisan basah AgOX (WL) lebih disukai daripada lapisan AgOX penuh, karena indeks bias AgOX yang lebih tinggi dibandingkan Ag murni akan mengurangi kekuatan ruang optik karena selisih indeks bias yang lebih kecil dengan AZO [11, 12]. Meskipun elektroda OMO telah digunakan untuk sel surya Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sebelumnya [5, 21], efek WL pada sel surya OMO/CIGS belum pernah diteliti. Dalam publikasi ini, kami menunjukkan dampak lapisan basah AgOX pada OMO yang digunakan sebagai elektroda depan transparan sel surya CIGS. Kami menunjukkan bahwa arus foto bersama dengan efisiensi sel CIGS dapat secara signifikan ditingkatkan dengan menggunakan elektroda OMO dengan lapisan basah AgOX, dibandingkan tumpukan lapis OMO konvensional (Gambar 1).
Skema tumpukan lapisan elektroda OWLMO pada sel surya CIGS. Konduktivitas dan transparansi lapisan Ag perantara dapat ditingkatkan dengan lapisan basah
Bahan dan Metode
Referensi elektroda oksida/logam/oksida (OMO) disiapkan melalui sputtering magnetron DC pada suhu ruangan seperti yang dijelaskan sebelumnya [5]. Lapisan AZO bawah dan atas elektroda OMO memiliki ketebalan 20 nm dan 63 nm dan disalir dengan aliran oksigen 0 sccm dan 5 sccm, masing-masing. Elektroda oksida/lapisan basah/logam/oksida (OWLMO), seperti ditunjukkan dalam Gambar 1, dicapai dengan penyaringan lapisan basah AgOX tambahan setelah oksida pertama dengan sputtering Ag dengan 45 sccm Argon dan 10 sccm oksigen pada 0,8 Pa dan 200 W pada suhu ruangan selama satu detik. Kami mengasumsikan laju penyaringan AgOX sama atau sedikit lebih rendah dibandingkan Ag murni, seperti yang diketahui untuk sputtering reaktif. Oleh karena itu, dalam yang berikut, ketebalan lapisan basah diperkirakan 1 nm dan lapisan basah diikuti oleh misalnya 6 nm Ag murni akan dijelaskan dengan ketebalan total 7 nm. Laju penyaringan proses sputtering Ag dan AZO ditentukan dengan profilometer Veeco Dektak 150. Ketebalan lapisan sampel seperti yang dijelaskan dalam studi ini didasarkan pada laju penyaringan ini, yaitu 1,03 ± 0,08 nm/s untuk Ag, 1,41 ± 0,02 nm/s untuk AZO dengan aliran oksigen 0 sccm dan 1,38 ± 0,01 nm/s untuk AZO dengan aliran oksigen 5 sccm. Sel CIGS yang digunakan didasarkan pada proses CIGS bebas Cd terbaru oleh AVANCIS, yang menghasilkan efisiensi lubang hingga 19% pada modul kecil [22]. Untuk mengaktifkan aplikasi kontak depan alternatif, sel ini dimodifikasi untuk menyediakan sel uji yang cocok untuk studi ini. Secara spesifik, alih-alih penghapusan lengkap kontak depan AZO standar, ketebalannya dikurangi menjadi sekitar 200 nm untuk menjaga antarmuka yang dioptimalkan dari sel terbaru. Selain itu, hal ini memiliki manfaat peningkatan stabilitas dan perlindungan sel selama transportasi dan meningkatkan keberulangan eksperimen kami. Sampel CIGS memiliki ukuran keseluruhan 2,5 × 2,5 cm2, dari mana sembilan sel 0,25 cm2 dibuat dengan scribing mekanis. Spektrum refleksi sampel OMO/CIGS direkam dengan spektrofotometer UV–VIS Cary 5000 dengan bola integrasi. Resistansi lembar sampel OMO/CIGS diukur dengan sistem probe empat titik Jandel RM3-AR. Karena sifat rapuh CIGS, kontak yang tidak optimal (misalnya pembedahan kontak belakang) dapat menghasilkan nilai pencilan dalam resistansi lembar. Oleh karena itu, median alih-alih nilai rata-rata resistansi lembar digunakan untuk evaluasi. 15–20 pengukuran diambil untuk menentukan median resistansi lembar setiap sampel. Untuk mengevaluasi kinerja sel, pengukuran arus–tegangan dilakukan dengan simulator surya dual lampu WACOM sesuai kondisi uji standar (spektrum AM1.5G, 1000 W/m2, 25 °C). Sistem memiliki kesalahan relatif efisiensi sebesar 1,13% termasuk kesalahan sel referensi, kesalahan perangkat ukur, dan fluktuasi daya iradiasi. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) direkam dengan sistem pengukuran RR-2100 dari LOT Oriel.
Hasil dan Pembahasan
Kinerja listrik sampel dengan (OWLMO) dan tanpa (OMO) lapisan basah dievaluasi berdasarkan karakteristik resistansi mereka. Dalam Gambar 2, resistansi lembar sampel ditampilkan. Sebelum penyaringan elektroda OMO, resistansi lembar sebesar 56 ± 3 Ω/sq diukur untuk kontak depan parsial sel surya CIGS. Seperti yang diharapkan, resistansi lembar menurun seiring peningkatan ketebalan Ag untuk OMO dan OWLMO, meskipun sampel OWLMO jelas menunjukkan resistansi lembar keseluruhan yang lebih rendah. Namun, perbandingan dengan material dengan resistensi konstan (garis putus-putus) menunjukkan bahwa hanya resistensi elektroda OWLMO yang mengikuti tren yang diharapkan. Resistansi lembar elektroda OMO naik jauh lebih kuat untuk lapisan Ag yang lebih tipis dibandingkan yang diharapkan untuk resistensi konstan. Ini menunjukkan bahwa untuk sampel OMO, lapisan Ag dengan ketebalan di bawah 8 nm tidak sepenuhnya tertutup karena pertumbuhan pulau tipe Volmer–Weber, sementara lapisan basah AgOX dalam sampel OWLMO mampu menekankan perilaku penebusan ini. Resistansi lembar untuk sampel OWLMO tidak hanya lebih rendah dari sampel OMO, tetapi resistensi konstan sekitar 8,2 µΩcm dicapai untuk semua ketebalan. Ini menunjukkan bahwa karena lapisan basah, tingkat cakupan film Ag yang tinggi dapat dicapai bahkan untuk ketebalan seberat 6 nm (WL + Ag). Selain itu, resistansi lembar 13,9 (10,3) Ω/sq dengan 6 (8) nm WL + Ag yang dicapai ini sesuai dengan yang dilaporkan oleh G. Zhao et al. dengan 12,5 Ω/sq pada substrat PET [17]. Pada sel CIGS, substrat yang digunakan dalam publikasi ini, Kang et al. menerbitkan resistansi lembar sebesar 104 Ω/sq untuk sel terbaik mereka dengan elektroda OMO yang menggunakan lapisan logam Cu–Mo [21]. Peningkatan lebih lanjut elektroda OMO yang menggunakan Ag mungkin mungkin, karena Ag bulk memiliki resistensi hanya 1,6 µΩcm [8],
Perbandingan resistansi lembar yang diukur dari elektroda OMO sel surya CIGS dengan berbagai ketebalan logam perantara. Sampel tanpa (hitam) dan dengan (merah) lapisan basah ditampilkan. Garis putus-putus mewakili resistansi lembar OMO dengan resistensi konstan, seperti yang diharapkan tanpa perubahan morfologi lapisan Ag
Dalam Gambar 3, karakteristik JV sel dengan dan tanpa lapisan OWLMO ditampilkan. Sampel termasuk lapisan basah menunjukkan peningkatan kepadatan arus hingga 5 mA/cm2 dibandingkan elektroda OMO referensi. Selain itu, sampel dengan elektroda OWLMO menunjukkan penurunan kepadatan arus seiring peningkatan ketebalan Ag, sementara kepadatan arus sampel dengan elektroda OMO tidak berubah dalam rentang 6–8 nm Ag. Dalam Gambar 4, tren ini juga jelas terlihat dalam plot kepadatan arus pendek JSC terhadap ketebalan, meskipun tidak ada dampak yang jelas pada tegangan terbuka atau faktor isian. Penurunan kepadatan arus dengan peningkatan ketebalan logam (Ag) diharapkan karena refleksivitas yang meningkat dari lapisan logam yang lebih tebal. Namun, karena ukuran sampel yang kecil sebesar 0,25 cm2, tidak ada dampak signifikan dari resistansi lembar pada JSC. Dalam Gambar 5, EQE setiap sampel ditampilkan bersama dengan refleksi masing-masing. Pengukuran EQE mengonfirmasi hasil dari karakterisasi arus–tegangan. Lapisan OWLMO dan OMO dapat dibedakan dengan jelas satu sama lain. Lapisan basah meningkatkan efisiensi kuantum hingga 17% dalam interval panjang gelombang 400–1200 nm. Penurunan ringan sekitar 2% dalam refleksi dapat diamati pada 710 nm. Namun, itu tidak cukup untuk menjelaskan peningkatan EQE. Selain itu, refleksi dan EQE meningkat untuk panjang gelombang di atas 800 nm dengan perkenalan lapisan basah. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa transmisi elektroda OWLMO ditingkatkan karena pengurangan absorpsi dalam lapisan Ag. Kepadatan arus pendek yang dihitung dari EQE terintegrasi juga sesuai dengan hasil pengukuran JV (Tabel 1).
Karakteristik kepadatan arus–tegangan sel CIGS menggunakan elektroda dengan (garis penuh) dan tanpa (garis putus-putus) lapisan basah untuk tiga tingkat ketebalan lapisan Ag dibandingkan. Sel terbaik dari sembilan sel yang terstruktur pada setiap sampel ditampilkan
Perbandingan parameter kinerja sel efisiensi (a), kepadatan arus pendek (b), tegangan terbuka (c) dan faktor isian (d). Simbol terbuka menunjukkan rata-rata dari sekelompok sembilan sel dan silang menunjukkan nilai sel terbaik
Efisiensi kuantum eksternal (EQE) dan refleksi yang dikurangi dari 100% (100%-R) dari sel CIGS menggunakan elektroda OMO dengan (garis penuh) dan tanpa (garis putus-putus) lapisan basah untuk tiga tingkat ketebalan lapisan Ag ditampilkan. Sel terbaik dari sembilan sel yang terstruktur pada setiap sampel ditampilkan
Seperti disebutkan sebelumnya, Gambar 4 menunjukkan bahwa JSC sampel OMO tanpa lapisan basah tidak dipengaruhi oleh ketebalan lapisan Ag. Dalam hasil EQE dalam Gambar 5, kami dapat melihat bahwa ini karena penurunan EQE dalam rentang panjang gelombang panjang dikompensasi oleh peningkatan untuk panjang gelombang yang lebih pendek dalam rentang terlihat. Hal ini dapat dikaitkan dengan kualitas yang efektif ditingkatkan dari lapisan Ag seiring peningkatan ketebalan karena cakupan dan refleksivitas film Ag yang meningkat. Ini meningkatkan kehalusan ruang optik yang dibentuk oleh tumpukan OMO, yang disesuaikan untuk meningkatkan transmisi dalam rentang terlihat [5]. Menurut argumen yang sama, refleksivitas sampel OMO untuk panjang gelombang di atas 800 nm meningkat dengan ketebalan Ag, menghasilkan EQE yang berkurang dalam rentang spektral tersebut.
Untuk sampel OWLMO, efek refleksi yang lebih tinggi dengan peningkatan ketebalan Ag pada panjang gelombang yang lebih tinggi semakin terang. Membandingkan OWLMO dengan sampel OMO, baik peningkatan refleksivitas untuk > 800 nm dan pengurangan absorpsi untuk 400–1200 nm menunjukkan bahwa morfologi lapisan Ag yang lebih menguntungkan dicapai karena lapisan basah.
Dalam Gambar 6, kerugian rekombinasi non-radioaktif dan absorpsi parasit ditampilkan. Jelas terlihat bahwa penggunaan lapisan basah mengurangi absorpsi parasit kontak depan. Seperti dibahas sebelumnya, kami mengaitkan hal ini dengan homogenitas dan cakupan yang ditingkatkan serta ketebalan perkolasi dan kekasaran lapisan Ag yang berkurang. Perubahan ini pada lapisan Ag menghasilkan absorpsi yang lebih rendah, seperti yang diamati sebelumnya menggunakan substrat lain [12, 17].
100-EQE-R, yaitu absorpsi parasit dan kerugian rekombinasi sel CIGS menggunakan elektroda OMO dengan (garis penuh) dan tanpa (garis putus-putus) lapisan basah. Setelah pengurangan EQE dan refleksi dari 100%, hanya absorpsi yang tidak berkontribusi pada generasi arus yang tersisa
Meskipun terdapat peningkatan pada kontak depan OMO, efisiensi sekitar 13% yang dicapai dalam studi ini di bawah efisiensi modul CIGS terbaru saat ini dari Avancis dengan 19% [22]. Namun, karena elektroda OMO dapat digunakan terutama untuk mempengaruhi generasi arus, perbandingan kepadatan arus pendek lebih berguna. Dengan 34 mA/cm2 yang dicapai dalam studi ini dibandingkan 36,3 mA/cm2 dalam literatur, teknologi OMO menunjukkan daya saingnya bahkan sebelum optimisasi tumpukan sel seluruhnya [22].
Kesimpulan
Lapisan basah AgOX telah diteliti pada kontak depan oksida/logam/oksida pada sel surya CIGS, mengenai peningkatan kepadatan arus pendek dan efisiensi keseluruhan. Penurunan resistansi lembar dari 22,71 menjadi 13,89 Ω/sq serta peningkatan kepadatan arus pendek dari 28,8 menjadi 33,9 mA/cm2 untuk ketebalan Ag 6 nm telah dicapai. Hasil menunjukkan bahwa penurunan yang signifikan pada ketebalan perkolasi film Ag karena lapisan basah berhasil, menghasilkan absorpsi parasit yang lebih rendah oleh elektroda. Peningkatan kualitas film Ag yang diamati di sini karena penambahan lapisan basah, yaitu transmisi dan konduktivitas yang lebih tinggi, sesuai dengan temuan sebelumnya dalam literatur. Berdasarkan hasil ini, dapat disimpulkan bahwa lapisan basah berhasil diimplementasikan untuk elektroda OMO yang diterapkan pada sel tipis-film surya CIGS. Hasil menunjukkan bahwa lapisan basah adalah tambahan yang berharga untuk meningkatkan kontak OMO untuk aplikasi sel surya.
Ketersediaan Data dan Bahan
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis yang bersangkutan atas permintaan yang wajar.
