Peningkatan Elektroda Oksida Logam untuk Sel Surya CIGS:Penerapan Lapisan Pembasah AgOX
Abstrak
Tumpukan lapisan oksida/logam/oksida (OMO) digunakan untuk menggantikan oksida konduktif transparan sebagai kontak depan sel surya film tipis. Struktur multilayer ini tidak hanya mengurangi ketebalan kontak secara keseluruhan, tetapi juga dapat digunakan untuk mewarnai sel dengan memanfaatkan efek interferensi. Namun, ketahanan lembaran dan penyerapan parasit, yang keduanya sangat bergantung pada lapisan logam, harus dikurangi lebih lanjut untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi dalam sel surya. Dalam publikasi ini, AgOX lapisan pembasahan diterapkan pada elektroda OMO untuk meningkatkan kinerja Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sel surya film tipis. Kami menunjukkan bahwa AgOX lapisan pembasahan adalah ukuran yang efektif untuk meningkatkan transmisi dan konduktivitas dari elektroda multilayer. Dengan pendekatan yang disajikan, kami dapat meningkatkan rapat arus hubung singkat sebesar 18% dari 28,8 menjadi 33,9 mA/cm
2
dengan ketebalan film logam (Ag) serendah 6 nm. Hasil kami menyoroti bahwa elektroda OMO dapat menjadi pengganti yang efektif untuk oksida konduktif transparan konvensional seperti seng oksida yang didoping aluminium pada sel surya film tipis.
Pengantar
Elektroda oksida/logam/oksida (OMO) mampu menggantikan oksida konduktif transparan (TCO) seperti oksida timah indium atau oksida seng yang didoping aluminium (AZO), yang biasanya digunakan sebagai elektroda di berbagai macam perangkat termasuk dioda pemancar cahaya , display, layar sentuh, dan modul fotovoltaik. Aspek kunci dari elektroda OMO yang muncul dari pengurangan ketebalannya adalah waktu deposisi yang singkat dan fleksibilitas mekanik yang lebih baik. Itu membuat mereka lebih murah untuk diproduksi dan alternatif yang kuat untuk TCO, sambil memberikan karakteristik optik dan listrik yang setara atau superior [1, 2]. Fakta bahwa hasil yang sebanding atau lebih baik dapat dicapai dengan elektroda OMO pada sel surya dibandingkan dengan elektroda AZO konvensional telah ditunjukkan sebelumnya menggunakan contoh sel surya film tipis silikon amorf [3]. Selain itu, karena suhu deposisi yang rendah, elektroda OMO cocok untuk perangkat yang sensitif terhadap suhu seperti fotovoltaik organik atau substrat polimer [1, 2].
Yang paling menarik, elektroda OMO bertindak sebagai rongga optik karena interferensi yang disebabkan oleh beberapa refleksi pada antarmuka lapisan. Hal ini memungkinkan merancang elektroda untuk memiliki puncak yang luas dari transmisi yang sangat tinggi meskipun menggunakan lapisan logam yang sangat reflektif [1, 3]. Dengan menggunakan logam dengan indeks bias rendah dan oleh karena itu reflektifitas tinggi, kekuatan atau kehalusan rongga optik meningkat dan begitu juga transmisi di wilayah resonansi [4]. Posisi spektral puncak transmisi dan refleksi ditentukan oleh ketebalan optik lapisan oksida, sedangkan konduktivitas listrik terutama dipengaruhi oleh film logam. Oleh karena itu, karakteristik optik rongga dapat disetel secara terpisah dari karakteristik elektrik. Hal ini memungkinkan tidak hanya untuk merancang elektroda sesuai dengan kebutuhan listrik dan optik dari peredam fotovoltaik atau teknologi sel yang berbeda, tetapi juga untuk menggunakannya secara multifungsi. Telah ditunjukkan bahwa sifat optik khusus dari elektroda OMO dapat digunakan untuk pewarnaan modul PV [5,6,7]. Kami sebelumnya menerapkan elektroda OMO dengan pewarnaan terintegrasi pada sel surya film tipis CIGS, yang merupakan opsi menarik untuk modul yang dirancang khusus untuk integrasi bangunan [5]. Salah satu tantangan besar dalam pengembangan elektroda OMO adalah pengendapan lapisan logam ultra-tipis (< 15 nm) yang diapit di antara dua lapisan oksida. Di sini, biasanya perak (Ag) digunakan, karena memiliki resistivitas terendah dari semua logam [8]. Idealnya, film Ag harus setipis mungkin untuk transmisi tertinggi dengan kehilangan penyerapan minimal. Oleh karena itu, secara teoritis batas bawah hanya ditentukan oleh konduktivitas yang diinginkan. Namun, karena dewetting 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 dibatasi oleh absorbansi dan hamburan karena resonansi plasmon permukaan yang terjadi pada kluster logam [2, 13, 14]. Selain itu, pembentukan pulau menyebabkan peningkatan resistivitas [15, 16]. Transisi ke film tertutup penuh dan kontinu dapat diamati dengan meningkatnya ketebalan logam di atas ambang perkolasi dpt . Hal ini disertai dengan penurunan resistivitas, serta peningkatan tinggi puncak transmisi, meskipun transmisi menurun lagi untuk lapisan yang pasti lebih tebal dari ketebalan perkolasi d> dpt [2, 12, 17]. Nilai dpt terkait dengan energi bebas permukaan dari logam yang diendapkan, substrat dan antarmuka di antara mereka [18]. Berbagai strategi telah diusulkan dan ditinjau secara rinci untuk mengurangi dpt dan untuk mencapai lapisan Ag datar dengan cakupan penuh dengan meningkatkan daya rekat ke substrat atau mengurangi energi bebas permukaan logam atau antarmuka. Mereka termasuk paduan logam yang berbeda [19, 20] atau penambahan gas selama pengendapan lapisan Ag [10, 12]. Selanjutnya, sejumlah lapisan pembasahan yang berbeda telah dipelajari untuk meningkatkan kualitas lapisan Ag tipis, termasuk Ge, AgOX dan Cu [2, 17]. Ge ditemukan memberikan keterbasahan terbaik, tetapi kerugian optik karena penyerapan Ge yang kuat menjadikannya pilihan yang buruk untuk aplikasi optik [17]. Secara khusus, AgOX telah menunjukkan hasil yang menjanjikan. Zhao dkk. menemukan ketebalan perkolasi 6 nm dan 8 nm untuk lapisan Ag dengan dan tanpa AgOX lapisan pembasahan di elektroda OMO [17], dan hasil yang sebanding dicapai oleh H. Jo et al. dan W. Wang dkk. dengan AgO penuhX film [10, 12]. AgOX memiliki keuntungan bahwa pengendapan mudah diimplementasikan dalam proses OMO dengan menambahkan oksigen sebagai gas reaktif. Selanjutnya, AgOX lapisan pembasahan (WL) lebih disukai daripada AgO penuhX lapisan, sebagai indeks bias AgO yang lebih tinggiX dibandingkan dengan Ag murni akan mengurangi kekuatan rongga optik karena perbedaan indeks bias yang lebih kecil dengan AZO [11, 12]. Sedangkan elektroda OMO telah digunakan untuk Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) sel surya sebelumnya [5, 21], efek WL pada sel surya OMO/CIGS belum dipelajari. Dalam publikasi ini, kami menunjukkan dampak AgOX lapisan pembasah pada OMO yang digunakan sebagai elektroda depan transparan sel surya CIGS. Kami menunjukkan bahwa arus foto bersama dengan efisiensi sel CIGS dapat ditingkatkan secara signifikan dengan menggunakan elektroda OMO dengan AgOX lapisan pembasahan, dibandingkan dengan tumpukan lapisan OMO konvensional (Gbr. 1).
Tumpukan lapisan skema elektroda OWLMO pada sel surya CIGS. Konduktivitas dan transparansi lapisan Ag perantara dapat ditingkatkan dengan lapisan pembasahan
Bahan dan Metode
Elektroda referensi oksida/logam/oksida (OMO) disiapkan melalui sputtering magnetron DC pada suhu kamar seperti yang dijelaskan sebelumnya [5]. Lapisan AZO bawah dan atas elektroda OMO memiliki ketebalan 20 nm dan 63 nm dan diendapkan dengan aliran oksigen masing-masing 0 sccm dan 5 sccm. Elektroda oksida/lapisan pembasahan/logam/oksida (OWLMO), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, dicapai dengan pengendapan AgOX tambahan membasahi lapisan setelah oksida pertama dengan sputtering Ag dengan 45 sccm Argon dan 10 sccm oksigen pada 0,8 Pa dan 200 W pada suhu kamar selama satu detik. Kami mengasumsikan tingkat deposisi AgOX menjadi sama atau sedikit kurang dibandingkan dengan Ag murni, seperti yang dikenal untuk sputtering reaktif. Oleh karena itu, berikut ini, ketebalan lapisan pembasahan diperkirakan 1 nm dan lapisan pembasahan diikuti oleh mis. Ag murni 6 nm akan dideskripsikan dengan ketebalan total 7 nm. Laju pengendapan dari proses sputter Ag dan AZO ditentukan dengan profilometer Veeco Dektak 150. Ketebalan lapisan sampel seperti yang dijelaskan dalam penelitian ini didasarkan pada laju pengendapan 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 yang canggih oleh AVANCIS, yang menghasilkan efisiensi aperture hingga 19% pada modul kecil [22]. Untuk memungkinkan penerapan kontak depan alternatif, sel-sel ini dimodifikasi untuk menyediakan sel uji yang cocok untuk penelitian ini. Secara khusus, alih-alih menghilangkan sepenuhnya kontak depan standar, AZO, ketebalannya dikurangi menjadi sekitar 200 nm untuk menjaga antarmuka yang dioptimalkan dari sel-sel canggih. Selain itu, ini memiliki manfaat peningkatan stabilitas dan perlindungan sel selama transportasi dan meningkatkan reproduktifitas percobaan kami. Sampel CIGS memiliki ukuran keseluruhan 2,5 × 2,5 cm
2
, dari mana sembilan 0,25 cm
2
sel-sel dibuat dengan penggoresan mekanis. Spektrum pantulan sampel OMO/CIGS direkam dengan spektrofotometer UV-VIS Cary 5000 dengan bola terintegrasi. Resistansi lembaran sampel OMO/CIGS diukur dengan sistem probe empat titik Jandel RM3-AR. Karena sifat rapuh CIGS, kontak yang tidak optimal (misalnya menusuk ke kontak belakang) dapat menyebabkan outlier dalam nilai resistansi lembaran. Oleh karena itu, nilai resistansi lembaran median dan bukan rata-rata digunakan untuk evaluasi. 15-20 pengukuran dilakukan untuk menentukan resistansi lembaran median dari setiap sampel. Untuk mengevaluasi kinerja sel, pengukuran arus-tegangan dilakukan dengan simulator surya lampu ganda WACOM sesuai dengan kondisi pengujian standar (spektrum AM1.5G, 1000 W/m
2
, 25 °C). Sistem memiliki kesalahan relatif efisiensi 1,13% termasuk kesalahan sel referensi, kesalahan perangkat pengukuran dan fluktuasi daya iradiasi. Efisiensi kuantum eksternal (EQE) direkam dengan sistem pengukuran RR-2100 dari LOT Oriel.
Hasil dan Diskusi
Kinerja listrik sampel dengan (OWLMO) dan tanpa (OMO) lapisan pembasahan dievaluasi oleh karakteristik resistif mereka. Pada Gambar. 2, resistansi lembaran sampel ditampilkan. Sebelum deposisi elektroda OMO, resistansi lembaran 56 ± 3 Ω/sq diukur untuk kontak depan parsial sel surya CIGS. Seperti yang diharapkan, resistensi lembaran menurun dengan meningkatnya ketebalan Ag untuk OMO serta sampel OWLMO, meskipun sampel OWLMO jelas menunjukkan ketahanan lembaran keseluruhan yang lebih rendah. Namun, perbandingan dengan material dengan resistivitas konstan (garis putus-putus) menunjukkan bahwa hanya resistivitas elektroda OWLMO yang mengikuti tren yang diharapkan. Resistansi lembaran elektroda OMO meningkat jauh lebih kuat untuk lapisan Ag yang lebih tipis daripada yang diharapkan untuk resistivitas konstan. Hal ini menunjukkan bahwa untuk sampel OMO, lapisan Ag dengan ketebalan di bawah 8 nm tidak sepenuhnya tertutup karena pertumbuhan pulau tipe Volmer–Weber, sedangkan AgOX lapisan pembasahan dalam sampel OWLMO mampu menekan perilaku dewetting ini. Resistansi lembaran untuk sampel OWLMO tidak hanya lebih rendah daripada sampel OMO, tetapi resistivitas yang hampir konstan sekitar 8,2 µΩcm dicapai untuk semua ketebalan. Hal ini menunjukkan bahwa karena lapisan pembasahan, tingkat cakupan yang tinggi dari film Ag dapat dicapai bahkan untuk ketebalan serendah 6 nm (WL + Ag). Selanjutnya, resistansi lembaran sebesar 13,9 (10,3) /sq dengan 6 (8) nm WL + Ag yang dicapai di sini sesuai dengan yang dilaporkan oleh G. Zhao et al. dengan 12,5 /sq pada substrat PET [17]. Pada sel CIGS, substrat yang digunakan dalam publikasi ini, Kang et al. menerbitkan resistansi lembaran 104 /sq untuk sel berkinerja terbaik mereka dengan elektroda OMO yang menggunakan lapisan logam Cu-Mo [21]. Bahkan perbaikan lebih lanjut dari elektroda OMO yang menggunakan Ag dimungkinkan, karena Ag massal memiliki resistivitas hanya 1,6 cm [8],
Perbandingan resistansi lembaran yang diukur dari elektroda OMO sel surya CIGS dengan ketebalan logam antara yang berbeda. Sampel tanpa lapisan pembasahan (hitam) dan dengan (merah) ditampilkan. Garis putus-putus mewakili resistansi lembaran OMO dengan resistivitas konstan, seperti yang diharapkan tanpa perubahan morfologi lapisan Ag
Pada Gambar. 3, karakteristik JV sel dengan dan tanpa lapisan OWLMO ditampilkan. Sampel termasuk lapisan pembasahan menunjukkan peningkatan kerapatan arus hingga 5 mA/cm
2
dibandingkan dengan elektroda referensi OMO. Selanjutnya, sampel dengan elektroda OWLMO menunjukkan penurunan rapat arus dengan meningkatnya ketebalan Ag, sedangkan rapat arus sampel dengan elektroda OMO tidak berubah pada kisaran 6–8 nm Ag. Pada Gambar. 4, tren ini juga terlihat jelas pada plot rapat arus hubung singkat JSC lebih tebal, meskipun tidak ada dampak yang jelas pada tegangan rangkaian terbuka atau faktor pengisian yang terlihat. Penurunan rapat arus dengan meningkatnya ketebalan logam (Ag) diharapkan karena peningkatan reflektansi dari lapisan logam yang lebih tebal. Namun, karena ukuran sampel yang kecil yaitu 0,25 cm
2
, tidak ada dampak signifikan dari resistensi lembaran pada JSC hadir. Pada Gambar. 5, EQE setiap sampel ditampilkan bersama dengan reflektansi masing-masing. Pengukuran EQE mengkonfirmasi hasil dari karakterisasi arus-tegangan. Lapisan OWLMO dan lapisan OMO dapat dibedakan dengan jelas satu sama lain. Lapisan pembasahan meningkatkan efisiensi kuantum hingga 17% dalam interval panjang gelombang 400–1200 nm. Sedikit penurunan sekitar 2% dalam refleksi dapat diamati pada 710 nm. Namun, itu tidak cukup untuk menjelaskan peningkatan EQE. Selanjutnya, refleksi dan peningkatan EQE untuk panjang gelombang di atas 800 nm dengan pengenalan lapisan pembasahan. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa transmitansi elektroda OWLMO meningkat karena berkurangnya penyerapan pada lapisan Ag. Densitas arus hubung singkat yang dihitung dari EQE terintegrasi juga sesuai dengan hasil pengukuran JV (Tabel 1).
Karakteristik densitas-tegangan arus sel CIGS menggunakan elektroda dengan (garis penuh) dan tanpa (garis putus-putus) lapisan pembasahan untuk tiga tingkat ketebalan lapisan Ag dibandingkan. Sel berkinerja terbaik dari kumpulan sembilan sel yang terstruktur pada setiap sampel ditampilkan
Perbandingan efisiensi parameter kinerja sel (a ), rapat arus hubung singkat (b ), tegangan rangkaian terbuka (c ) dan faktor pengisian (d ). Simbol terbuka menunjukkan rata-rata dari satu set sembilan sel dan nilai silang sel berkinerja terbaik
Efisiensi kuantum eksternal (EQE) dan reflektansi dikurangi dari 100% (100%-R) sel CIGS menggunakan elektroda OMO dengan (garis penuh) dan tanpa (garis putus-putus) lapisan pembasahan untuk tiga tingkat ketebalan lapisan Ag ditampilkan . Sel berkinerja terbaik dari kumpulan sembilan sel yang terstruktur pada setiap sampel ditampilkan
Seperti disebutkan sebelumnya, Gbr. 4 menunjukkan bahwa JSC sampel OMO tanpa lapisan pembasahan tidak dipengaruhi oleh ketebalan lapisan Ag. Dalam hasil EQE pada Gambar 5, kita dapat melihat bahwa ini disebabkan oleh penurunan EQE dalam rentang panjang gelombang panjang yang dikompensasi oleh peningkatan panjang gelombang yang lebih pendek dalam rentang yang terlihat. Ini dapat dikaitkan dengan peningkatan kualitas lapisan Ag secara efektif dengan meningkatnya ketebalan karena peningkatan cakupan dan reflektifitas film Ag. Ini meningkatkan kemahiran rongga optik yang diatur oleh tumpukan OMO, yang disetel untuk meningkatkan transmitansi dalam rentang yang terlihat [5]. Menurut argumen yang sama, reflektifitas sampel OMO untuk panjang gelombang di atas 800 nm meningkat dengan ketebalan Ag, menghasilkan penurunan EQE dalam rentang spektral tersebut.
Untuk sampel OWLMO, efek refleksi yang lebih tinggi dengan meningkatnya ketebalan Ag pada panjang gelombang yang lebih tinggi bahkan lebih jelas. Membandingkan OWLMO dengan sampel OMO, keduanya, peningkatan reflektifitas untuk> 800 nm dan pengurangan penyerapan untuk 400–1200 nm menunjukkan bahwa morfologi lapisan Ag yang lebih baik dicapai karena lapisan pembasahan.
Pada Gambar. 6, kerugian rekombinasi non-radiatif dan penyerapan parasit ditunjukkan. Terlihat jelas bahwa penggunaan lapisan pembasahan mengurangi penyerapan parasit dari kontak depan. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, kami menghubungkan ini dengan peningkatan homogenitas dan cakupan serta penurunan ketebalan perkolasi dan kekasaran lapisan Ag. Perubahan pada lapisan Ag ini menghasilkan penyerapan yang lebih rendah, seperti yang diamati sebelumnya menggunakan substrat lain [12, 17].
100-EQE-R, yaitu hilangnya penyerapan parasit dan rekombinasi sel CIGS menggunakan elektroda OMO dengan lapisan pembasahan (garis penuh) dan tanpa (garis putus-putus). Setelah pengurangan EQE dan refleksi dari 100%, hanya penyerapan yang tidak berkontribusi pada generasi saat ini yang tersisa
Meskipun ada peningkatan dalam kontak depan OMO, efisiensi sekitar 13% yang dicapai dalam penelitian ini di bawah modul CIGS mutakhir dari Avancis dengan 19% [22]. Namun, karena elektroda OMO dapat digunakan terutama untuk mempengaruhi pembangkitan arus, perbandingan rapat arus hubung singkat lebih berguna. Dengan 34 mA/cm
2
dicapai dalam penelitian ini dibandingkan dengan 36,3 mA/cm
2
dalam literatur, teknologi OMO menunjukkan daya saingnya bahkan sebelum optimalisasi seluruh tumpukan sel [22].
Kesimpulan
AgOX lapisan pembasahan telah diselidiki dalam kontak depan oksida / logam / oksida pada sel surya CIGS, mengenai peningkatan kepadatan hubung singkat dan efisiensi keseluruhan. Penurunan resistansi lembaran dari 22,71 menjadi 13,89 /sq serta peningkatan rapat arus hubung singkat dari 28,8 menjadi 33,9 mA/cm
2
untuk ketebalan Ag 6 nm tercapai. Hasilnya menunjukkan bahwa penurunan yang signifikan dari ketebalan perkolasi film Ag karena lapisan pembasahan berhasil, menghasilkan penyerapan parasit yang lebih rendah oleh elektroda. Peningkatan kualitas film Ag yang diamati di sini karena penambahan lapisan pembasahan, yaitu transmisi dan konduktivitas yang lebih tinggi, sesuai dengan temuan sebelumnya dalam literatur. Berdasarkan hasil tersebut, dapat disimpulkan bahwa lapisan pembasahan berhasil diimplementasikan untuk elektroda OMO yang diaplikasikan pada sel surya film tipis CIGS. Hasilnya menunjukkan bahwa lapisan pembasahan adalah tambahan yang berharga untuk meningkatkan kontak OMO untuk aplikasi sel surya.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
