산화물/금속/산화물(OMO) 레이어 스택은 박막 태양 전지의 전면 접촉으로 투명 전도성 산화물을 대체하는 데 사용됩니다. 이러한 다층 구조는 접점의 전체 두께를 줄일 뿐만 아니라 간섭 효과를 사용하여 셀을 착색하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나, 금속층에 크게 의존하는 면저항과 기생흡수는 태양전지에서 더 높은 효율을 달성하기 위해 더욱 감소되어야 한다. 이 간행물에서 AgOX Cu(In,Ga)Se2의 성능을 향상시키기 위해 OMO 전극에 습윤층이 적용되었습니다. (CIGS) 박막 태양 전지. AgOX 습윤층은 다층 전극의 투과율과 전도도를 높이는 효과적인 수단입니다. 제시된 접근 방식을 통해 단락 전류 밀도를 28.8에서 33.9mA/cm 2 로 18% 개선할 수 있었습니다. 금속(Ag) 막 두께가 6nm에 불과합니다. 우리의 결과는 OMO 전극이 박막 태양 전지에서 알루미늄 도핑된 산화아연과 같은 기존의 투명 전도성 산화물을 효과적으로 대체할 수 있음을 강조합니다.
산화물/금속/산화물(OMO) 전극은 일반적으로 발광 다이오드를 비롯한 다양한 장치에서 전극으로 사용되는 인듐 주석 산화물 또는 알루미늄 도핑된 산화 아연(AZO)과 같은 투명 전도성 산화물(TCO)을 대체할 수 있습니다. , 디스플레이, 터치 스크린 및 태양광 모듈. 감소된 두께로 인해 발생하는 OMO 전극의 주요 측면은 짧은 증착 시간과 더 나은 기계적 유연성입니다. 따라서 생산 비용이 저렴하고 TCO에 대한 강력한 대안이 되는 동시에 동등하거나 우수한 광학 및 전기적 특성을 제공합니다[1, 2]. 비정질 실리콘 박막 태양 전지의 예를 사용하여 기존의 AZO 전극보다 태양 전지의 OMO 전극을 사용하여 비교하거나 더 나은 결과를 얻을 수 있다는 사실이 이미 입증되었습니다[3]. 또한, 낮은 증착 온도로 인해 OMO 전극은 유기 광전지 또는 폴리머 기판과 같은 온도에 민감한 장치에 적합합니다[1, 2].
가장 흥미롭게도, OMO 전극은 레이어 인터페이스에서 다중 반사로 인한 간섭으로 인해 광 공동 역할을 합니다. 이를 통해 반사율이 높은 금속층을 사용함에도 불구하고 전극이 매우 높은 투과율의 넓은 피크를 갖도록 설계할 수 있습니다[1, 3]. 낮은 굴절률과 높은 반사율을 가진 금속을 사용함으로써 광학 공동의 강도 또는 기교가 증가하고 공진 영역에서의 투과도 증가합니다[4]. 투과 및 반사 피크의 스펙트럼 위치는 산화물 층의 광학적 두께에 의해 결정되는 반면, 전기 전도도는 주로 금속 필름에 의해 영향을 받습니다. 따라서 캐비티의 광학적 특성을 전기적 특성과 별도로 조정할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 광기전 흡수기 또는 전지 기술의 전기적 및 광학적 요구 사항에 따라 전극을 설계할 수 있을 뿐만 아니라 다기능 방식으로 사용할 수 있습니다. OMO 전극의 특별한 광학적 특성은 PV 모듈의 착색에 사용될 수 있음이 밝혀졌습니다[5,6,7]. 우리는 이전에 건물 통합을 위해 특별히 설계된 모듈에 매력적인 옵션인 CIGS 박막 태양 전지에 통합된 착색이 있는 OMO 전극을 적용했습니다[5]. OMO 전극 개발의 한 가지 큰 과제는 두 개의 산화물 층 사이에 끼워진 초박형 금속 층(<15nm)의 증착입니다. 여기에서 일반적으로 은(Ag)은 모든 금속의 저항이 가장 낮기 때문에 사용됩니다[8]. 이상적으로, Ag 필름은 흡수 손실을 최소화하면서 최고의 투과율을 위해 가능한 한 얇아야 합니다. 따라서 이론적으로 하한은 원하는 전도도에 의해서만 설정됩니다. 그러나 Ag의 상당한 탈수로 인해 두께가 투과 임계값(d pt ) 약 10nm[2, 9,10,11,12]입니다. 이러한 얇은 두께에서의 투과율은 금속 클러스터에서 발생하는 표면 플라즈몬 공명으로 인한 흡광도 및 산란에 의해 심각하게 제한됩니다[2, 13, 14]. 더욱이, 섬의 형성은 저항을 증가시킨다[15, 16]. 금속 두께가 침투 임계값 d 이상으로 증가하면 완전히 닫힌 연속 필름으로의 전환이 관찰될 수 있습니다. pt . 이것은 투과율의 감소와 투과 피크 높이의 증가를 동반하지만 투과 두께 d보다 확실히 두꺼운 층의 경우 투과율이 다시 감소합니다.> d pt [2, 12, 17]. d의 값 pt 이는 증착된 금속, 기판 및 이들 사이의 계면의 표면 자유 에너지와 관련이 있습니다[18]. d를 줄이기 위해 다양한 전략이 제안되고 자세히 검토되었습니다. pt 및 기판에 대한 접착력을 증가시키거나 금속 또는 계면의 표면 자유 에너지를 감소시켜 완전한 커버리지를 갖는 평평한 Ag 층을 달성하기 위해. 여기에는 서로 다른 금속의 합금[19, 20] 또는 Ag 층 증착 중 가스의 추가[10, 12]가 포함됩니다. 또한 Ge, AgOX를 포함하여 얇은 Ag 층의 품질을 개선하기 위해 다양한 습윤층이 연구되었습니다. 및 Cu [2, 17]. Ge는 최고의 습윤성을 제공하는 것으로 밝혀졌지만 Ge의 강한 흡수로 인한 광학 손실로 인해 광학 응용 분야에 적합하지 않습니다[17]. 특히 AgOX 유망한 결과를 보여주었다. Zhao et al. AgOX가 있거나 없는 Ag 레이어에 대해 6nm 및 8nm의 침투 두께를 찾았습니다. OMO 전극의 습윤층[17]과 비교 가능한 결과는 H. Jo et al. 및 W. Wang et al. 전체 AgOX 포함 영화 [10, 12]. AgOX 산소를 반응성 가스로 첨가하여 OMO 공정에서 증착이 용이한 장점이 있다. 또한 AgOX 습윤층(WL)은 전체 AgOX보다 바람직합니다. AgOX의 더 높은 굴절률로 층 순수한 Ag에 비해 AZO와의 굴절률 차이가 작기 때문에 광학 공동의 강도가 감소합니다[11, 12]. OMO 전극은 Cu(In,Ga)Se2에 사용되었지만 (CIGS) 태양 전지 [5, 21] 이전에 OMO/CIGS 태양 전지에 대한 WL의 효과는 아직 연구되지 않았습니다. 이 간행물에서 AgOX의 영향을 보여줍니다. CIGS 태양 전지의 투명 전면 전극으로 사용되는 OMO의 습윤 층. 우리는 CIGS 셀의 효율과 함께 광전류가 AgOX와 함께 OMO 전극을 사용하여 크게 증가할 수 있음을 보여줍니다. 기존 OMO 레이어 스택과 비교한 습윤 레이어(그림 1).
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CIGS 태양 전지에 OWLMO 전극의 개략적인 층 스택. 습윤층으로 중간 Ag층의 전도성 및 투명도 향상 가능
참조 산화물/금속/산화물(OMO) 전극은 앞서 설명한 대로 상온에서 DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 준비되었습니다[5]. OMO 전극의 하단 및 상단 AZO 층은 두께가 20 nm 및 63 nm이고 각각 0 sccm 및 5 sccm의 산소 흐름으로 증착되었습니다. 그림 1과 같이 산화물/습윤층/금속/산화물(OWLMO) 전극은 추가 AgOX 증착에 의해 달성되었습니다. 1초 동안 실온에서 0.8Pa 및 200W에서 45sccm 아르곤 및 10sccm 산소로 Ag를 스퍼터링하여 첫 번째 산화물 후 습윤층. AgOX의 증착 속도를 가정했습니다. 반응성 스퍼터링으로 알려진 순수 Ag와 같거나 약간 작습니다. 따라서 다음에서 습윤층 두께는 1nm로 추정되고 습윤층 다음에 예를 들어 6nm 순수 Ag는 7nm의 총 두께로 설명됩니다. Ag 및 AZO 스퍼터 공정의 증착 속도는 Veeco Dektak 150 프로파일로미터로 측정되었습니다. 이 연구에서 설명하는 샘플 층의 두께는 이러한 증착 속도를 기반으로 하며, Ag의 경우 1.03 ± 0.08nm/s, 0 sccm 산소 흐름 및 1.38 ± 0.01nm/AZO의 경우 1.41 ± 0.02nm/s입니다. 5 sccm 산소 흐름이 있는 AZO의 경우. 사용된 CIGS 셀은 AVANCIS의 최신 Cd-free CIGS 공정을 기반으로 하므로 소형 모듈에서 최대 19%의 개구 효율을 달성합니다[22]. 대체 전면 접촉의 적용을 가능하게 하기 위해 이 셀은 이 연구에 적합한 테스트 셀을 제공하도록 수정되었습니다. 특히 표준 전면 접촉 AZO를 완전히 제거하는 대신 두께를 약 200nm로 줄여 최첨단 셀의 최적화된 인터페이스를 유지했습니다. 또한, 이것은 운송 중 세포의 안정성과 보호를 증가시키고 실험의 재현성을 증가시키는 이점이 있습니다. CIGS 샘플의 전체 크기는 2.5 × 2.5cm 2 입니다. , 그 중 9개 0.25cm 2 세포는 기계적 스크라이빙에 의해 생성되었습니다. OMO/CIGS 샘플의 반사 스펙트럼은 적분구가 있는 UV-VIS Cary 5000 분광 광도계로 기록되었습니다. OMO/CIGS 샘플의 시트 저항은 Jandel RM3-AR 4점 프로브 시스템으로 측정되었습니다. CIGS의 취성 특성으로 인해 최적화되지 않은 접촉(예:후면 접촉에 구멍 뚫기)은 시트 저항 값에 이상값을 초래할 수 있습니다. 따라서 평균 시트 저항 값 대신 중앙값을 평가에 사용했습니다. 각 샘플의 중간 시트 저항을 결정하기 위해 15-20번의 측정이 수행되었습니다. 전지 성능을 평가하기 위해 표준 테스트 조건(AM1.5G 스펙트럼, 1000W/m 2 )에 따라 WACOM 듀얼 램프 태양열 시뮬레이터로 전류-전압 측정을 수행했습니다. , 25°C). 시스템은 기준 셀 오차, 측정 장치 오차 및 조사의 전력 변동을 포함하여 1.13%의 효율의 상대 오차를 가지고 있습니다. 외부 양자 효율(EQE)은 LOT Oriel의 RR-2100 측정 시스템으로 기록되었습니다.
습윤층이 있는(OWLMO) 및 없는(OMO) 샘플의 전기적 성능은 저항 특성으로 평가되었습니다. 그림 2에는 샘플의 면저항이 나와 있습니다. OMO 전극을 증착하기 전에 CIGS 태양 전지의 부분 전면 접촉에 대해 56 ± 3Ω/sq의 시트 저항을 측정했습니다. 예상대로 시트 저항은 OWLMO 샘플뿐만 아니라 OMO 샘플의 경우 Ag 두께가 증가함에 따라 감소하지만 OWLMO 샘플은 분명히 더 낮은 전체 시트 저항을 나타냅니다. 그러나 저항률이 일정한 재료(점선)와 비교하면 OWLMO 전극의 저항률만 예상 추세를 따르는 것으로 나타났습니다. OMO 전극의 시트 저항은 일정한 저항에 대해 예상되는 것보다 얇은 Ag 층에서 훨씬 더 강하게 상승합니다. 이는 OMO 샘플의 경우 Volmer-Weber 유형의 섬 성장으로 인해 두께가 8nm 미만인 Ag 층이 완전히 닫히지 않았음을 나타냅니다. 반면 AgOX OWLMO 샘플의 습윤층은 이러한 습윤 거동을 억제할 수 있습니다. OWLMO 샘플의 시트 저항은 OMO 샘플보다 낮을 뿐만 아니라 모든 두께에서 약 8.2μΩcm의 거의 일정한 저항을 달성합니다. 이는 습윤층으로 인해 6nm(WL + Ag)만큼 낮은 두께에서도 Ag 필름의 높은 적용 범위에 도달할 수 있음을 나타냅니다. 또한 여기에서 달성된 6(8) nm WL + Ag를 사용한 13.9(10.3) Ω/sq의 시트 저항은 G. Zhao et al.에 의해 보고된 것과 잘 일치합니다. PET 기판에서 12.5Ω/sq로 [17]. CIGS 세포에서 이 간행물에 사용된 기질은 Kang et al. Cu-Mo 금속층을 사용하는 OMO 전극을 사용하여 가장 성능이 좋은 전지에 대해 104 Ω/sq의 시트 저항을 발표했습니다[21]. 벌크 Ag의 저항이 1.6μΩcm에 불과하기 때문에 Ag를 사용하는 OMO 전극의 추가 개선이 가능할 수 있습니다[8],
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중간 금속의 두께가 다른 CIGS 태양전지의 OMO 전극에서 측정한 면저항 비교. 습윤층이 없는(검은색) 및 포함된(빨간색) 샘플이 표시됩니다. 점선은 Ag 층의 형태 변화 없이 예상되는 일정한 저항을 갖는 OMO의 시트 저항을 나타냅니다.
그림 3에는 OWLMO 레이어가 있는 셀과 없는 셀의 JV 특성이 나와 있습니다. 습윤층을 포함한 샘플은 최대 5mA/cm 2 의 증가된 전류 밀도를 보여줍니다. 기준 OMO 전극과 비교합니다. 또한 OWLMO 전극이 있는 샘플은 Ag 두께가 증가함에 따라 전류 밀도가 감소하는 반면, OMO 전극이 있는 샘플의 전류 밀도는 6~8nm Ag 범위에서 변하지 않습니다. 그림 4에서 이러한 경향은 단락 전류 밀도 JSC의 플롯에서도 명확하게 볼 수 있습니다. 그러나 개방 회로 전압이나 충전율에 대한 명확한 영향은 분명하지 않습니다. 두꺼운 금속층의 반사율 증가로 인해 금속(Ag) 두께가 증가함에 따라 전류 밀도가 감소할 것으로 예상됩니다. 그러나 0.25cm 2 의 작은 표본 크기로 인해 , JSC에 대한 시트 저항의 중요한 영향 없음 존재합니다. 그림 5에서 각 샘플의 EQ는 해당 반사율과 함께 표시됩니다. EQE 측정은 전류-전압 특성화의 결과를 확인합니다. OWLMO 레이어와 OMO 레이어는 명확하게 구분할 수 있습니다. 습윤층은 400~1200nm의 파장 간격에서 양자 효율을 최대 17%까지 향상시킵니다. 710nm에서 반사가 약 2% 감소하는 것을 관찰할 수 있습니다. 그러나 EQE의 증가를 설명하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 또한 습윤층의 도입으로 800nm 이상의 파장에서 반사 및 EQE가 증가합니다. 따라서 Ag 층의 흡수 감소로 인해 OWLMO 전극의 투과율이 향상되었다고 결론지을 수 있다. 통합 EQE에서 계산된 단락 전류 밀도도 JV 측정 결과와 잘 일치합니다(표 1).
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Ag 층의 세 가지 두께 수준에 대해 습윤층이 있는 전극(실선)과 없는 전극(점선)을 사용하는 CIGS 전지의 전류 밀도-전압 특성을 비교합니다. 각 샘플에 구조화된 9개의 셀 세트에서 가장 성능이 좋은 셀이 표시됩니다.
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셀 성능 매개변수 효율성 비교(a ), 단락 전류 밀도(b ), 개방 회로 전압(c ) 및 채우기 비율(d ). 열린 기호는 9개 셀 세트의 평균과 최고 성능 셀의 교차 값을 나타냅니다.
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외부 양자 효율(EQE) 및 100%(100%-R)에서 뺀 반사율은 Ag 층의 세 가지 두께 수준에 대해 습윤 층이 있는(실선) 및 없는(파선) OMO 전극을 사용하는 CIGS 셀의 100%(100%-R)에서 뺀 값입니다. . 각 샘플에 구조화된 9개의 셀 세트에서 가장 성능이 좋은 셀이 표시됩니다.
앞서 언급했듯이 그림 4는 JSC 습윤층이 없는 OMO 샘플의 비율은 Ag 층 두께의 영향을 받지 않습니다. 그림 5의 EQE 결과에서 이는 장파장 범위의 EQE 감소가 가시 범위의 더 짧은 파장의 증가로 보상되기 때문임을 알 수 있습니다. 이것은 Ag 필름의 증가된 커버리지 및 반사율로 인해 두께가 증가함에 따라 Ag 층의 품질이 효과적으로 개선되었기 때문일 수 있습니다. 이것은 가시 범위에서 투과율을 증가시키도록 조정된 OMO 스택에 의해 설정된 광학 공동의 기교를 향상시킵니다[5]. 동일한 주장에 따르면 800nm 이상의 파장에 대한 OMO 샘플의 반사율은 Ag 두께에 따라 증가하여 해당 스펙트럼 범위에서 EQE가 감소합니다.
OWLMO 샘플의 경우 더 높은 파장에서 Ag 두께가 증가함에 따라 더 높은 반사 효과가 훨씬 더 두드러집니다. OWLMO와 OMO 샘플을 비교하면> 800nm에 대한 반사율의 증가와 400–1200nm에 대한 흡수율의 감소는 모두 습윤층으로 인해 Ag 층의 더 유리한 형태가 달성되었음을 나타냅니다.
그림 6에는 비방사성 재결합 손실과 기생 흡수가 나와 있습니다. 습윤층을 사용하면 전면 접점의 기생 흡수가 감소한다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 이전에 논의한 바와 같이, 우리는 이것을 Ag 층의 감소된 침투 두께 및 거칠기 뿐만 아니라 개선된 균질성 및 적용 범위에 기인합니다. Ag 층에 대한 이러한 변화는 이전에 다른 기판을 사용하여 관찰된 바와 같이 더 낮은 흡수를 초래합니다[12, 17].
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100-EQE-R, 즉 습윤층이 있는(실선) 및 없는(점선) OMO 전극을 사용하는 CIGS 셀의 기생 흡수 및 재조합 손실. 100%에서 EQE와 반사를 모두 빼면 현재 생성에 기여하지 않는 흡수만 남습니다.
OMO 전면 접촉의 개선에도 불구하고 본 연구에서 달성한 약 13%의 효율은 19%로 Avancis의 최신 CIGS 모듈보다 낮습니다[22]. 그러나 OMO 전극은 주로 전류 생성에 영향을 미치는 데 사용할 수 있으므로 단락 전류 밀도의 비교가 더 유용합니다. 34mA/cm 2 사용 36.3mA/cm 2 와 비교하여 이 연구에서 달성한 문헌에서 OMO 기술은 전체 셀 스택을 최적화하기 전에도 경쟁력을 보여줍니다[22].
AgOX 습윤층은 단락 밀도 및 전체 효율의 개선과 관련하여 CIGS 태양 전지의 산화물/금속/산화물 전면 접점에서 조사되었습니다. 면저항이 22.71에서 13.89Ω/sq로 감소하고 단락 전류 밀도가 28.8에서 33.9mA/cm로 증가 2 6nm의 Ag 두께가 달성되었습니다. 결과는 습윤층으로 인한 Ag 막의 침투 두께의 현저한 감소가 성공적이어서 전극에 의한 더 낮은 기생 흡수를 초래함을 나타냅니다. 습윤층의 추가로 인해 여기에서 관찰된 Ag 필름 품질의 증가, 즉 더 높은 투과율 및 전도성은 문헌의 이전 발견과 잘 일치합니다. 이러한 결과를 바탕으로 CIGS 박막 태양전지에 적용된 OMO 전극에 습윤층이 성공적으로 구현되었음을 결론지을 수 있다. 결과는 습윤층이 태양 전지 애플리케이션을 위한 OMO 접촉을 개선하는 데 중요한 추가 요소임을 보여줍니다.
현재 연구 중에 사용 및/또는 분석된 데이터 세트는 합당한 요청이 있는 경우 교신 저자에게 제공됩니다.
산화물/금속/산화물
Cu(In,Ga)Se2
알루미늄 도핑된 산화아연
투명 전도성 산화물
침투 임계값
습윤층
산화물/습윤층/금속/산화물
외부 양자 효율
나노물질
초록 2차원(2D) 페로브스카이트 필름의 결정화를 조정하는 것은 2D 페로브스카이트 태양 전지(PVSC)의 전력 변환 효율(PCE)을 개선하기 위한 중요한 전략입니다. 이 논문에서 탈이온수(H2 O) 페로브스카이트 전구체 용액에 첨가제를 도입하여 고품질 2D 페로브스카이트 필름을 제조합니다. 3% H2로 처리된 2D 페로브스카이트 필름 O는 좋은 표면 형태, 증가된 결정 크기, 향상된 결정도, 우선 배향 및 낮은 결함 밀도를 나타냅니다. 3% H2로 제작된 2D PVSC O는 H2가 없는 경우에 비해 더 높은 PCE를 나타냅니다.
초록 삼항 및 합성 MoIn2 S4 고슴도치 볼 구조의 @CNTs 상대 전극(CE)은 손쉬운 1단계 열수 방법을 사용하여 합성되었습니다. 합성 MoIn2 S4 @CNTs 필름은 N2를 통해 큰 비표면적을 보유합니다. 더 많은 전해질을 흡착하고 전극에 더 큰 활성 접촉 영역을 제공하는 데 유리한 흡착-탈착 등온선 테스트. 또한 합성 MoIn2 S4 @CNTs CE는 순환 전압전류법, 전기화학 임피던스 및 Tafel 곡선을 포함한 일련의 전기화학 테스트에서 만들어진 낮은 전하 이동 저항과 미세한 전기촉매 능력을 나타냅니다. 최적의 조
