文摘

我们报告的沉积superstrate-structured太阳能电池的制造Cu-In-S (CIS)的电影 在空气喷雾热解法。电池的开路电压0.551 V,光电流密度9.5 mA /厘米2、填充因数为0.45和2.14%的转换效率。然而,透射电子显微镜、能量色散x射线(TEM-EDX)分析显示显著差异之间的原子比设置材料喷射沉积和层中的元素的解决方案。此外,TEM-EDX测量建议强烈spray-pyrolysis-deposited Cu-In-S元素的隔离层。种族隔离的程度依赖于衬底( , ,或 ),尽管铜3在5年代9纳米粒子在硫层隔离。

1。介绍

化合物太阳能电池与高转换效率(20.3%)已经被真空制造方法(1),缓慢而需要昂贵的设备。Nonvacuum过程对太阳能电池的材料,如铜(1 -x遗传算法xSe)2,CuInSe2,立方寸2(CIS)进行了调查,目的是发展快速和廉价的制备方法。印刷(2,3),spray-pyrolysis-deposition (SPD) (4,5),selenization印刷金属氧化物与H2年代或H2Se (6),和电化学沉积7,8)一直在探索替代方法。更少的有毒物质是必需的,因为nonvacuum方法在空气中进行;因此立方寸2吸收材料比CuInSe更合适2或铜(Ga)2。这是社民党方法尤其重要,因为气溶胶形成的化合物。在这部作品中,结构spray-pyrolysis-deposited Cu-In-S层,superstrate-structured太阳能电池转换效率2.14%,研究了透射电子microscopy-energy色散x射线(TEM-EDX)分析。证实,社民党组成了一个隔离结构Cu-In-S Cu-In-S结构层和基板之间的不同。

2。实验

Cu-In-S膜沉积在基板在空气的300°C,社民党。基板玻璃, , 。图1显示了Cu-In-S层的制造过程和结果Cu-In-S结构。TiO玻璃基板被涂上一层2层( = 100海里)由社会民主党在400°C。用于存放TiO的解决方案2乙酰丙酮致密层是钛的混合物(TAA)和乙醇(9:1 v / v)。TAA准备慢慢注入乙酰丙酮(99.5%,关东大化工有限公司公司,东京,日本)到钛tetraisopropoxide(97%,关东大化工有限公司)的摩尔比2:1。在2年代3层( = 100海里)被用作缓冲层和沉积使用前体包括解决方案3(10毫米)和硫脲(20 mM)水在300°C(10毫升)。喷射沉积Cu-In-S CuCl使用水溶液中执行2h·22O(30毫米;97.5%,关东大化工有限公司),包括3(30毫米;98%,Kishida化学有限公司、日本)和硫脲(150毫米;东京化工有限公司、东京、日本)给铜/在/ S比1:1:5。Cu-In-S吸收器层被喷涂沉积Cu-In-S SPD的解决方案(40毫升)在每个基质在300°C的速度2毫升分钟−1。Cu-In-S层挠基质和粉,分散在乙醇和附加到莫网格TEM观察。TEM-EDX系统(JEOL JEM2100)是用来描述Cu-In-S材料。XPS分析之前进行Cu-In-S表面显示一个氧化态(5]。因此,Cu-In-S粉样品的透射电镜观察显示社民党的内部层。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图1
底物之间的关系,(a)玻璃,玻璃/ TiO (b)2,(c)玻璃/ TiO2/2年代3的结构spray-pyrolysis-deposited Cu-In-S。

横截面扫描电镜图片显示,表面是相对平坦的5)粗糙度因素只有1。然而,由于灰尘和骨料有几个小孔。此外,观察到原子尺度视图显示一个非常粗糙的表面,因为它不是一个单晶层,因此superstrate-type结构的太阳能电池制造。

背面接触电极形成于一个非盟层通过真空蒸发沉积产生superstrate-structured太阳能电池 。样品用于获得照片电流-电压曲线是5毫米×5毫米。使用的光电测量一个点1.5太阳能模拟器配备了氙气灯()yss - 100 a,山下先生电装,日本)。模拟光的力量是100兆瓦厘米校准−2通过使用一个参考硅光电二极管(Bunkou Keiki,日本)。的电流-电压曲线是通过应用获得细胞外部偏差和测量产生的光电流与直流电压电流源(6240年,ADCMT,日本)。是非常重要的获取信息关于样品的电特性在不同基质的制备Cu-In-S太阳能电池。然而,由于Cu-In-S层的电阻非常高,电阻和霍尔效应无法测量。

3所示。结果与讨论

图2显示了照片和黑暗电流-电压曲线的superstrate-structured太阳能电池 社民党臆造出来的。的交叉曲线表明独联体太阳能电池双二极管效应。开路光电压,短路光电流密度、填充因子、马和转换效率0.521 V, 9.68厘米−2、0.423和2.14%,分别和改进与我们以前的报告5),通过优化社民党的条件。远离是最好的铜元素转换效率太阳能电池(20.1%)(1];然而,如果SPD-processed太阳能电池的效率可以提高10%以上在不久的将来,这将是一个非常重要的改善由于高速和nonvacuum处理方法用于制造低成本的太阳能电池。因此,需要进一步研究以提高转换效率。在这里,我们报告的变化CIS层由XRD和TEM-EDX观测到的。


图2
照片(固体)和暗(虚线)电流-电压曲线的 太阳能电池。细胞大小是5毫米×5毫米,和细胞是辐照是1.5 (100 mW厘米−2)光。

图3显示了Cu-In-S XRD模式层不同的基质上 , , 结构。归因于SnO峰值为26.4°2(26.6°的JCPDS 88 - 0287)在FTO(图3(一));因此,SnO2峰没有被观察到在玻璃衬底上的XRD Cu-In-S模式(图3(b))。图的峰值为27.6°3(一)被分配到的2年代3(27.4°的JCPDS 73 - 1366)和TiO2(27.7°的JCPDS 88 - 1173),并没有观察到 (图3)和(c) (图3(d)) x射线衍射模式。因此,在2年代3层扩散到Cu-In-S层,证实了电子探针的横断面图像的映射分析(5]。TiO的2葬峰值低于Cu-In-S层(图3(c)),因为很薄TiO2层( = 200海里),由小XRD明显信号。


图3
XRD的模式 (一), (b), (c) 在圆括弧(d)。数字显示材料的晶面JCPDS卡片数据参考。

虽然峰值的位置非常靠近立方寸2峰(27.9°JCPDS: 85 - 1575), Cu-In-S XRD的山峰(27.8 - -28.4°)在基板(数据之间存在着显著的差异3(b) -3(d))和峰值变化建议Cu-In-S晶体的类型的变化。由于大型硫比Cu-In-S层(Cu-poor),这将解决TEM-EDX讨论,分配的山峰从27.8°28.4°的数字3(b) -3(d)将立方寸11年代17(27.7°JCPDS: 34 - 0797),立方寸5年代8(27.7°JCPDS: 72 - 0956),和立方寸5年代9(28.4°JCPDS: 49 - 1383)。因此,它被认为的峰值的变化可能是由于变化Cu-In-S晶体,突出Cu-In-S的成分。

元素分析的Cu-In-S TEM-EDX表所示1和位置分析数据所示4,5,6。TEM-EDX Cu-In-S样本的分析从层沉积在不同的基质:玻璃、玻璃/ TiO2,和玻璃/ TiO2/2年代3。这是确认Cu-In-S元素在社民党隔离层。立方寸Cu-In-S材料的分量2、铜3在5年代9、铜2在4年代7,立方寸3年代5,立方寸5年代8(9)与原子比率计算为25.00:25.00:50.00,17.65:29.41:52.94,15.38:30.77:53.85,11.11:33.33:55.56,和7.14:35.71:57.14,分别。因此,Cu-poor和发达的部分隔离Cu-In-S层接近铜的成分比例3在5年代9。

表1
原子由TEM-EDX Cu-In-S的比率分析。每个位置都是由相关的图编号表示。
(一)
(一)
(b)
(b)
图4
TEM图像spray-pyrolysis-deposited Cu-In-S与电子扩散模式(嵌入)玻璃衬底:(a)和(b)的重要组成部分小的部分。
(一)
(一)
(b)
(b)
图5
TEM图像spray-pyrolysis-deposited Cu-In-S与电子扩散模式(嵌入)玻璃/ TiO2基质:(a)和(b)的重要组成部分小的部分。
(一)
(一)
(b)
(b)
图6
TEM图像spray-pyrolysis-deposited Cu-In-S与电子扩散模式(嵌入)玻璃/ TiO2/2年代3基质:(a)和(b)的重要组成部分小的部分。

图4显示了TEM图像Cu-In-S玻璃衬底上沉积。证实,尽管喷雾热解法解Cu-In-S层含有大量的铜、铟、玻璃衬底上的层主要是纯硫(图4(一)、表1)。硫粒子是几百个纳米大小。TEM图像中的原子晶格是不可见的,因为硫远远轻于重金属元素。然而,电子散射模式显示一个单晶(插图,图4(一))。少量的纳米颗粒直径10 nm左右观察(图4 (b)),揭示了原子晶格因为它们含有金属元素。电子溅射模式(插图,图4 (b))建议多晶结构的存在。EDX分析表明Cu-In-S元素比例接近铜3在5年代9。因此,大量的铜金属(CuCl来源2)没有最终Cu-In-S层,并在社民党分散在其他地方。Cu-In-S层(图的结构1(一))显示了种族隔离的铜3在5年代9粒子在硫层。

图5显示了TEM Cu-In-S沉积在玻璃/ TiO的图像2衬底。与玻璃衬底(图4),大多数Cu-In-S层由铜3在5年代9纳米晶体,10 nm直径(图5(一个))。电子衍射模式提出了纳米晶体结构。重金属元素又意味着纳米晶体原子晶格可以观察到。尽管纳米晶体中含有铜、铜/比率仅为0.54:1,设置比例的一半(1:1)在喷射沉积的解决方案。的CuCl2Cu-In-S解决方案再次分散而不是存入Cu-In-S层。在小Cu-In-S层的一部分,少量的铜观察(图5 (b))。然而,当从玻璃玻璃/ TiO衬底被改变2,金属的数量([铜+]/[铜+ + S))的硫富从0.06%上升(图的一部分4(一)(图)到0.44%5 (b))。电子散射建议一个单晶(插图,图5 (b)),尽管一个原子晶格没有观察到,这可能是由于硫是一个光元素。因此,得出的结论是,底物( 或 )显著影响的成分和结构spray-pyrolysis-deposited CuInSe2层。Cu-In-S层沉积在玻璃的结构/ TiO2喷雾热解法如图衬底1 (b)。

图6显示了TEM Cu-In-Se沉积在玻璃/ TiO的图像2/2年代3衬底。原子比率表明,对于Cu-In-Se,主要由铜层3在5年代9(图6(一)),但少量的铜3在1年代80年(图6 (b))是礼物。纯硫(数据4(一)和5 (b)),因为没有被观察到2年代3缓冲层和上层Cu-In-S相互扩散层。铜3在5年代9是目前纳米晶体,直径约10 nm(图6(一)),和电子衍射模式提出了一个多晶结构(插图,图6(一))。的铜3在1年代80年粒子在几百纳米的大小(图6 (b))和原子晶格是不可见的,因为光的硫原子,虽然电子衍射模式表明单个水晶结构(插图,图6 (b))。因此,Cu-In-S被隔离为铜3在5年代9和铜3在1年代80年。Cu-In-S层沉积在玻璃的结构/ TiO2/2年代3喷雾热解法如图衬底1 (c)。

Cu-In-S的比率,如铜3在5年代9和铜3在1年代80年,仅仅显示积分TEM-XRD的乘法表的结果1。从科学的角度来看,应该通过XRD分析显示晶体结构。然而,从正常XRD的结果模糊和GIXRD可能是一个更合适的方法。然而,尽管GIXRD可能提供了更好的结果,Cu-In-S是一个混合的小晶体和无定形的阶段不同的Cu-In-S成分,使水晶鉴定在这个非常复杂的工作。这将是未来理想的改进分析方法。

4所示。结论

化合物太阳能电池基于Cu-In-S (CIS)是由社会民主党在空气中。尽管Cu-In-S层隔离结构,太阳能电池有一个9.68厘米−2短路光电流密度和2.14%的转换效率。基板之间的隔离结构不同。结果Cu-In-S层铜贫困是由于CuCl的损失2在社民党。因此,提高转换效率的下一步是控制量的铜Cu-In-S层。以来的贡献的重要性Cu-poor立方寸2和CuInSe2太阳能电池已经讨论的出版物(10,11),我们相信Cu-poor立方寸2层,因此铜的存在3在5年代9,可能导致光伏效应。

样品准备这种工作可能是立方寸的固体混合物2,立方寸3年代5等等,应该明确指出。每个主要的一部分样本用TEM的数字表示。很难获得确切的组件隔离材料的其他方法,如XPS、钻、西姆斯、拉曼光谱、x射线衍射、电子探针、因为这些方法达到亚微米范围的决议,给混合材料的主要和次要的部分信息。分析工具的进步可能在未来透露进一步的细节。

承认

这项工作是部分由创新的太阳能电池项目(NEDO、日本)。