مقالة منهجية

تحسين الجودة متغاير في النحاس 2 خلايا شمسية يا المستندة من خلال تعظيم الاستفادة من الضغط الجوي طبقة المكانية الذرية المودعة
الزنك 1-س المغنيسيوم س O

DOI:

10.3791/53501

⸱

يوليو 31, 2016

 ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, 2Cavendish Laboratory, University of Cambridge

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا نقدم بروتوكول لتجميع الزنك 1-س المغنيسيوم س O / النحاس 2 O heterojunctions في الهواء الطلق في درجات الحرارة المنخفضة عن طريق الضغط الجوي المكاني الذري طبقة ترسب (AP-سالد) من الزنك 1-س المغنيسيوم س س على أكسيد نحاسي. هذه أكاسيد المعادن امتثالي جودة عالية يمكن زراعتها على مجموعة متنوعة من ركائز بما في ذلك المواد البلاستيكية بواسطة هذه الطريقة رخيصة وقابلة لل.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
تم استخدام < p class = 'jove_content'> الطبقة الذرية المكانية للضغط الجوي (AP-SALD) لترسيب الأغشية الرقيقة من النوع n ZnO وZn 1-xMgx Oعلى ركائز Cu2O المؤكسدة حراريا من النوع p خارج الفراغ عند درجة حرارة منخفضة. كان أداء الأجهزة الكهروضوئية التي تتميز بالوصلة غير المتجانسة ZnO/Cu2O المصنعة في الغلاف الجوي يعتمد على ظروف ترسيب فيلم AP-SALD، أي درجة حرارة الركيزة ووقت الترسيب، وكذلك على تعرض ركيزة Cu2O للعوامل المؤكسدة قبل وأثناء ترسيب ZnO. تم تحديد أكسدة النحاسالسطحي 2O إلى CuO كعامل محدد لجودة الوصلة غير المتجانسة بسبب إعادة التركيب في واجهة ZnO /Cu 2O. أدى تحسين ظروف AP-SALD بالإضافة إلى إبقاء Cu2O بعيدا عن الهواء والرطوبة من أجل تقليل أكسدة سطح Cu2O إلى تحسين أداء الجهاز. أدت زيادة ثلاثة أضعاف في جهد الدائرة المفتوحة (حتى 0.65 فولت) وزيادة مضاعفة في كثافة تيار الدائرة القصيرة إلى إنتاج خلايا شمسية بكفاءة تحويل طاقة قياسية تبلغ 2.2٪ (PCE). هذا PCE هو الأعلى الذي تم الإبلاغ عنه عن Zn1-xMgxMgx O / Cu 2O غير متجانس يتكون خارج الفراغ ، مما يسلط الضوء على ALD المكاني للضغط الجوي كتقنية واعدة لتصنيع الخلايا الكهروضوئية القائمة على Cu2O.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أكسيد نحاسي (النحاس 2 O) هو الأرض وفيرة غير سامة نوع ف أشباه الموصلات المواد 1. مع وجود فجوة الفرقة من 2 إلكترون فولت، ويمكن أكسيد نحاسي تفي دور امتصاص الضوء في متغاير أو جنبا إلى جنب الخلايا الشمسية. في الخلايا الشمسية متغاير، النحاس 2 O ومن المعروف أن يقترن مجموعة متنوعة من نوع ن أشباه الموصلات كبيرة فجوة مثل أكسيد الزنك 2 والاختلافات مخدر لها 3،4 في ولاية جورجيا 2 O 3 5،6 وتيو 2 7 (للحصول على المزيد نظرة عامة مفصلة عن النحاس 2 O الضوئية يرى المرجع 8). ويرد تطوير النحاس 2 O الخلايا الشمسية متغاير مقرها في الشكل 1، حيث يشار إلى طريقة تجميع ومتغاير بجانب كل نقطة البيانات. يمكن للمرء أن يلاحظ أن أساليب الفراغ القائم مثل ترسب نابض الليزر (الملعوبة) أو ترسب طبقة الذري (محددة المدة) يسمح للأعلى كفاءة تحويل الطاقة إلى أن يتحقق (ما يصل إلى 6.1٪ 9). بالتعاونntrast، ظلت الكفاءة في أساليب التوليف غير فراغ مثل ترسب الكهروكيميائية (تنمية الطفولة المبكرة) منخفضة. ومع ذلك، لوحدات الطاقة الشمسية منخفضة التكلفة فمن الأفضل لتجميع متغاير خارج فراغ. في حين، تقنية خالية من فراغ قابلة للتشكيل متغاير هي بديل أكثر ملاءمة، فإنه لا يزال تحديا لانتاج واجهة ذات جودة عالية من خلال هذه الأساليب. في هذا العمل ونحن استخدام في الهواء الطلق، قابلة للرقيقة فيلم عملية ترسب يسمى الضغط الجوي المكاني الذري طبقة ترسب (AP-سالد) لتنمو من نوع ن أكاسيد عن النحاس 2 الخلايا الشمسية يا تستند. النهوض AP-سالد على ALD التقليدية هو أنه في السابق، يتم فصل السلائف في الفضاء وليس في الوقت المناسب (10). أثناء عملية الترسيب، وركيزة تتأرجح ذهابا وإيابا على الصوانى ساخنة تحت مشعب الغاز الذي يحتوي على قنوات الغاز السلائف مفصولة قنوات غاز خامل، كما هو مبين في الشكل 2، وغاز النيتروجين تحمل precursالأملاح تدفقات عموديا من خلال مشعب الغاز أسفل نحو الصوانى تتحرك أفقيا. بسبب التذبذبات من الصوانى، يتعرض كل نقطة على الركيزة بالتتابع إلى أكسدة والمعادن السلائف، كما هو موضح في الشكل (2). وهذا يسمح للفيلم أكسيد المعدن أن تنمو طبقة بعد طبقة. وصف تفصيلي للتصميم مفاعل AP-سالد وعملية يمكن العثور في أي مكان آخر. 11،12 هذا النهج يسمح ترسب تحدث واحد إلى اثنين أوامر من حجم أسرع من ALD التقليدية والفراغ الخارجي، والذي يتوافق مع تجهيز لفة إلى لفة . جودة عالية الأفلام أكسيد امتثالي التي تنتجها AP-سالد يمكن أن تودع في درجات حرارة منخفضة (<150 درجة مئوية) على مجموعة متنوعة من ركائز بما في ذلك المواد البلاستيكية، والتي تمكن الأفلام AP-سالد ليتم تطبيقها على الأجهزة الوظيفية منخفضة التكلفة مثل الخلايا الشمسية 13 ، وعلى ضوء الثنائيات الباعثة لل14 و الترانزيستور الرقيقة (15).

أدلى مخصص مشعب الغاز AP-سالدواستمر المستخدمة في هذا العمل ميكانيكيا على الركيزة وضعت على الصوانى. يسمح هذا التحكم من التباعد مستقلة الركيزة متعددة من معدلات تدفق الغاز. تم استخدام تباعد كبير من 50 ميكرون، مما أدى إلى اختلاط بين مقدمة المعادن وأكسدة في الطور الغازي. لذلك، تم تشغيل المفاعل AP-سالد في وضع الكيميائية ترسيب البخار (الأمراض القلبية الوعائية). وقد وجدت هذا ليكون من المفيد على التشغيل في الوضع محددة المدة لكانت تزرع الأفلام بمعدل أعلى، ولكن لا يزال مع التوحيد عالية سماكة وكانت البلورية عندما أودع في نفس درجة الحرارة كما الأفلام محددة المدة. 12 هنا، نحن لا تزال تشير إلى المفاعل مفاعل AP-سالد لأنه يحتوي على نفس مبادئ التصميم الأساسية مثل المفاعلات AP-سالد أخرى. 11

كنا مفاعل جهدنا لإيداع طبقة من نوع ن للخلايا الشمسية في بلدنا، خصوصا أكسيد الزنك وأكسيد المغنيسيوم الزنك (الزنك 1-س المغنيسيوم س س 16،17). دمج المغنيسيوم كثافة العملياتس أكسيد الزنك يسمح نطاق التوصيل لضبطها، وهو أمر مهم للحد من الخسائر الناجمة عن الموجات الذيل thermalization 13 وإعادة التركيب السطحي. 18،19

نحن هنا تظهر كيف ضبط شروط إيداع أكسيد الزنك والمغنيسيوم والزنك الأفلام أكسيد على ركائز أكسيد نحاسي أكسدة حراريا سمح لتحسين جودة واجهة، وبالتالي تحسين الأداء الخلايا الشمسية التي يمكن الحصول عليها. وجاء هذا التحسن ممكن من خلال تحديد العوامل التي تحد كبير في النحاس 2 O الخلايا الشمسية على أساس: إعادة التركيب في واجهة متغاير بسبب تشكيل المفرط للأكسيد نحاسي (CUO) على 2 O سطح النحاس.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد نحاسي أكسيد ركائز

  1. أكسدة من رقائق النحاس
    1. قطع 0.127 مم احباط النحاس السميك إلى 13 ملم × 13 ملم الساحات ونظيفة من قبل sonicating في الأسيتون.
    2. تسخين رقائق النحاس إلى 1000 درجة مئوية بينما تتدفق باستمرار الغاز هارون من خلال الفرن. مراقبة المحيطة الغاز في الفرن مع محلل الغاز في جميع أنحاء الأكسدة. عند الوصول إلى درجة حرارة 1000 درجة مئوية، وإدخال الأوكسجين إلى الفرن بمعدل تدفق للحصول على 10000 جزء في المليون ضغط الأكسجين الجزئي والحفاظ على أن لا يقل عن 2 ساعة. بعد 2 ساعة، وإيقاف الأكسجين ولكن يبقى الغاز هارون المتدفقة.
    3. تهدئة الفرن إلى 500 درجة مئوية (الحفاظ على تدفق الغاز هارون). إخماد عينات المؤكسدة التي كتبها الانسحاب السريع من المعاناة من الفرن. تراجع ركائز في الماء منزوع الأيونات لتبرد بشكل أسرع.
  2. النقش على النحاس 2 O
    1. حفر جانب واحد من ركائز عن طريق تطبيق مرارا وتكراراقطرة من حامض النتريك المخفف (1: 1 خليط من H 2 O و 70٪ HNO 3) لإزالة أي أكسيد نحاسي من على سطح الأرض. تواصل الحفر حتى أي فيلم رمادي مرئيا على سطح النحاس 2 O. تنبيه: يتم تنفيذ هذا الإجراء في غطاء الدخان.
    2. فورا بعد الحفر، وشطف كل الركيزة في الماء منزوع الأيونات ويصوتن في الأيزوبروبانول. الجاف مع بندقية الهواء.
    3. إيداع 80 نانومتر من الذهب على الجانب المحفور من 2 O ركائز النحاس عن طريق تبخير 1 ز بيليه الذهب توضع في قارب التنغستن داخل المبخر المقاومة. استخدام ضغط قاعدة 8 × 10 -6 م بار وتيار 4 وللوصول إلى معدل التبخر من 0.8 Å / ثانية.
    4. حفر في الجانب الآخر من ركائز في حامض النتريك المخفف من خلال تطبيق قطرة من حامض على السطح. تأكد من حامض لا احفر الفيلم الذهبي على الجانب الآخر. شطف ويصوتن كما هو موضح في القسم 1.2.2.
    5. تغطية ركائز مع الطلاء العازلة الأسود (استخدام عالية درجة الحرارة الإلكترونيةالمينا ngine) باستخدام فرشاة الطلاء، وترك مساحة غير المقنعة ما يقرب من 0.1 سم 2، ومنطقة نشطة من الخلايا الشمسية. تغطية القطب الذهبي على الجانب الخلفي مع القلم علامة تماما.

2. إيداع الزنك 1-س المغنيسيوم س س باستخدام مفاعل AP-سالد

ملاحظة:. الإيداع الزنك 1-س المغنيسيوم س يا الأفلام على الجانب غير المقنعة من النحاس 2 O ركائز 13 في هذا العمل، وكان يستخدم مفاعل AP-سالد حسب الطلب، مقتبسة من التصميم الأصلي الذي وضعه كوداك 11،12 تفاصيل من التخصيص مفاعل ترد في المرجع. 12.

  1. انشاء نظام AP-سالد على النحو التالي:
    1. استخدام diethylzinc (DEZ) كما السلائف ومكرر (ethylcyclopentadienyl) المغنيسيوم والزنك كما السلائف المغنيسيوم. هذه هي السلائف السائلة كل الواردة في الفقاعات الزجاجية المنفصلة. السلائف والسريعة الاشتعال وينبغي أبدا أن تأتي في اتصال مع الهواء أو الماء. نظام ترسب هو الغاز ضيق.
    2. بالنسبة للزنك ترسب أكسيد، وضبط معدل السطح من غاز النيتروجين من خلال diethylzinc إلى 25 مل / دقيقة، وهو يرد على RT (20 درجة مئوية). بالنسبة للزنك ترسب أكسيد المغنيسيوم، وضبط نسبة الغاز من كل السلائف من خلال تحديد معدل محتدما من خلال diethylzinc إلى 6 مل / دقيقة و 200 مل / دقيقة عن طريق مكرر (ethylcyclopentadienyl) المغنيسيوم (التي يتم تسخينها إلى 55 درجة مئوية) للسيطرة على ل زد على نسبة المغنيسيوم في الزنك 1-س المغنيسيوم س O.
    3. ضبط معدل تدفق الغاز النيتروجين الناقل للمعدن السلائف الخليط إلى 100 مل / دقيقة. غاز النيتروجين فقاعة في 100 مل / دقيقة عن طريق المياه منزوع الأيونات، الذي يعمل باسم أكسدة. يتم تخفيف هذا بخار مع تدفق غاز النيتروجين الناقل في 200 مل / دقيقة.
    4. تدفق غاز النيتروجين في 500 مل / دقيقة لمشعب الغاز. في مشعب الغاز AP-سالد، يتم تقسيم هذا غاز النيتروجين إلى أربع قنوات منفصلة. يخدم كل قناة لمكانيا فصل القنوات أكسدة اثنين من قناة مزيج السلائف المعادن بينهما.
    5. الحفاظ على مشعب الغاز عند درجة حرارة 40 درجة مئوية عن طريق المياه المنتشرة. تسخين مرحلة (أسطوانة متحرك) إلى درجة الحرارة المطلوبة (50-150 درجة مئوية).
    6. تعيين المطلوب عينة لرأس المسافة وحجم العينة، وسرعة الصوانى (50 ملم / ثانية) وعدد من التذبذبات (دورات) مع برنامج السيطرة على الصوانى. معدل ترسب أكسيد الزنك 1.1 نانومتر / ثانية (أو في كل دورة) والزنك 1-س المغنيسيوم س يا ترسب معدل ما يقرب من 0.54 نانومتر / ثانية عند 150 درجة مئوية. عدد نموذجي من دورات ترسب هو 200.
    7. إيداع أكسيد المطلوب على شريحة زجاجية ل 400 التذبذبات أو حتى يمكن رؤية واضحة فيلم متجانسة سميكة.
    8. وضع الركيزة على قناع الزجاج إذا لزم الأمر، ثم وضعه تحت مشعب الغاز. ضبط الرأس (مشعب الغاز) ارتفاع إلى 50 ميكرون فوق الركيزة.
    9. إيداع الزنك 1-س المغنيسيوم س يا الأفلام من خلال فتح أول صمامات للالفوار السلائف المغنيسيوم، ثم مقدمة الفوار الزنك، ثم تبدأ الافلامنانوغرام الصوانى تحت مشعب الغاز بالنقر على "بدء ترسب" في البرنامج. فتح يا الفوار H 2 فقط بعد مسح الركيزة مع 5 التذبذبات السلائف المعادن من أجل تجنب النحاس 2 التعرض يا السطح إلى أكسدة بينما يسخن.
    10. عند الانتهاء من الترسيب، وإزالة النحاس 2 O ركائز من الصوانى ساخنة في أسرع وقت ممكن وإغلاق صمامات الفوار من المبشرات المعادن. تنظيف قنوات الغاز في مشعب مع شفرة لإزالة أي مسحوق أكسيد المودعة. بدء دورة ترسب القادمة كما هو موضح في 2.6.
    11. عند الانتهاء، تطهير النظام لمدة 30 دقيقة قبل أن يغلق الصمامات النيتروجين.

    3. الاخرق من ايتو

    1. تفل 175 نيوتن متر من أكسيد الإنديوم القصدير (ايتو) من خلال المغناطيسية للتيار المباشر الاخرق 20 في الشروط التالية: قوة 20 واط، وضغط قاعدة <10 -9 م بار، AR ضغط 2.5 باسكال عند معدل الاخرق من 35 نانومتر / دقيقة، وتفل تكنولوجيا المعلوماتيا لمدة 5 دقائق ل175 نانومتر فيلم ايتو سميكة. يظهر مما أدى ايتو / الزنك / النحاس 2 O متغاير في الشكل (3).

    4. التشطيب من الأجهزة

    1. تنظيف القلم علامة من القطب الذهب مع الأسيتون لفضح القطب الذهبي.
    2. تطبيق الاتصالات الكهربائية عن طريق الالتزام 2 أسلاك رقيقة مع معجون حج على أقطاب ايتو والاتحاد الافريقي.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الديناميكا الحرارية، CUO هي المرحلة الوحيدة المستقرة من أكسيد النحاس في الهواء في RT، كما يكشف عن النحاس-O مرحلة الاستقرار مخطط 21-23. للتحقق من وجود CUO على سطح النحاس 2 O، أطياف امتصاص محفورا وunetched أكسدة حراريا النحاس اتخذت مع ضوئي؛ ضوحراري انحراف التحليل الطيفي (PDS) 2 O ركائز - تقنية حساسة للغاية والذي يسمح لفرقة جنوب قياس امتصاص الفجوة 24 (الشكل 4). أظهر كل من أطياف امتصاص فوق 1.4 فولت، والذي يتزامن مع الفجوة الفرقة من CUO، قبل تشبع في 2 إلكترون فولت (النحاس 2 O الفرقة الفجوة). كان الركيزة unetched امتصاص العالي أقل من 2 إلكترون فولت، مما يشير إلى طبقة أكثر سمكا من CUO على سطح النحاس unetched 2 O من على الركيزة محفورا. وأقحم في الشكل (4) يوضح طبقة رمادية من CUO على النحو المؤكسد (unetched) النحاس 2 O الركيزة. في حينيمكن أن يتم الكشف عن أي فيلم رمادي بصريا على الركيزة محفورا، وكان بعض CUO تزال موجودة على سطحه، كما تشير القياسات PDS. وأكد وجود فيلم CUO رقيقة جدا على سطح النحاس 2 O ركائز أيضا مع مطياف الأشعة السينية الضوئية (XPS) 19،25. نحاسي أكسيد موجودة على 2 O سطح النحاس يدخل الدول المستوى العميق فخ (النحاس 2+) 18 في واجهة متغاير التي يمكن أن تكون بمثابة مراكز إعادة التركيب، وبالتالي، وجود CUO عند تقاطع السندات الإذنية غير مرغوب فيها.

تسخين النحاس 2 O ركائز في وجود تأكسد (مثل الهواء والرطوبة) يسهل أكسدة النحاس 2 O لCUO. من أجل الحصول على الكريستالات أكسيد الزنك عن طريق AP-سالد، ركائز يتم تسخينها إلى 150 درجة مئوية. كما يقام الركيزة في درجة حرارة مرتفعة في الهواء الطلق أو تحت الغاز أكسدة خلال الترسيب، CUO تشكل بسرعة على النحاس ويبين الشكل 5 المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) وصور من محفورا النحاس 2 O الركيزة قبل وبعد أن أمضى 3 دقائق على الصوانى AP-سالد في 150 درجة مئوية تحت تدفق النيتروجين. ويمكن رؤية الامتداد CUO متعددة على الركيزة صلب، مع تكوينها يجري قريبا من CUO كما تم التحقق منها من قبل التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX).

وقدمت الأجهزة الضوئية مع أكسيد الزنك أودعتها AP-سالد على 150 درجة مئوية لمدة 400 ثانية على رأس محفورا النحاس 2 O ركائز أكسدة حراريا. ويبين الشكل 6A سطح هذا الجهاز القياسية. يمكن للمرء أن يلاحظ العديد rod- والامتداد زهرة تشبه الموجودة في الجهاز. كما أكد في وقت سابق مع EDX وPDS، هذه هي الامتداد أكسيد نحاسي وتحدث بسبب النحاس 2 O التعرض للهواء والأكسدة. الجدول رقم 1 والشكل 7 ( 'أكسيد الزنك / النحاس 2 O معيار' جايرفى) تدليل على الأداء الضعيف نسبيا لهذا الجهاز.

من أجل تجنب تشكيل CUO على يا سطح النحاس 2، والأمثل شروط إيداع أكسيد الزنك عن طريق AP-سالد على محفورا النحاس 2 O ركائز أكسدة حراريا. تم اتخاذ الإجراءات التالية من أجل تقليل نمو CUO: خفض درجة حرارة ترسيب (الشكل 8A)؛ الحد من الوقت ترسب (الشكل 8B)؛ مسح سطح الركيزة لبضع التذبذبات دون التعرض لغاز أكسدة، أي مع فقط السلائف المعادن وقنوات الخاملة المفتوحة (الشكل 8C)؛ وأخيرا، وتجنب التدفئة لا لزوم لها عارية النحاس 2 O ركائز في الهواء قبل بداية الترسيب. تم العثور على المعلمات المثلى من أكسيد الزنك ترسب على النحاس 2 O لتكون 100 درجة مئوية، 100 ثانية و 5 دورات خالية من المياه. كان سطح الجهاز الأمثل خالية من CUO outgrowtالنظام المنسق، كما هو موضح في الشكل 6B. تتم مقارنة الحالي كثافة الجهد (JV) سمة من أكسيد الزنك / النحاس جهاز 2 O الأمثل مع الجهاز القياسية في الشكل (7). وقدم أداء الضوئية من الأجهزة القياسية والأمثل أكسيد الزنك / النحاس كلا 2 O في الجدول 1. ويمكن أن نرى أن باتباع أربعة التدابير المذكورة أعلاه، تم التوصل إلى زيادة ستة أضعاف في كفاءة تحويل الطاقة من الأجهزة.

لمزيد من إلقاء الضوء على تأثير التحسين من الظروف AP-سالد على الحد من CUO ونوعية متغاير، أجريت كفاءة الكم الخارجية (EQE) القياسات على الأجهزة مع أكسيد الزنك المودعة في 150 درجة مئوية و 100 درجة مئوية (الشكل 9). أطياف EQE من الجهازين، في حين مماثلة في موجات فوق 475 نانومتر، اختلف بشكل كبير في الأطوال الموجية تحت 475 نانومتر، وهي مجموعة من الطول الموجي الصورة استيعابها بالقرب من واجهة. للإشعاع طول موجة أقصر، كان EQE من الجهاز مع أكسيد الزنك التي قدمت في ارتفاع درجة الحرارة أقل من نصف هذا الجهاز مع أكسيد الزنك التي قدمت في درجة حرارة أقل. وهذا يشير إلى أن المزيد من أكسيد نحاسي كان حاضرا أكسيد الزنك / النحاس واجهة 2 O قدم في ارتفاع درجة الحرارة، مما قلل جمع تهمة من منطقة قريبة من heterointerface بسبب زيادة إعادة التركيب.

تأسست ملغ في الأفلام AP-سالد أكسيد الزنك من أجل رفع نطاق التوصيل من أكسيد الزنك وللحد من إعادة التركيب مزيد من 15. الزنك 1-س المغنيسيوم س O / النحاس 2 O الخلايا الشمسية تم إجراؤها مع الأمثل الزنك 0.8 ملغ 0.2 يا الأفلام، مما أدى إلى 2.2٪ PCE جهاز - الخلايا الشمسية الأعلى إلى موعد لالنحاس 2 O المستندة بالهواء الطلق ملفقة heterojunctions (انظر أداء الجهاز في الشكل 7 والجدول 1).

محتوى "FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 "> figure-results-1
الشكل 1. النحاس 2 شهادة O-كفاءة الخلايا الشمسية بحلول عام النشر (وقد تم تعديل هذا الرقم من الرقم 8). وتشير علامات سواء تم تشكيل واجهة في فراغ أو في الغلاف الجوي (غير فراغ) والعلامات تشير إلى طريقة تشكيل متغاير. MSP - المغناطيسية الاخرق، IBS - أيون شعاع الاخرق، VAPE - فراغ تبخر قوس البلازما. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2. رسم تخطيطي للعملية ترسب AP-سالد (مقارنة مع محددة المدة التقليدية) وانشاء لإنتاج ثور معدن متعدد المكوناتايديس. (A) التعرض متسلسل من كل خطوة السلائف وتطهير في ALD التقليدية (دلتا المنشطات) (لقد تم إعادة هذا الرقم من الرقم 11). في سياق هذه المخطوطة، M1 هو بخار diethylzinc، M2 مكرر (ethylcyclopentadienyl) بخار المغنيسيوم، وO1 و O2 بخار الماء. (ب) التعرض متسلسل من خليط السلائف المعادن (شارك في حقن)، وقنوات الغاز الخامل (أي ما يعادل خطوة 'تطهير') وأكسدة في AP-سالد (لقد تم إعادة هذا الرقم من الرقم 11). وقد تم استنساخ (C) تخطيطي لعام مفاعل AP-سالد، والتي تبين السلائف فصل مكانيا عن طريق قنوات غاز خامل، مع الركيزة تأرجحت تحت قنوات مختلفة (هذا الرقم من الرقم 11، وهو تعديل من واحد في المرجع. 26). (D) لمحة التخطيطي من المكونات الهامة من نظام AP-سالد مع مجهر القوة الذرية (AFM) الصور تظهر مورفولوجيةالركيزة قبل وبعد الزنك 1-س المغنيسيوم س يا ترسب (لقد تم إعادة هذا الرقم من الرقم 13). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3. صورة SEM مستعرضة من ايتو / الزنك / النحاس 2 O متغاير (وهذا الرقم قد مستنسخة من المرجع 8). طلاء امتثالي النحاس 2 O الركيزة مع أكسيد الزنك وايتو الأفلام يمكن ملاحظتها. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-4
الشكل 4. PDS أطياف المحفور وunetched (كما هو وOXI dized) النحاس 2 O ركائز (تم تعديل هذا الرقم من الرقم 8). وتظهر الأشكال والصور من ركائز أكسيد نحاسي محفورا وunetched. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-5
الشكل 5. الصور SEM من سطح الركيزة النحاس 2 O عند (A) حفرت حديثا و (ب) بعد الصلب في 150 درجة مئوية في الهواء لمدة 3 دقائق (وقد تم استنساخ هذا الرقم من الرقم 8). إدراجات عرض سطح تكوين المكتسبة مع EDX. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

501 / 53501fig6.jpg "/>
الشكل 6. الصور SEM من سطح / النحاس 2 O الخلايا الشمسية أكسيد الزنك التي تستخدم فيها (أ) الظروف القياسية و (ب) الظروف الأمثل من AP-سالد أكسيد الزنك (وقد تم استنساخ هذا الرقم من الرقم 8). الامتداد مختلفة يمكن أن يكون ينظر في الجهاز القياسية. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-6
الرقم 7. خصائص الضوء JV للزنك 1-س المغنيسيوم س O / النحاس 2 O الخلايا الشمسية ملفقة في الظروف AP-سالد القياسية والأمثل (وقد تم تعديل هذا الرقم من الرقم 8). منحنيات JV تثبت الشمسية تحسين أداء الخلية عندما تكوين وAP-سالد شروط الزنك 1-س المغنيسيوم س هي الأمثل يا الأفلام.الصورة: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7
الرقم 8. تأثير عوامل AP-سالد على أداء أكسيد الزنك / النحاس 2 O الخلايا الشمسية. (أ) و (ب) أثر AP-سالد أكسيد الزنك وقت ترسب ودرجة الحرارة على الجهد الدائرة المفتوحة (V OC) من أجهزة (وقد تم استنساخ هذا الرقم من الرقم 8)، (ج) ارتباط بالماء دورات مجانية مع قائد الخامس من الأجهزة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8
الرقم 9. EQE SPECTRوأكسيد الزنك / النحاس 2 O الخلايا الشمسية مع أكسيد الزنك المودعة في 100 درجة مئوية و 150 درجة مئوية. (وقد تم استنساخ هذا الرقم من الرقم 8). يشار المفتوح دائرة الجهد من الأجهزة في أسطورة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الخلايا الشمسية درجة حرارة الترسيب، ° C الوقت الترسيب، ثانية J الشوري، مللي أمبير / سم 2 V OC، والخامس FF،٪ نفقات الاستهلاك الشخصي،٪
أكسيد الزنك / النحاس 2 O قياسي 150 400 3.7 0.18 35 0.23
أكسيد الزنك / النحاس 2 يا محسن 100 100 7.5 0.49 40 1.46
الزنك 0.8 ملغ 0.2 / النحاس 2 يا محسن 150 100 6.9 0.65 49 2.20

الجدول 1. معيار والأمثل AP-سالد الزنك 1-س المغنيسيوم س يا ترسب المعلمات وأداء أفضل ايتو المقابلة / الزنك 1-س المغنيسيوم س O / النحاس 2 O الخلايا الشمسية (وقد تم تعديل هذا الجدول من المرجع 8) ياء SC - قصيرة الكثافة الحالية الدائرة، FF - ملء عامل.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وينص الخطوات الحاسمة في البروتوكول من قبل يا النحاس 2 إلى CUO أكسدة السطح الركيزة. وتشمل هذه الحفر من ركائز في حامض النتريك المخفف لإزالة أي CUO بعد الأكسدة وكذلك بعد تبخر القطب الذهبي، والتقليل من ركائز الوقت الذي يقضيه في الهواء الطلق قبل الزنك 1-س المغنيسيوم س يا ترسب وأخيرا، ترسب زد 1-س المغنيسيوم س س على النحاس 2 O ركائز بواسطة AP-سالد.

ميزة AP-سالد مقارنة محددة المدة التقليدية هي أن الأفلام يمكن زراعتها خارج فراغ مع معدل النمو الذي هو 1-2 أوامر من حجم أعلى. ومع ذلك، فإن هذا يعني أن ركائز النحاس 2 يا لها أن تتعرض لتأكسد في الهواء عند درجة حرارة مرتفعة على الأقل قبل ترسب، وهو ما يكفي لطبقة رقيقة CUO لتشكيل على السطح. هذا على ما يبدو يحد من تطبيق طريقة AP-سالد لبعض خواص المواد الحساسة للأكسدةليرة سورية. ومع ذلك، عن طريق تحسين الظروف AP-سالد مثل درجة الحرارة والوقت، وكذلك التقليل من النحاس 2 التعرض يا للهواء والرطوبة، وجعلت زيادة ستة أضعاف في كفاءة التحويل من الأجهزة أكسيد الزنك / النحاس 2 O باستخدام AP-سالد تم تحقيقه . وجاء تحسن من فهم أن النحاس 2 O لCUO الأكسدة هو العنصر الرئيسي الذي يحد من أكسيد النحاس كمادة في الخلايا الشمسية متغاير وتعديل بروتوكول تصنيع وفقا لذلك.

من أجل تجنب تماما أكسدة أكسيد نحاسي، ركائز يجب أن يوضع في جو خامل أو في فراغ في كل وقت، والذي يمكن أن يكون تحديا عندما تستخدم تقنية ترسيب الهواء الطلق مثل AP-سالد. في حين يتم تجنب أكسدة النحاس 2 O في تقنيات الفراغ القائم 3،18، لتصنيع واسعة النطاق، فمن المهم أن هذه المشكلة يمكن التقليل في عمليات التصنيع في الغلاف الجوي. في AP-سالد، سطح الركيزة يمكن أن تتعرض لالحد من وكلاء قبل تشكيل heterointerface، وتحقيق التوازن بين أكسدة النحاس 2 O مع الحد من CUO باستخدام الغاز تشكيل خلال ترسب أكسيد نوع ن. (25) وكيل الحد من استخدامها في AP-سالد يمكن أن يكون خليط من غاز خامل مع الغاز الحد (على سبيل المثال، N 2 + 5٪ H 2 25)، أو عدد من الدورات مع مقدمة الحد من قبل ترسب، أي دورات خالية من المياه، وذلك للحد من CUO إلى النحاس 2 O فقط قبل أن يبدأ أكسيد الزنك لتنمو على سطحها.

في هذا العمل، وقد تم وضع بروتوكول القياسية التي تقلل من تشكيل CUO تحسين الخطوات تلفيق من النحاس 2 المعالجة يا والحفر إلى تشكيل تقاطع السندات الإذنية التي كتبها AP-سالد في الهواء الطلق. نجاح هذا العمل يدل على إمكانات AP-سالد كأسلوب واعد للتطبيق في الأجهزة الضوئية رخيصة وقابلة للتطوير. هذه التقنية يمكن استخدامها لdepos سريعةition من مجموعة متنوعة من أكاسيد المعادن شبه الموصلة n و ف نوع وكذلك حظر، العازلة وطبقات حاجز في الخلايا الشمسية على ركائز الحساسة للحرارة والبلاستيك.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يعلن المؤلفون أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقر المؤلفون بدعم Cambridge Overseas and Commonwealth Trust ، ومؤسسة رذرفورد في نيوزيلندا ، وكلية جيرتون كامبريدج. تم تمويل هذا العمل من قبل ERC Advanced Investigator Grant ، Novox ، ERC-2009-adG247276 ومن قبل EPSRC (تحت RGS3717).

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
رقائق النحاسالأفوكادو للأبحاث الكيميائية المحدودة T / A ألفا إيسار133800.127 مم سميكة ، 99.9٪ (أساس المعادن) ،
محلل الأكسجين RapidoxRapidoxModel 2100
قارب الألوميناAlmath Crucibles LTD6121203الأبعاد 20 مم × 50 & nbsp ؛ مم × 5   ؛ مم
الكريات الذهبيةKJLCEVMAUXX40G99.99٪ نقية ، 1/8 بوصة × 1/8 بوصة ، تباع بواسطة الجرام
DiethylzincAldrich256781 52 بالوزن ٪ أساس الزنك
مثنائي (إيثيل سيكلوبنتادينيل) المغنيسيومستريم كيماويات المملكة المتحدة12-05105 جم
ITO الهدفGoodFellow Cambridge LimitedLS 427438هدف أكسيد الإنديوم / أكسيد القصدير (في2< / sub>O3< / sub> 90 / SnO2< / sub> 10). الحالة: الضغط الساخن. السماكة: 2.0 & nbsp ؛ مم &# 177; 0.5   ؛ مم. الحجم: 35.5   ; مم × 55.5 & nbsp ؛ مم &# 177; 0.5  مم
VHT المحرك المينا الطلاءHalfords325019ارتفاع درجة حرارة عالية جدا المحرك المينا الطلاء الأسود
حمض النيتريك HNO3, كاشف < / sub>ACS 70٪ & nbsp;شركة Sigma-Aldrich Co Ltd438073-2.5Lضارة ومهيجة
2٪ أكسجين / أرجون 200 بارBOC Limited225757-Lلأكسدة رقائق النحاس ، ليتم تخفيفها ب Ar
الملدن خليط غاز

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Meyer, B. K., et al. Binary copper oxide semiconductors: From materials towards devices. Phys. Status Solidi (B). 249 (8), 1487-1509 (2012).
  2. Mittiga, A., Salza, E., Sarto, F., Tucci, M., Vasanthi, R. Heterojunction solar cell with 2% efficiency based on a Cu2O substrate. Appl. Phys. Lett. 88 (16), 163502(2006).
  3. Minami, T., Miyata, T., Nishi, Y. Cu2O-based heterojunction solar cells with an Al-doped ZnO/oxide semiconductor/thermally oxidized Cu2O sheet structure. Solar Energy. 105, 206-217 (2014).
  4. Duan, Z., Du Pasquier, A., Lu, Y., Xu, Y., Garfunkel, E. Effects of Mg composition on open circuit voltage of Cu2O-MgxZn1−xO heterojunction solar cells. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 96, 1-6 (2011).
  5. Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. High-efficiency Cu2O-based heterojunction solar cells fabricated using a Ga2O3 thin film as n-type layer. Appl. Phys. Express. 6 (4), 044101(2013).
  6. Lee, Y. S., et al. Atomic layer deposited gallium oxide buffer layer enables 1.2 v open-circuit voltage in cuprous oxide solar cells. Adv. Mater. 26 (27), 4704-4710 (2014).
  7. Pavan, M., et al. TiO2/Cu2O all-oxide heterojunction solar cells produced by spray pyrolysis. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 132, 549-556 (2015).
  8. Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z., Sadhanala, A., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Fabrication of ZnO/Cu2O heterojunctions in atmospheric conditions: Improved interface quality and solar cell performance. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 135, 43-48 (2015).
  9. Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. Heterojunction solar cell with 6% efficiency based on an n-type aluminum-gallium-oxide thin film and p-type sodium-doped Cu2O sheet. Appl. Phys. Express. 8, 022301(2015).
  10. Munoz-Rojas, D., MacManus-Driscoll, J. Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition: A new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics. Mater. Horiz. , (2014).
  11. Hoye, R. L. Z., et al. Research Update: Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition of ZnO thin films: Reactors, doping, and devices. APL Mat. 3 (4), 040701(2015).
  12. Hoye, R. L. Z., Muñoz-Rojas, D., Musselman, K. P., Vaynzof, Y., MacManus-Driscoll, J. L. Synthesis and Modeling of Uniform Complex Metal Oxides by Close-Proximity Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 10684-10694 (2015).
  13. Hoye, R. L. Z., et al. Improved open-circuit voltage in ZnO-PbSe quantum dot solar cells by understanding and reducing losses arising from the ZnO conduction band tail. Adv. Energy Mat. 4 (8), 1301544(2014).
  14. Hoye, R. L. Z., et al. Enhanced Performance in Fluorene-Free Organometal Halide Perovskite Light-Emitting Diodes using Tunable, Low Electron Affinity Oxide Electron Injectors. Adv. Mater. 27, 1414-1419 (2014).
  15. Hoye, R. L. Z., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Research Update: Doping ZnO and TiO2 for solar cells. APL Mat. 1 (6), 060701(2013).
  16. Ohtomo, A., et al. MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy. Appl. Phys. Lett. 72 (19), 2466-2468 (1998).
  17. Su, S. C., et al. Valence band offset of ZnO4H-SiC heterojunction measured by x-ray photoelectron spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 92 (19), 1-4 (2008).
  18. Lee, S. W., et al. Improved Cu2O-based solar cells using atomic layer deposition to control the Cu oxidation state at the p-n junction. Adv. Energy Mat. 4 (11), 1301916(2014).
  19. Brandt, R. E., et al. Band offsets of n-type electron-selective contacts on cuprous oxide (Cu2O) for photovoltaics. Appl. Phys. Lett. 105 (26), 263901(2014).
  20. Hakimi, A. Magnetism and spin transport studies on indium tin oxide. , University of Cambridge. Doctoral Thesis, Department of Materials Science and Metallurgy http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/239351 (2011).
  21. Biccari, F. Defects and doping in Cu2O. , University of Rome, Department of Physics. Doctoral Thesis http://server2.phys.uniroma1.it/DipWeb/dottorato/DOTT_FISICA/MENU/03DOTTORANDI/TesiFin22/Biccari.pdf (2009).
  22. Schmidt-Whitley, R., Martinez-Clemente, M., Revcolevschi, A. Growth and microstructural control of single crystal cuprous oxide Cu2O. J. Cryst. Growth. 23 (2), 113-120 (1974).
  23. Laughlin, D. E., Hono, K. Predominance phase diagram for the Cu-O2 system. Physical Metallurgy. 1, 219(2014).
  24. Kronemeijer, A. J., et al. Two-dimensional carrier distribution in top-gate polymer field-effect transistors: correlation between width of density of localized states and Urbach energy. Adv. Mater. 26 (5), 728-733 (2014).
  25. Hoye, R. L. Z., et al. Perspective: Maintaining surface-phase purity is key to efficient open air fabricated cuprous oxide solar cells. APL Mat. 3, 020901(2015).
  26. Poodt, P., et al. Spatial atomic layer deposition: A route towards further industrialization of atomic layer deposition. J. Vac. Sci. Technol., A. 30 (1), 010802(2012).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Zn1 xMgxO Cu2O Cu2O ZnO Cu2O

مقالات ذات صلة