Improved Heterojunction Quality in Cu₂O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited
Zn_1-xMg_xO

该程序的总体目标是在真空外合成的氧化锌氧化亚铜异质结中获得高质量的界面。这是通过在热氧化氧化亚铜上形成氧化锌膜的常压空间原子层沉积或 AP-SALD 来实现的。大气空间原子层沉积 （ALD） 是一种氧化物印刷技术，允许在常压和低温下，在自己的双重兼容工艺中以精确的厚度控制沉积保形氧化物薄膜。

我们的大气压空间原子层沉积系统非常适合快速合成用于电子产品的高质量、均匀、结晶、多组分金属氧化物，如本工作中的锌镁氧化物所示。首先，将 0.127 毫米厚的铜箔切成 13 x 13 毫米的正方形，然后用丙酮超声处理进行清洁。用气枪擦干铜箔方块，去除残留的丙酮。

然后，将干燥的基材放入铝坩埚中，并将坩埚放入熔炉中。用连续的氩气流将铜箔方块加热到 1， 000 摄氏度。在整个氧化过程中，使用气体分析仪监测炉内的气体环境。

当温度达到 1， 000 摄氏度时，以一定流速将氧气通入炉中，以获得百万分之 10， 000 的氧气分压并保持至少两个小时。两小时后，关闭氧气流。随着氩气流动，将炉子冷却至 500 摄氏度。

通过从炉中快速抽出坩埚来嘎吱嘎吱，使氧化的基材嘎吱作响。然后，将它们浸入去离子水中冷却。接下来，通过反复滴加一滴稀硝酸来蚀刻基材的一侧，以去除表面的任何氧化铜。

继续蚀刻，直到氧化铜表面看不到灰色薄膜。蚀刻后，立即用去离子水冲洗每个底物，并在异丙醇中超声处理，然后用气枪干燥底物。将金沉积到基板的蚀刻面后，在表面滴一滴酸，用稀硝酸蚀刻基板的另一面，确保不要蚀刻另一侧的金电极。

冲洗并干燥基材后，用画笔用黑色绝缘涂料覆盖它们，留下约 0.1 平方厘米的未遮蔽区域作为太阳能电池的有效区域。用记号笔盖住背面的金电极。设置 AP-SALD 反应器后，通过二乙基锌前驱体将鼓泡速率调整为每分钟 6 毫升，通过镁前驱体调整为每分钟 200 毫升，以沉积锌镁氧化物。

接下来，将金属前驱体混合物的氮气载气的流速设置为 100 毫升/分钟，并通过作为氧化剂的去离子水鼓泡氮气，用每分钟 200 毫升流动的氮气稀释。现在，以每分钟 500 毫升的速度将氮气流向气源歧管。通过循环水将气体歧管保持在 40 摄氏度的温度下。

然后，将载物台或移动压板加热到所需温度。使用控制压板的软件设置样品量、压板速度和振荡次数。将所需的氧化物沉积在载玻片上 400 次振荡，或直到看到清晰、厚、均匀的薄膜。

沉积后，将底液放在玻璃面罩上，并将其放在气源歧管下方。将头部或气体歧管高度调整到基板上方 50 微米处。首先打开镁前驱体起泡器的阀门，然后打开锌前驱体起泡器的阀门，以沉积锌镁氧化物薄膜。

然后，通过单击软件中的 Start Deposition（开始沉积）开始将压板移动到气体歧管下方。只有在用金属前驱体的五次振荡扫描基材后才能打开水起泡器，以避免氧化亚铜表面在加热时暴露在氧化剂中。沉积完成后，尽快从加热的压板中取出基板，并关闭金属前驱体的起泡阀。

用刀片清洁歧管中的气体通道，以去除任何沉积的氧化物粉末。重要的是要尽量减少蚀刻的氧化亚铜基板在加热压板上露天停留的时间，因为氧化亚铜在表面上的生长会随着温度的升高而加速。在基板上溅射氧化铟锡后，用丙酮从金电极上去除标记物，露出电极。

最后，将两根带有银浆的细线粘在氧化铟锡和金电极上，以施加电触点。刻蚀和未刻蚀的氧化亚铜衬底的光热偏转光谱显示吸收超过 1.4 电子伏特，然后在 2 电子伏特处饱和，这可以归因于衬底表面存在氧化亚铜。未蚀刻的衬底在低于 2 个电子伏特时具有更高的吸收率，这表明表面的铜氧化物层较厚。

通过能量色散 X 射线光谱验证了氧化亚铜衬底上氧化铜生长物的存在。标准光伏电池表面的 SEM 图像显示，由于氧化亚铜暴露于空气和氧化剂中而形成的氧化铜生长物。相比之下，优化器件的表面没有氧化铜生长物。

通过优化氧化锌沉积条件，器件效率提高了六倍。采用优化的锌镁氧化物薄膜的设备产生了 2.2% 的更高效率。这两个器件的外部量子效率光谱相差低于 475 纳米，这是靠近界面吸收的波长范围。

在较高温度下制备的异质结的外部量子效率不到低温异质结的一半，这表明由于铜氧化物较多，界面质量较低。通过大气 ALD 优化热氧化氧化亚铜的氧化锌生长条件，可以提高异质结界面质量和太阳能电池性能。相同的优化策略可以应用于电化学沉积的氧化亚铜太阳能电池。

我们在氧化铜上大气沉积了结晶锌镁氧化物，以提高异质结太阳能电池的开路电压。这项工作报告了在真空之外获得的氧化亚铜异质结迄今为止的最高效率为 2.2%。