Name: Verbesserte Qualität Hetero in Cu 2 O-basierte Hinterlegt Zn 1-x Mg x O (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Erfahren Sie die Synthese von Zn₁₋ₓMgₓO/Cu₂O-Heteroübergängen mittels AP-SALD für die Materialwissenschaft. Diese Methode ermöglicht hochwertige Metalloxid-Grenzflächen bei niedrigen Temperaturen.

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Die Autoren danken dem Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, der Rutherford Foundation of New Zealand, dem Girton College Cambridge. Diese Arbeit wurde durch den ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 und durch das EPSRC (unter RGS3717) finanziert.

1. Herstellung von Kupferoxid Substrate <ol><li> Oxidation der Kupferfolie <ol><li> Schneiden 0,127 mm dicke Cu-Folie in 13 mm x 13 mm Quadrate und sauber durch in Aceton Beschallen. </li><li> Aufheizen Kupferfolie auf 1000 ° C, während kontinuierlich Ar-Gas durch den Ofen strömt. Überwachen Sie die Gasumgebung in dem Ofen mit einem Gasanalysator in der gesamten Oxidation. Wenn die Temperatur von 1000 ° C erreicht ist, einzuführen Sauerstoff in den Ofen mit einer Strömungsrate von 10.000 ppm Sauerstoff-Partialdruck zu erhalten, und daß halten für mindestens 2 Std. Nach 2 Stunden, drehen Sie den Sauerstoff, sondern halten das Ar-Gas strömt aus. </li><li> Kühlen Sie den Ofen auf 500 ° C (halten das Ar-Gas fließt). Quench die oxidierten Proben durch schnellen Rückzug der Tiegel aus dem Ofen. Tauchen Sie die Substrate in entsalztes Wasser zu kühlen sie schneller. </li></ol></li><li> Ätzen von Cu 2 O <ol><li> Ätzen der einen Seite der Substrate durch wiederholtes Anwendenein Tropfen von verdünnter Salpetersäure (1: 1 - Mischung aus H 2 O und 70% HNO 3) jede Kupferoxid von der Oberfläche zu entfernen. Weiter Ätzen , bis kein grauer Film auf der Cu 2 O Oberfläche sichtbar ist. Achtung: Dieses Verfahren wird in einem Abzug durchgeführt. </li><li> Unmittelbar nach dem Ätzen, spülen jedes Substrat in entmineralisiertem Wasser und beschallen in Isopropanol. Dry mit einer Luftpistole. </li><li> Kaution 80 nm Gold auf der geätzten Seite der Cu 2 O Substrate durch eine 1 g Gold Pellet in einem Wolfram - Boot in einem Widerstandsverdampfer gegeben verdampft. Verwenden Sie Basisdruck 8 x 10 -6 mbar und Strom von 4 A die Verdampfungsrate von 0,8 Å / s zu erreichen. </li><li> Ätzen, die andere Seite der Substrate in verdünnter Salpetersäure, indem ein Tropfen Säure auf die Oberfläche aufgebracht wird. Achten Sie darauf, dass die Säure nicht die goldene Folie auf der anderen Seite zu ätzen. Spülen und beschallen, wie in Abschnitt 1.2.2 beschrieben. </li><li> Decken Sie die Substrate mit einem schwarzen isolierenden Farbe (verwenden Hochtemperatur engine Emaille) durch einen Pinsel verwendet, einen unmaskierten Bereich von etwa 0,1 cm 2 als den aktiven Bereich der Solarzelle zu verlassen. Decken Sie die goldene Elektrode auf der Rückseite mit einem Markierungsstift vollständig. </li></ol></li></ol> 2. Einzahlen Zn 1-x Mg x O Mit AP-SALD Reactor Hinweis:.. Kaution Zn 1-x Mg x O - Filme auf dem unmaskierten Seite von Cu 2 O Substrate 13 In dieser Arbeit eine maßgeschneiderte AP-SALD Reaktor verwendet wurde, aus dem ursprünglichen Entwurf von Kodak entwickelt angepasst 11,12 Einzelheiten des Reaktors Anpassung sind in Ref gegeben. 12. <ol><li> Set-up des AP-SALD System wie folgt: <ol><li> Verwenden Diethylzink (DEZ) als Zn-Precursor und Bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium als Mg Vorläufers. Es handelt sich um flüssige Vorläufer jeweils in ihrem separaten Glas bubblers enthalten. Die Vorläufer sind pyrophor und sollten in Kontakt mit Luft oder Wasser nie kommen. Das Abscheidungssystem ist gasdicht. </li><li> Für Zinkoxid Ablagerung, stellen Sie die sprudelnden Rate von Stickstoffgas durch die Diethylzink bis 25 ml / min, die bei RT enthalten ist (20 ° C). Für Zink Magnesiumoxid Abscheidung, stellen Sie die Gasfraktion jedes Vorläufers durch das Blubbern Rate durch die Diethylzink Einstellung auf 6 ml / min und 200 ml / min durch die Bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium (die auf 55 ° C erhitzt wird) zu steuern, Zn Mg - Verhältnis in der Zn 1-x Mg x O </li><li> Stellen Sie die Strömungsgeschwindigkeit des Stickstoffträgergas für die Metallvorläufermischung auf 100 ml / min. Bubble Stickstoffgas bei 100 ml / min durch entionisiertes Wasser, das als Oxidationsmittel eingesetzt wird. Dieser Dampf wird verdünnt mit Stickstoffträgergas bei 200 ml / min fließt. </li><li> Strömungsstickstoffgas bei 500 ml / min in die Gasverteiler. Im AP-SALD Gasverteiler wird diese Stickstoffgas zu vier separate Kanäle aufgeteilt. Jeder Kanal dient dazu, räumlich die beiden Oxidationsmittel-Kanäle aus dem Metallvorläufer Mix-Kanal zwischen ihnen zu trennen. </li></ol&gt; </li><li> Halten Sie den Gasverteiler bei einer Temperatur von 40 ° C über Wasser zirkuliert. Erhitzen Sie die Bühne (bewegliche Aufspannplatte) auf die gewünschte Temperatur (50 bis 150 ° C). </li><li> Stellen Sie die gewünschte Sample-an-Kopf-Abstand, Stichprobengröße, Plattengeschwindigkeit (50 mm / s) und die Anzahl der Schwingungen (Zyklen) mit der Software, um die Platte zu steuern. Die ZnO Abscheidungsrate 1,1 nm / sec (oder pro Zyklus) und die Zn 1-x Mg x O Abscheidungsrate beträgt etwa 0,54 nm / s bei 150 ° C. Eine typische Anzahl von Abscheidungszyklen 200. </li><li> Kaution das gewünschte Oxid auf einem Glasobjektträger für 400 Schwingungen oder bis eine klare dicke homogene Film zu sehen ist. </li><li> Legen Sie das Substrat auf einer Glasmaske, wenn erforderlich, dann legen Sie sie unter dem Gasverteiler. Stellen Sie den Kopf (Gasverteiler) Höhe bis 50 &amp; mgr; m über dem Substrat. </li><li> Hinterlegung der Zn 1-x Mg x O - Filme , indem zuerst die Ventile für die Mg - Vorläufer Sprudler öffnen und dann die Zn - Vorläufer Sprudler, dann starten moving die Platte unter dem Gasverteiler von &quot;Start deposition&quot; in der Software klicken. Öffnen des H 2 O Bubbler erst nach Abtasten des Substrats mit 5 Oszillationen von Metallvorläufer, um Cu 2 O Oberfläche Kontakt mit dem Oxidationsmittel während des Erhitzens zu vermeiden. </li><li> Wenn die Abscheidung beendet ist, entfernen Sie die Cu 2 O Substrate aus der geheizten Platte so schnell wie möglich und die Bubbler Ventile der Metallvorläufer schließen. Reinigen Sie die Gaskanäle in dem Verteiler mit einer Klinge jedes abgeschiedenes Oxid Pulver zu entfernen. Starten Sie den nächsten Abscheidungszyklus wie in 2.6 beschrieben. </li><li> Wenn Sie fertig sind, spülen Sie das System für 30 Minuten, bevor die Stickstoffventile schließen. </li></ol> 3. Sputtering von ITO <ol><li> Sputter 175 nm aus Indium - Zinn - Oxid (ITO) durch Gleichstrom - Magnetron - 20 unter den folgenden Bedingungen Sputtern. Leistung 20 W, Basisdruck &lt;10 -9 mbar Druck Ar 2,5 Pa bei einer Sputter - Rate von 35 nm / min, Sputter ITO für 5 min für einen 175 nm dicken ITO-Film. Die sich ergebende ITO / ZnO / Cu 2 O - Heterojunction ist in Abbildung 3 dargestellt. </li></ol> 4. Fertigstellung der Geräte <ol><li> Reinigen Sie den Markierungsstift aus der Goldelektrode mit Aceton die goldene Elektrode zu belichten. </li><li> Tragen Sie elektrische Kontakte durch Kleben 2 dünne Drähte mit Ag-Paste auf die ITO und Au-Elektroden. </li></ol>

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Kritische Schritte innerhalb des Protokolls werden durch das Cu 2 O zu CuO Substratoberfläche Oxidation festgelegt. Diese umfassen das Ätzen der Substrate in verdünnter Salpetersäure jede CuO nach der Oxidation als auch zu entfernen , wie nach der Verdampfung des goldenen Elektrode, die Minimierung der Zeit Substrate verbringen im Freien vor dem Zn 1-x Mg x O Ablagerung und schließlich Abscheiden von Zn 1-x Mg x O auf Cu 2 O Substrate durch AP-SALD. Der Vorteil der AP-SALD Vergleich zu herkömmlichen ALD ist, dass Filme, die außerhalb eines Vakuums mit einer Wachstumsrate gezüchtet werden können, die 1.59 Grßenordnungen höher ist. Das bedeutet jedoch, daß die Cu 2 O Substrate Oxidantien in Luft bei erhöhter Temperatur zumindest unmittelbar vor der Abscheidung ausgesetzt werden müssen, die ausreichend ist , um eine dünne CuO - Schicht auf der Oberfläche zu bilden. Dies begrenzt scheinbar die Anwendung des AP-SALD Verfahren bis zu einem gewissen oxidationsempfindlichen Materials. Jedoch durch Optimierung der AP-SALD Bedingungen wie Temperatur und Zeit, sowie Cu 2 O Exposition gegenüber Luft und Feuchtigkeit, eine sechsfache Erhöhung der Umwandlungseffizienz von ZnO / Cu 2 O - Geräte zu minimieren hergestellt AP-SALD verwendet wurde erreicht . Die Verbesserung kam aus dem Verständnis , dass Cu 2 O zu CuO Oxidation ist der Hauptbegrenzungsfaktor von Kupferoxid als Material in Heterojunction - Solarzellen und die Herstellungsprotokolls entsprechend zu modifizieren. Um die Oxidation von Kupferoxid, um vollständig zu vermeiden, müssen die Substrate in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum die ganze Zeit gehalten werden, was schwierig sein kann, wenn ein Open-Air-Abscheidetechnik, wie AP-SALD einsetzt. Während der Oxidation von Cu 2 O in Vakuum basierte Techniken 3,18, für die großtechnische Herstellung vermieden wird, ist es wichtig , dass dieses Problem in atmosphärischer Herstellungsverfahren minimiert werden kann. In AP-SALD kann die Substratoberfläche freigelegt werden,Mittel vor der Bildung des Hetero und durch Ausgleichen der Oxidation von Cu 2 O mit der Reduktion von CuO unter Verwendung von Formiergas während der Abscheidung der n-Typ - Oxids. 25 Das Reduktionsmittel verwendet , in AP-SALD reduzieren könnte sein , Gemisch aus einem Inertgas mit einem Reduktionsgas (beispielsweise N 2 + 5% H 2 25) oder eine Anzahl von Zyklen mit einem Reduktions Vorstufe vor der Abscheidung, das heißt wasserfreie Zyklen, um CuO zu reduzieren zurück zu Cu 2 O kurz vor der ZnO - Oxid beginnt an ihrer Oberfläche zu wachsen. In dieser Arbeit wurde ein Standardprotokoll entwickelt , die Schritte von Cu 2 O - Verarbeitung und Ätzen zu pn - Übergang Bildung von AP-Sald in Open-Air - Optimierung CuO Bildung Fertigung minimiert. Der Erfolg dieser Arbeit zeigt das Potenzial von AP-SALD als vielversprechende Methode für die Anwendung in billig und skalierbare Photovoltaik-Anlagen. Die Technik kann für die schnelle Depos verwendet werdenition von einer Vielzahl von n- und p-Typ sowie blockierende, Puffer- und Sperrschichten in Solarzellen auf wärmeempfindliche Substrate, einschließlich Kunststoffhalbleitermetalloxide.

Kupferoxid (Cu 2 O) ist ein Erde-reichlich nicht-toxische p-Typ - Halbleitermaterial 1. Mit einer Bandlücke von 2 eV kann Kupferoxydul die Rolle des Lichtabsorbers in Heteroübergang oder Tandemsolarzellen erfüllen. In Heterojunction - Solarzellen, Cu 2 O ist bekannt , mit einer Vielzahl n-Typ große Bandlücke Halbleiter wie ZnO 2 und deren dotierte Varianten gekoppelt werden 3,4, Ga 2 O 3 5,6 TiO 2 und 7 (Für eine detaillierte Übersicht über Cu 2 O Photovoltaik siehe Ref. 8). Die Entwicklung von Cu 2 O basierten Heterosolarzellen ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei das Verfahren des Hetero Synthetisieren neben jedem Datenpunkt angezeigt ist. Man kann sich, dass Vakuum basierte Methoden beachten wie Pulsed Laser Deposition (PLD) oder Atomlagenabscheidung (ALD) für eine höhere Energieumwandlungswirkungsgrade erlaubt zu erreichen (bis zu 6,1% 9). gemeinsamntrast, die Wirkungsgrade für Nicht-Vakuum-Syntheseverfahren, wie elektrochemische Abscheidung (ECD) sind niedrig geblieben. Jedoch für kostengünstige Photovoltaik ist es besser, den Hetero außerhalb eines Vakuums zu synthetisieren. Während ein Vakuum frei, skalierbare Technik Hetero-Junction-Bildung eine geeignetere Alternative ist, bleibt es schwierig, eine Schnittstelle von hoher Qualität durch solche Verfahren zu erzeugen. In dieser Arbeit verwenden wir eine Open-Air, skalierbaren Dünnschicht - Abscheidungsverfahren Atmosphärendruck räumliche Atomlagenabscheidung (AP-SALD) genannt zu wachsen n-Typ - Oxiden für Cu 2 O-basierten Solarzellen. Die Weiterentwicklung der AP-SALD gegenüber herkömmlichen ALD ist , dass in den ersteren Vorläufern im Raum getrennt sind , eher als in der Zeit 10. Während des Abscheidungsprozesses oszilliert ein Substrat hin und her auf einer erwärmten Platte unter einem Gasverteiler , welche Kanäle Vorläufergas durch Inertgas Kanäle getrennt enthält, wie in Figur 2 gezeigt ist . Das Stickstoffgas Durchführung der precursors fließt vertikal durch den Gasverteiler nach unten in Richtung der seitlich beweglichen Platte. Aufgrund der Schwingungen der Platte wird jeder Punkt auf dem Substrat sequentiell zu dem Oxidationsmittel und Metallvorstufen ausgesetzt, wie in Figur 2 dargestellt ist . Dadurch kann der Metalloxidfilm Schicht für Schicht zu wachsen. Eine detaillierte Beschreibung der AP-SALD Reaktordesign und Betrieb kann an anderer Stelle gefunden werden. 11,12 Dieser Ansatz die Abscheidung auftreten ein bis zwei Zehnerpotenzen schneller als herkömmliche ALD und außerhalb Vakuum, das mit Roll-to-Roll - Verarbeitung kompatibel ist erlaubt . Hochwertige konforme Oxidschichten hergestellt von AP-SALD kann bei niedrigen Temperaturen (&lt;150 ° C) auf einer Vielzahl von Substraten , einschließlich Kunststoff aufgebracht werden, die AP-SALD Filme ermöglicht 13 Low-Cost - Funktionsgeräte wie Solarzellen angewendet werden Leuchtdioden 14 und Dünnfilmtransistoren 15. Das Maß AP-SALD Gasverteilerverwendet wurde, in dieser Arbeit mechanisch über das Substrat auf der Platte angeordnet gehalten. Dies erlaubt die Steuerung des Substratverteilers Abstand unabhängig von den Gasströmungsraten. Ein großer Abstand von 50 &amp; mgr; m verwendet wurde, welche in ein Vermischen zwischen dem Metallvorläufer und das Oxidationsmittel in der Gasphase geführt. Daher wurde die AP-SALD Reaktor in chemical vapor deposition (CVD) Modus betrieben. Dies wurde als vorteilhaft über Betriebs in ALD - Modus gefunden , weil die Filme mit einer höheren Rate gezüchtet wurden, aber immer noch mit hoher Dickengleichmäßigkeit und kristallin waren , als bei den gleichen Temperaturen wie ALD - Filme abgeschieden. 12 Hierin verweisen wir noch in den Reaktor als ein AP-SALD Reaktor , weil sie die gleichen grundlegenden Design - Prinzipien wie andere AP-SALD Reaktoren hat. 11 Wir haben unser Reaktor , der die n-Typ - Schicht für unsere Solarzellen abzuscheiden, insbesondere Zinkoxid und Zink Magnesiumoxid (Zn 1-x Mg x O 16,17). Die Einbeziehung Mg into ZnO ermöglicht Band die Leitung abgestimmt werden, was zur Reduzierung der Verluste aufgrund von Band-tail Thermalisierung 13 und Grenzflächen - Rekombination wichtig ist. 18,19 Hier zeigen wir, wie die Bedingungen Abstimmung zur Abscheidung von Zinkoxid und Zink Magnesiumoxid-Filme auf thermisch oxidierten Cuprooxyd Substrate für eine verbesserte Schnittstelle Qualität erlaubt und damit eine bessere Leistung der Solarzelle zu erhalten. Diese Verbesserung wurde ermöglicht durch die Identifizierung der Hauptbegrenzungsfaktor in Cu 2 O Solarzellen: Rekombination am Heterogrenzfläche aufgrund einer übermäßigen Bildung von Kupferoxid (CuO) auf der Cu 2 O Oberfläche.

<table><tbody><tr><td>Kupferfolie</td><td>Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar</td><td>13380</td><td>0,127 mm dick, 99,9% (Metallbasis), geglüht</td></tr><tr><td>Rapidox Sauerstoffanalysator</td><td>Rapidox</td><td>Modell 2100</td><td></td></tr><tr><td>Aluminiumoxid Boot</td><td>Almath Tiegel LTD</td><td>6121203</td><td>Abmessungen 20 mm x 50&nbsp; mm x 5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Goldpellets</td><td>KJLC</td><td>EVMAUXX40G</td><td>99,99% rein, 1/8" x 1/8", verkauft im Gramm</td></tr><tr><td>Diethylzinc</td><td>Aldrich</td><td>256781</td><td>&ge; 52 Gew.-% Zn-Basis</td></tr>, <tr><td>Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium</td>, <td>Strem Chemicals, UK</td><td>12-0510</td>, <td>5 g</td></tr><tr><td>ITO-Ziel,</td><td>GoodFellow, Cambridge Limited</td><td>LS, 427438</td><td>Indiumoxid/Zinnoxid-Ziel, (In2O3 90 / SnO2 10). Zustand: Heißgepresst. Dicke: 2,0&nbsp; mm &#177; 0.5&nbsp;mm. Größe: 35.5&nbsp; mm x 55,5&nbsp; mm &#177; 0.5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>VHT Motorlackierung</td><td>Halfords</td><td>325019</td><td>sehr hohe Temperaturen Motorlackierung schwarze Farbe</td></tr><tr><td>Salpetersäure HNO3, ACS Reagenz 70%&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich Co Ltd</td><td>438073-2.5L</td><td>Schädliches, reizendes</td></tr><tr><td>2% Sauerstoff/Argon 200 bar</td><td>BOC Limited</td><td>225757-L</td><td>Gasgemisch für die Oxidation von Kupferfolien, zu verdünnen mit Ar</td></tr></tbody></table>

verbesserte qualität hetero in cu<sub&gt; 2</subsolarzellen durch die optimierung der atmosphärendruck spatial atomic layer&gt; o-basierte hinterlegt<br /&gt; zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; mg<sub&gt; x</sub&gt; o

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Die räumliche Atomlagenabscheidung bei Atmosphärendruck (AP-SALD) wurde verwendet, um dünne Schichten vom Typ n-Typ, ZnO und Zn1-xMgxO, auf thermisch oxidierten Cu2O-Substraten vom p-Typ außerhalb des Vakuums bei niedriger Temperatur abzuscheiden. Die Leistung von photovoltaischen Bauelementen mit atmosphärisch hergestelltem ZnO/Cu2O-Heteroübergang war abhängig von den Bedingungen der AP-SALD-Schichtabscheidung, nämlich der Substrattemperatur und der Abscheidungszeit, sowie von der Exposition des Cu2O-Substrats gegenüber Oxidationsmitteln vor und während der ZnO-Abscheidung. Die oberflächliche Cu2O zu CuO-Oxidation wurde als limitierender Faktor für die Qualität der Heteroübergänge aufgrund der Rekombination an der ZnO/Cu2O-Grenzfläche identifiziert. Die Optimierung der AP-SALD-Bedingungen sowie das Fernhalten von Cu2O von Luft und Feuchtigkeit zur Minimierung der Cu2O-Oberflächenoxidation führten zu einer verbesserten Geräteleistung. Eine Verdreifachung der Leerlaufspannung (bis zu 0,65 V) und eine Verdoppelung der Kurzschlussstromdichte führten zu Solarzellen mit einem Rekordwirkungsgrad (PCE) von 2,2 %. Dieser PCE ist der höchste berichtete für einen außerhalb des Vakuums gebildeten Zn1-xMgxO/Cu2O-Heteroübergang, was die räumliche ALD des Atmosphärendrucks als vielversprechende Technik für die kostengünstige und skalierbare Herstellung von Cu2O-basierter Photovoltaik hervorhebt.

Thermodynamisch ist CuO die einzige stabile Phase von Kupferoxid in der Luft bei RT, da die Cu-O - Phasenstabilitätsdiagramm 21 zeigt - 23. Um die Anwesenheit von CuO auf der Oberfläche von Cu 2 O, Absorptionsspektren des geätzten verifizieren und ungeätzten thermisch oxidierte Cu 2 O - Substrate wurden mit photothermischer Strahlablenkungsspektroskopie (PDS) genommen - eine hochempfindliche Technik , die für die Teilbandlückenabsorptionsmessung ermöglicht 24 (Abbildung 4). Beide Spektren zeigte Absorption über 1,4 eV, die mit der Bandlücke von CuO zusammenfällt, bevor bei 2 eV (Cu 2 O Bandlücke) zu sättigen. Die ungeätzten Substrat hatte eine höhere Absorption von weniger als 2 eV, eine dickere Schicht aus CuO auf der Oberfläche der nicht geätzten Cu 2 O als auf dem geätzten Substrat hinweist. Der Einschub in Abbildung 4 zeigt eine graue Schicht von CuO auf der als oxidierte (ungeätzt) Cu 2 O Substrat. Währendkeine grauen Film visuell auf dem geätzten Substrat nachgewiesen werden konnte, wurde einige CuO noch auf seiner Oberfläche, wie die PDS-Messungen vorschlägt. Das Vorhandensein eines sehr dünnen CuO - Film auf der Oberfläche der Cu 2 O - Substrate wurde auch mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) 19,25 bestätigt. Kupferoxyd , die auf der Cu 2 O Oberfläche führt tiefen Ebene trap Zustände (Cu 2+) 18 an dem Heterogrenzfläche , die als Rekombinationszentren wirken können und daher CuO Anwesenheit am pn - Übergang nicht wünschenswert ist. Heizungs Cu 2 O - Substrate in Gegenwart von Oxidationsmitteln (beispielsweise Luft und Feuchtigkeit) ermöglicht die Oxidation von Cu 2 O zu CuO. Um polykristallinen ZnO durch AP-SALD, die Substrate werden erhitzt auf 150 ° C zu erhalten. Da das Substrat bei erhöhter Temperatur in Freiluft oder unter dem Oxidationsgas während der Abscheidung gehalten wird, CuO bildet schnell auf dem Cu <sub&gt; 2 O Oberfläche dar. 5 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische (SEM) Bilder eines geätzten Cu 2 O Substrat vor und nach unter dem Stickstoffstrom bei 150 ° C 3 min auf der AP-SALD Platte auszugeben. Multiple CuO Auswüchsen auf dem getemperten Substrat gesehen werden, mit deren Zusammensetzung derjenigen von CuO nahe zu sein, wie durch Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) bestätigt. Photovoltaik - Geräte wurden mit ZnO durch AP-SALD bei 150 ° C für 400 sec auf der geätzten thermisch oxidierten Cu 2 O Substrate abgeschieden gemacht. 6A zeigt die Oberfläche dieses Standardgerät. Man kann zahlreiche Stab- und blumenartige Auswüchse in der Vorrichtung vorhanden bemerken. Wie früher mit EDX und PDS bestätigt sind diese Auswüchse Kupferoxid und entstehen durch Cu 2 O Einwirkung von Luft und Oxidationsmitteln. Tabelle 1 und Figur 7 ( &#39;ZnO / Cu 2 O standard&#39; cUrve) zeigen die relativ schlechte Leistung dieses Gerätes. Um CuO Bildung auf der Cu 2 O Oberfläche, die Bedingungen zum Abscheiden von ZnO durch AP-SALD auf der geätzten thermisch oxidiertes Cu 2 O Substrate wurden optimiert zu vermeiden. Folgende Maßnahmen wurden ergriffen , um CuO Wachstum zu minimieren: Reduzierung der Abscheidungstemperatur (8A); Reduzierung der Abscheidungszeit (8B); Abtasten der Substratoberfläche für einige Schwingungen ohne Einwirkung des Oxidationsgases, das heißt mit nur Metallvorläufern und inerte Kanäle offen (8C); und schließlich, Vermeidung unnötiger Erwärmung von nackten Cu 2 O - Substrate in Luft unmittelbar vor dem Beginn der Abscheidung. Die optimalen Parameter von ZnO Abscheidung auf Cu 2 O wurden zu 100 ° C gefunden, 100 s und 5 wasserfreie Zyklen. Die Oberfläche des optimierten Gerät war frei von CuO outgrowths, wie dies in 6B gezeigt. Die Stromdichte-Spannung (JV) Kennlinie des optimierten ZnO / Cu 2 O Vorrichtung 7 mit dem Standardgerät in Abbildung verglichen. Das photovoltaische Leistung der Standard- und optimiert ZnO / Cu 2 O - Geräten in Tabelle 1 dargestellt. Es kann ersichtlich, daß durch Befolgen der vier oben genannten Maßnahmen, eine sechsfache Erhöhung der Leistungsumwandlungswirkungsgrad der Vorrichtungen erreicht. Um die Wirkung der Optimierung der AP-SALD Bedingungen für die Reduktion von CuO aufzuklären und dem Hetero Qualität, externe Quantenwirkungsgrad (EQE) Messungen wurden auf Geräten mit ZnO bei 150 ° C und 100 ° C (Abbildung 9) abgeschieden durchgeführt. Die EQE-Spektren der beiden Geräte, während ähnliche bei Wellenlängen über 475 nm, unterschieden sich signifikant bei Wellenlängen unter 475 nm, welches der Bereich der Wellenlänge<html> s absorbiert auf die Schnittstelle zu schließen. Für die Strahlung kürzerer Wellenlänge betrug die EQE der Vorrichtung mit ZnO bei höherer Temperatur, die weniger als die Hälfte derjenigen der Vorrichtung mit ZnO bei einer niedrigeren Temperatur hergestellt. Dies deutet darauf hin , dass mehr Kupferoxid an der ZnO / Cu 2 O - Schnittstelle vorhanden war , bei einer höheren Temperatur hergestellt, die aus der Region Ladungssammlungs nahe aufgrund erhöhter Rekombination der Hetero reduziert. Mg wurde in AP-SALD ZnO - Filme, um das Leitungsband von ZnO zu erhöhen eingebaut und Rekombination weitere 15 zu reduzieren. Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O - Solarzellen mit den optimierten Zn 0,8 Mg 0,2 O Filme hergestellt wurden, was 2,2% Gerät PCE - der höchste bisher für Cu 2 O-basierte Solarzellen mit Open-Air hergestellt Hetero (siehe die Geräteleistung in Abbildung 7 und Tabelle 1). Inhalt &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig1.jpg" /> Abbildung 1 Cu 2 O-basierten Solarzelle Effizienz nach Erscheinungsjahr (Diese Zahl wurde von Ref geändert. 8). Markierungen zeigen an, ob die Schnittstelle im Vakuum gebildet wurde , oder in der Atmosphäre (ohne Vakuum) und Etiketten zeigen die Methode der Heteroübergangs-Bildung. MSP - Magnetron - Sputtern, IBS - Ionenstrahl - Sputtern, VAPE - Vakuum - Lichtbogenplasma Verdunstung. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig2.jpg" /> Abbildung 2. Schematische Darstellung der AP-SALD Abscheidungsverfahren ( im Vergleich zu herkömmlichen ALD) und Set-up für die Herstellung von Mehrkomponenten - Metall OchseIden. (A) Sequential Belichtung jeder Vorläufer und Reinigungsschritt bei herkömmlichen ALD (Delta-Dotierung) (Diese Zahl kann von Ref reproduziert wurde. 11). Im Rahmen dieses Manuskripts ist M1 Diethylzink Dampf, M2 bis (Ethylcyclopentadienyl-) Magnesiumdampf und O1 und O2 Wasserdampf. (B) Sequential Exposition von Metallvorläufermischung (Co-Injektion), Inertgas Kanäle (äquivalent zu &quot;Säuberung&quot; Schritt) und das Oxidationsmittel in AP SALD-(Diese Zahl wurde von Ref reproduziert. 11). (C) Schematische Darstellung eines allgemeinen AP-SALD Reaktor, zeigt die Vorstufen räumlich durch Inertgas Kanäle getrennt, mit dem Substrat unter den verschiedenen Kanälen in Schwingung versetzt (Diese Zahl wurde von Ref wiedergegeben. 11, die eine Modifikation von einem in Ref ist. 26). (D) Überblick schematische Darstellung der wichtigsten Komponenten eines AP-SALD System mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) -Bilder zeigen die Morphologie derSubstrat vor und nach der Zn 1-x Mg x O Abscheidung (Diese Zahl wurde von Ref reproduziert. 13). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig3.jpg" /> Abbildung 3. Querschnitt REM - Aufnahme von ITO / ZnO / Cu 2 O Heteroübergang (Dieser Wert wurde von Ref reproduziert. 8). Konforme Beschichtung von Cu 2 O Substrat mit ZnO und ITO - Filmen beobachtet werden können. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig3large.jpg" target="_blank">um eine größere Version dieser Figur.</a> <img alt="Abbildung 4" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig4.jpg" /> Abbildung 4. PDS - Spektren von geätzten und ungeätzten (as-Oxi<html> sierten) Cu 2 O - Substrate (Dieser Wert wurde von Ref geändert. 8). Die Einschübe zeigen Fotografien der geätzten und nicht geätzten Cuprooxyd Substrate. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig4large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig4large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Abbildung 5" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig5.jpg" /> Abbildung 5. REM - Aufnahmen von der Oberfläche eines Cu 2 O Substrat , wenn (A) frisch geätzt und (B) nach dem Tempern bei 150 ° C in Luft für 3 min (Dieser Wert wurde von Ref reproduziert. 8). Einschübe zeigen Oberfläche Zusammensetzung mit EDX erworben. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig5large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig5large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <html> 501 / 53501fig6.jpg &quot;/&gt; Abbildung 6. REM - Aufnahmen von der Oberfläche des ZnO / Cu 2 O - Solarzellen unter Verwendung von (A) Standardbedingungen und (B) optimierten Bedingungen von AP-SALD ZnO (Diese Zahl wurde von Ref reproduziert. 8). Verschiedene Auswüchse sein kann gesehen in der Standard - Gerät. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig6large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig6large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="7" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig7.jpg" /> Abbildung 7. Licht JV Eigenschaften für Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O Solar hergestellten Zellen bei Standard- und optimierten AP-SALD Bedingungen (Diese Zahl wurde von Ref modifiziert. 8). Die JV Kurven zeigen Solarzellenleistung Verbesserung , wenn die Zusammensetzung und AP-SALD Bedingungen des Zn 1-x Mg x O Filme optimiert sind.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Abbildung 8" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig8.jpg" /> Abbildung 8. Die Wirkung des AP-SALD Parameter auf die Leistung von ZnO / Cu 2 O - Solarzellen. (A) und (B) Die Wirkung von AP-SALD ZnO Abscheidungszeit und Temperatur auf die Leerlaufspannung (V oc) der Geräte (Dieser Wert wurde von Ref reproduziert. 8), (C) Korrelation von Wasser- freie Zyklen mit dem V oc der Geräte. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig8large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig8large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="9" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig9.jpg" /> Abbildung 9. EEP spectra von ZnO / Cu 2 O - Solarzellen mit ZnO bei 100 ° C und 150 ° C abgeschieden. (Diese Zahl wurde von Ref reproduziert. 8). Die Leerlaufspannung der Geräte ist in der Legende angezeigt. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig9large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig9large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Solarzelle </td><td> Abscheidungstemperatur, ° C </td><td> Abscheidungszeit, sec </td><td> J sc, mA / cm 2 </td><td> V oc, V </td><td> FF,% </td><td> PCE,% </td></tr><tr><td> ZnO / Cu 2 O Standard </td><td> 150 </td><td> 400 </td><td> 3.7 </td><td> 0,18 </td><td> 35 </td><td> 0,23 </td></tr><tr><td> ZnO / Cu 2 O Optimiertes </td><td> 100 </td><td> 100 &lt;/ Td&gt; <td> 7.5 </td><td> 0,49 </td><td> 40 </td><td> 1,46 </td></tr><tr><td> Zn 0,8 Mg 0,2 / Cu 2 O Optimiert </td><td> 150 </td><td> 100 </td><td> 6.9 </td><td> 0,65 </td><td> 49 </td><td> 2.20 </td></tr></tbody></table> Tabelle 1. Standard und optimiert AP-SALD Zn 1-x Mg x O Abscheidungsparameter und die Leistung des besten entsprechenden ITO / Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O Solarzellen (Diese Tabelle von Ref modifiziert wurde. 8) . J SC - Kurzschlussstromdichte, FF - Füllfaktor.

Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Synthese von Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O - Hetero in Freiluft bei niedriger Temperatur über Atmosphärendruck räumliche Atomlagenabscheidung (AP-SALD) Zn 1-x Mg x O auf Kupferoxid. Solche hochwertige konforme Metalloxide können durch dieses billig und skalierbares Verfahren auf einer Vielzahl von Substraten, einschließlich Kunststoffen gezüchtet werden.

Verbesserte Qualität Hetero in Cu<sub&gt; 2</subSolarzellen durch die Optimierung der Atmosphärendruck Spatial Atomic Layer&gt; O-basierte Hinterlegt<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; Mg<sub&gt; x</sub&gt; O

Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) was used to deposit n-type ZnO and Zn1-xMgxO thin films onto p-type thermally oxidized Cu2O ...

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, eine hochwertige Grenzfläche in Zinkoxid-Kupfer(I)-oxid-Heteroübergängen zu erhalten, die außerhalb eines Vakuums synthetisiert wurden. Dies wird durch die atmosphärische räumliche Atomlagenabscheidung (AP-SALD) von Zinkoxid-Schichten auf thermisch erzeugtem Kupfer(I)-oxid erreicht. Die atmosphärische räumliche ALD ist eine Oxid-Drucktechnik, die die Abscheidung konformer Oxidschichten mit präziser Dickenkontrolle in einem eigenen, doppelt kompatiblen Prozess bei Umgebungsdruck und niedriger Temperatur ermöglicht.Unser Spatial-ALD-System bei Umgebungsdruck eignet sich ideal für die schnelle Synthese hochwertiger, homogener, kristalliner, mehrkomponentiger Metalloxide für die Elektronik, wie in dieser Arbeit am Beispiel von Zink-Magnesium-Oxid gezeigt. Schneiden Sie zunächst eine 0,127 Millimeter dicke Kupferfolie in 13 mal 13 Millimeter große Quadrate und reinigen Sie sie durch Beschallung in Aceton. Trocknen Sie die Kupferfolienquadrate mit einer Druckluftpistole, um restliches Aceton zu entfernen.Dann die getrockneten Substrate in einen Aluminiumtiegel geben und den Tiegel in einen Ofen stellen. Die Kupferfolienquadrate unter kontinuierlichem Argonstrom auf 1.000 Grad Celsius erhitzen. Während der Oxidation die Gasatmosphäre im Ofen kontinuierlich mit dem Gasanalysator überwachen.Wenn eine Temperatur von 1.000 Grad Celsius erreicht ist, Sauerstoff mit einer Durchflussrate in den Ofen einleiten, um einen Sauerstoffpartialdruck von 10.000 Teilen pro Million zu erreichen, und mindestens zwei Stunden lang beibehalten. Nach zwei Stunden den Sauerstoffstrom abschalten. Bei strömendem Argongas den Ofen auf 500 Grad Celsius abkühlen lassen.Zerkleinern Sie die oxidierten Substrate, indem Sie die Tiegel rasch aus dem Ofen entnehmen. Tauchen Sie sie anschließend zur Abkühlung in entionisiertes Wasser. Ätzen Sie danach eine Seite der Substrate, indem Sie wiederholt einen Tropfen verdünnte Salpetersäure auftragen, um jegliches Kupferoxid von der Oberfläche zu entfernen.Setzen Sie die Ätzung fort, bis kein grauer Film mehr auf der Oberfläche des Kupferoxids sichtbar ist. Spülen Sie jedes Substrat unmittelbar nach der Ätzung mit entionisiertem Wasser ab und behandeln Sie es anschließend mit Ultraschall in Isopropanol; trocknen Sie die Substrate danach mit einer Luftpistole. Nachdem Gold auf die geätzte Seite der Substrate aufgebracht wurde, ätzen Sie die andere Seite der Substrate in verdünnter Salpetersäure, indem Sie einen Tropfen Säure auf die Oberfläche auftragen, wobei Sie darauf achten müssen, die Gold-Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite nicht zu ätzen.Nach dem Spülen und Trocknen der Substrate diese mit einer schwarzen isolierenden Farbe mithilfe eines Pinsels bedecken, wobei ein unmaskierter Bereich von etwa 0,1 Quadratzentimetern als aktive Fläche der Solarzelle freigelassen wird. Die Gold-Elektrode auf der Rückseite mit einem Marker abdecken. Nach dem Aufbau des AP-SALD-Reaktors die Blasenrate durch den Diethylzink-Vorläufer auf 6 Milliliter pro Minute und durch den Magnesium-Vorläufer auf 200 Milliliter pro Minute einstellen, um Zink-Magnesium-Oxid abzuscheiden.Als Nächstes stellen Sie die Durchflussrate des Stickstoff-Trägases für die Metallvorläufermischung auf 100 Milliliter pro Minute ein und lassen Stickstoff durch entionisiertes Wasser blubbern, das als Oxidationsmittel dient und mit Stickstoffgas verdünnt wird, das mit 200 Milliliter pro Minute strömt. Leiten Sie nun Stickstoff mit 500 Milliliter pro Minute zum Gasverteiler. Halten Sie den Gasverteiler über zirkulierendes Wasser auf einer Temperatur von 40 Grad Celsius. Erhitzen Sie anschließend die Station oder bewegliche Platte auf die gewünschte Temperatur. Stellen Sie die Probengröße, die Geschwindigkeit der Platte und die Anzahl der Oszillationen mit der Software ein, die die Platte steuert. Tragen Sie das gewünschte Oxid für 400 Oszillationen oder bis ein deutlich sichtbarer, dicker, homogener Film auf einem Objektträger erkennbar ist, auf.Nach der Abscheidung das Substrat auf eine Glasmaske legen und unter das Gasverteilerrohr (Gas Manifold) bringen. Den Kopf bzw. die Höhe des Gasverteilerrohrs auf 50 Mikrometer über dem Substrat einstellen. Die Zink-Magnesium-Oxid-Schichten abscheiden, indem zuerst das Ventil für den Magnesium-Vorläuferbubbler und anschließend das Ventil für den Zink-Vorläuferbubbler geöffnet wird.Danach die Platte unter dem Gasverteiler in Bewegung setzen, indem im Softwaremenü „Startabscheidung“ angeklickt wird. Den Wasserwaschflasche erst öffnen, nachdem das Substrat mit fünf Oszillationen der Metallvorläufer abgetastet wurde, um eine Exposition der Kupfer(I)-oxid-Oberfläche gegenüber dem Oxidationsmittel während der Erhitzung zu vermeiden. Sobald die Abscheidung abgeschlossen ist, die Substrate so schnell wie möglich von der beheizten Platte entfernen und die Ventile der Waschflaschen der Metallvorläufer schließen.Reinigen Sie die Gasleitungen im Verteiler mit einer Klinge, um jegliches abgelagerte Oxidpulver zu entfernen. Es ist wichtig, die Zeit zu minimieren, die die geätzten Kupfer(I)-oxid-Substrate auf der beheizten Platte an der Luft verbringen, da das Wachstum von Kupfer(I)-oxid auf der Oberfläche mit steigender Temperatur beschleunigt wird. Nach dem Aufsputtern von Indium-Zinn-Oxid auf die Substrate entfernen Sie die Markierung von der Goldelektrode mit Aceton, um die Elektrode freizulegen.Schließlich werden elektrische Kontakte angebracht, indem zwei dünne Drähte mit Silberleitpaste auf die Indium-Zinn-Oxid- und Gold-Elektroden geklebt werden. Die photothermischen Ablenkungsspektren geätzter und ungeätzter Kupfer(I)-oxid-Substrate zeigen eine Absorption oberhalb von 1,4 Elektronenvolt, die bei zwei Elektronenvolt sättigt und auf das Vorhandensein von Kupfer(I)-oxid auf der Substratoberfläche zurückgeführt werden kann. Das ungeätzte Substrat weist eine höhere Absorption unterhalb von zwei Elektronenvolt auf, was auf eine dickere Kupfer(II)-oxid-Schicht an der Oberfläche hindeutet.Das Vorhandensein von Kupfer(II)-oxid-Auswüchsen auf Kupfer(I)-oxid-Substraten wurde mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie bestätigt. Das REM-Bild einer typischen Oberfläche einer photovoltaischen Zelle zeigt Kupfer(II)-oxid-Auswüchse, die durch die Exposition von Kupfer(I)-oxid gegenüber Luft und Oxidationsmitteln entstehen. Im Gegensatz dazu ist die Oberfläche des optimierten Bauelements frei von Kupfer(II)-oxid-Auswüchsen.Eine sechsfache Steigerung der Geräteeffizienz wurde durch die Optimierung der Abscheidungsbedingungen von Zinkoxid erreicht. Geräte mit optimierten Zink-Magnesium-Oxid-Schichten erreichten eine noch höhere Effizienz von 2,2 Prozent. Die Spektren der externen Quanteneffizienz der beiden Geräte unterscheiden sich unterhalb von 475 Nanometern, was dem Wellenlängenbereich entspricht, der nahe der Grenzfläche absorbiert wird.Die externe Quanteneffizienz des Heteroübergangs, der bei höherer Temperatur hergestellt wurde, liegt unter der Hälfte derjenigen des Heteroübergangs bei niedrigerer Temperatur, was auf eine geringere Grenzflächenqualität aufgrund von mehr Kupfer(II)-oxid hindeutet. Die Optimierung der Wachstumsbedingungen für Zinkoxid mittels atmosphärischer ALD auf thermisch oxidiertem Kupfer(I)-oxid ermöglichte eine Verbesserung der Qualität der Heteroübergangs-Grenzfläche und der Leistung der Solarzelle. Die gleiche Optimierungsstrategie kann auf elektrochemisch abgeschiedene Kupfer(I)-oxid-Solarzellen angewendet werden.Wir haben kristallines Zink-Magnesium-Oxid atmosphärisch auf Kupferoxid abgeschieden, um die Leerlaufspannung in Heteroübergangssolarzellen zu erhöhen. Diese Arbeit berichtete über den bisher höchsten Wirkungsgrad von 2,2 Prozent für Cuprous-Oxid-Heteroübergänge, der außerhalb eines Vakuums erreicht wurde.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Chemistry

Chemie

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