Verbesserte Qualität Hetero in Cu _{2 O-basierte Hinterlegt
Zn 1-x Mg x O}

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.

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, eine qualitativ hochwertige Grenzfläche in Zinkoxid-Kupferoxid-Heteroübergängen zu erhalten, die außerhalb des Vakuums synthetisiert werden. Dies wird durch die räumliche Atomlagenabscheidung (AP-SALD) von Zinkoxidschichten auf thermisch oxidiertem Kupferoxid unter Atmosphärendruck erreicht. Die atmosphärische räumliche ALD ist eine Oxiddrucktechnik, die die Abscheidung von konformen Oxidschichten mit präziser Dickenkontrolle in einem eigenen, dualen kompatiblen Prozess bei Atmosphärendruck und niedriger Temperatur ermöglicht.

Unser räumliches ALD-System für den Atmosphärendruck ist ideal für die schnelle Synthese von hochwertigen, gleichmäßigen, kristallinen Mehrkomponenten-Metalloxiden für die Elektronik, wie in dieser Arbeit für Zink-Magnesiumoxid gezeigt. Schneiden Sie zunächst eine 0,127 Millimeter dicke Kupferfolie in 13 x 13 Millimeter große Quadrate und reinigen Sie sie durch Beschallung in Aceton. Trocknen Sie die Kupferfolienquadrate mit einer Luftpistole, um das restliche Aceton zu entfernen.

Legen Sie dann die getrockneten Substrate in einen Aluminiumtiegel und stellen Sie den Tiegel in einen Ofen. Erhitzen Sie die Kupferfolienquadrate auf 1.000 Grad Celsius mit einem kontinuierlichen Fluss von Argon. Überwachen Sie die Gasumgebung im Ofen mit dem Gasanalysator während der gesamten Oxidation

Wenn eine Temperatur von 1.000 Grad Celsius erreicht ist, führen Sie Sauerstoff mit einer Durchflussrate in den Ofen ein, um einen Sauerstoffpartialdruck von 10.000 Teilen pro Million zu erreichen, und halten Sie ihn mindestens zwei Stunden lang aufrecht. Schalten Sie nach zwei Stunden den Sauerstofffluss aus. Kühlen Sie den Ofen bei strömendem Argongas auf 500 Grad Celsius ab.

Zerkleinern Sie die oxidierten Substrate durch schnelles Zurückziehen der Tiegel aus dem Ofen. Tauchen Sie sie dann zum Abkühlen in entionisiertes Wasser. Ätzen Sie dann eine Seite der Substrate, indem Sie wiederholt einen Tropfen verdünnte Salpetersäure auftragen, um jegliches Kupferoxid von der Oberfläche zu entfernen.

Fahren Sie mit dem Ätzen fort, bis kein grauer Film mehr auf der Oberfläche des Kupferoxids sichtbar ist. Spülen Sie unmittelbar nach dem Ätzen jedes Substrat in entionisiertem Wasser und beschallen Sie es mit Isopropanol, dann trocknen Sie die Substrate mit einer Luftpistole. Nachdem Sie Gold auf die geätzte Seite der Substrate aufgetragen haben, ätzen Sie die andere Seite der Substrate in verdünnter Salpetersäure, indem Sie einen Tropfen Säure auf die Oberfläche auftragen, wobei Sie darauf achten, dass die Goldelektrode auf der anderen Seite nicht geätzt wird.

Nach dem Spülen und Trocknen der Substrate wird diese mit einem Pinsel mit einer schwarzen Isolierfarbe bedeckt, so dass eine unbedeckte Fläche von etwa 0,1 Zentimetern im Quadrat als aktive Fläche der Solarzelle übrig bleibt. Bedecke die Goldelektrode auf der Rückseite mit einem Marker. Nach dem Einrichten des AP-SALD-Reaktors wird die Blasengeschwindigkeit durch den Diethyl-Zink-Vorläufer auf 6 Milliliter pro Minute und 200 Milliliter pro Minute durch den Magnesium-Vorläufer eingestellt, um Zink-Magnesiumoxid abzuscheiden.

Als nächstes stellen Sie die Durchflussmenge des Stickstoffträgergases für das Metallvorläufergemisch auf 100 Milliliter pro Minute ein und blasen Stickstoff durch deionisiertes Wasser, das als Oxidationsmittel dient, verdünnt mit Stickstoffgas, das mit 200 Millilitern pro Minute fließt. Fließen Sie nun Stickstoff mit 500 Millilitern pro Minute in den Gasverteiler. Halten Sie den Gasverteiler über zirkulierendes Wasser auf einer Temperatur von 40 Grad Celsius.

Heizen Sie dann den Tisch oder die bewegliche Platte auf die gewünschte Temperatur. Stellen Sie die Probengröße, die Plattengeschwindigkeit und die Anzahl der Schwingungen mit der Software ein, die die Platte steuert. Das gewünschte Oxid für 400 Schwingungen oder bis ein klarer, dicker, homogener Film zu sehen ist, auf einen Objektträger auftragen.

Nach der Abscheidung wird das Subtrat auf eine Glasmaske gelegt und unter den Gasverteiler gelegt. Stellen Sie die Höhe des Kopfes oder Gasverteilers auf 50 Mikrometer über dem Substrat ein. Die Zink-Magnesiumoxid-Schichten abscheiden, indem zuerst das Ventil für den Magnesium-Vorläufer-Bubbler und dann das Ventil für den Zink-Vorläufer-Bubbler geöffnet wird.

Beginnen Sie dann mit dem Bewegen der Platte unter dem Gasverteiler, indem Sie in der Software auf Abscheidung starten klicken. Öffnen Sie den Wassersprudler erst, nachdem Sie das Substrat mit fünf Schwingungen von Metallvorläufern gescannt haben, um zu vermeiden, dass die Oberfläche von Kupferoxid während des Erhitzens dem Oxidationsmittel ausgesetzt wird. Wenn die Abscheidung abgeschlossen ist, entfernen Sie die Substrate so schnell wie möglich von der Heizplatte und schließen Sie die Bubblerventile der Metallvorprodukte.

Reinigen Sie die Gaskanäle im Verteiler mit einer Klinge, um abgelagertes Oxidpulver zu entfernen. Es ist wichtig, die Zeit, die die geätzten Kupferoxid-Substrate an der Luft auf der beheizten Platte verbringen, zu minimieren, da das Wachstum von Kupferoxid auf der Oberfläche mit der Temperatur beschleunigt wird. Entfernen Sie nach dem Sputtern von Indiumzinnoxid auf den Substraten den Marker mit Aceton von der Goldelektrode, um die Elektrode freizulegen.

Zum Schluss bringen Sie elektrische Kontakte an, indem Sie zwei dünne Drähte mit Silberpaste auf die Indiumzinnoxid- und Goldelektroden kleben. Die photothermischen Ablenkspektren von geätzten und ungeätzten Kupferoxidsubstraten zeigen eine Absorption von über 1,4 Elektronenvolt, bevor sie bei zwei Elektronenvolt gesättigt werden, was auf das Vorhandensein von Kupferoxid auf der Substratoberfläche zurückzuführen ist. Das ungeätzte Substrat hat eine höhere Absorption von weniger als zwei Elektronenvolt, was auf eine dickere Kupferoxidschicht auf der Oberfläche hindeutet.

Das Vorhandensein von Kupferoxid-Auswüchsen auf Kupferoxid-Substraten wurde durch energiedispersive Röntgenspektroskopie nachgewiesen. Das REM-Bild einer Standard-Photovoltaikzellenoberfläche zeigt Kupferoxid-Auswüchse, die durch die Einwirkung von Kupferoxid gegenüber Luft und Oxidationsmitteln gebildet wurden. Im Gegensatz dazu ist die Oberfläche des optimierten Gerätes frei von Kupferoxid-Auswüchsen.

Eine sechsfache Steigerung des Wirkungsgrads der Anlage wurde durch die Optimierung der Zinkoxid-Abscheidungsbedingungen erreicht. Geräte mit den optimierten Zink-Magnesiumoxid-Schichten erzielten einen noch höheren Wirkungsgrad von 2,2 Prozent. Die externen Quanteneffizienzspektren der beiden Geräte unterscheiden sich unterhalb von 475 Nanometern, dem Bereich der Wellenlängen, die in der Nähe der Grenzfläche absorbiert werden.

Die externe Quanteneffizienz des Heteroübergangs, der bei höherer Temperatur hergestellt wird, ist weniger als halb so hoch wie die des Heteroübergangs mit niedrigerer Temperatur, was auf eine Grenzfläche von geringerer Qualität aufgrund von mehr Kupferoxid hindeutet. Die Optimierung der Bedingungen für das Zinkoxidwachstum durch atmosphärische ALD für thermisch oxidiertes Kupferoxid ermöglichte eine Verbesserung der Grenzflächenqualität von Heteroübergängen und der Leistung der Solarzellen. Die gleiche Optimierungsstrategie kann auf elektrochemisch abgeschiedene Kupferoxid-Solarzellen angewendet werden.

Wir haben kristallines Zink-Magnesiumoxid atmosphärisch auf Kupferoxid abgeschieden, um die Leerlaufspannung in Heterojunction-Solarzellen zu erhöhen. Diese Arbeit berichtete über den bisher höchsten Wirkungsgrad von 2,2 Prozent für Kupferoxid-Heteroübergänge, die außerhalb eines Vakuums erhalten wurden.