Mejora de la Calidad Heterounión en Cu ₂ Células solares O-base través de la optimización de la presión atmosférica espacial Atómica capa depositada
Zn _1-x Mg _x O

Aquí se presenta un protocolo para la síntesis de Zn _1-x mg _x S / Cu ₂ O heterouniones en al aire libre a temperatura baja a través de la presión atmosférica espacial atómica deposición de capas (AP-SALD) de Zn _1-x mg _x S en óxido de cobre. Tales óxidos de metales de conformación de alta calidad pueden ser cultivadas en una variedad de sustratos, incluyendo plásticos de este método barato y escalable.

El objetivo general de este procedimiento es obtener una interfaz de alta calidad en heterouniones de óxido cuproso de óxido de zinc sintetizadas fuera del vacío. Esto se logra mediante la deposición de capas atómicas espaciales a presión atmosférica o AP-SALD de películas de óxido de zinc sobre óxido cuproso oxidado térmicamente. La ALD espacial atmosférica es una técnica de impresión de óxido que permite la deposición de películas de óxido conformado con un control preciso del espesor en su propio proceso compatible dual a presión atmosférica y baja temperatura.

Nuestro sistema ALD espacial de presión atmosférica es ideal para la síntesis rápida de óxidos metálicos multicomponente, uniformes, cristalinos y de alta calidad para la electrónica, como se ha demostrado para el óxido de zinc y magnesio en este trabajo. En primer lugar, corta una lámina de cobre de 0,127 milímetros de grosor en cuadrados de 13 por 13 milímetros y límpiala sonicando con acetona. Seque los cuadrados de papel de cobre con una pistola de aire para eliminar la acetona residual.

Luego, coloque los sustratos secos en un crisol de aluminio y coloque el crisol en un horno. Caliente los cuadrados de papel de cobre a 1.000 grados centígrados con un flujo continuo de argón. Controle el ambiente de gas en el horno con el analizador de gas durante toda la oxidación.

Cuando se alcanza una temperatura de 1.000 grados centígrados, se introduce oxígeno en el horno a un caudal para obtener una presión parcial de oxígeno de 10.000 partes por millón y se mantiene durante al menos dos horas. Después de dos horas, corte el flujo de oxígeno. Con el gas argón fluyendo, enfríe el horno a 500 grados centígrados.

Triture los sustratos oxidados mediante la retirada rápida de los crisoles del horno. Luego, sumérjalos en agua desionizada para que se enfríen. A continuación, grabe un lado de los sustratos aplicando repetidamente una gota de ácido nítrico diluido para eliminar el óxido cúprico de la superficie.

Continúe grabando hasta que no se vea una película gris en la superficie de óxido cúprico. Inmediatamente después del grabado, enjuague cada sustrato con agua desionizada y sonicate con isopropanol, luego seque los sustratos con una pistola de aire. Después de depositar oro en el lado grabado de los sustratos, grabe el otro lado de los sustratos en ácido nítrico diluido aplicando una gota de ácido sobre la superficie, asegurándose de no grabar el electrodo de oro en el otro lado.

Después de enjuagar y secar los sustratos, cúbralos con una pintura aislante negra con un pincel, dejando un área sin enmascarar de aproximadamente 0,1 centímetros cuadrados como área activa de la célula solar. Cubra el electrodo de oro en la parte posterior con un marcador. Después de configurar el reactor AP-SALD, ajuste la tasa de burbujeo a través del precursor de dietilo y zinc a 6 mililitros por minuto y 200 mililitros por minuto a través del precursor de magnesio para depositar óxido de zinc y magnesio.

A continuación, ajuste el caudal del gas portador de nitrógeno para la mezcla de precursores metálicos a 100 mililitros por minuto y burbujee nitrógeno a través de agua desionizada, que sirve como oxidante, diluido con gas nitrógeno que fluye a 200 mililitros por minuto. Ahora, haga fluir nitrógeno a 500 mililitros por minuto al colector de gas. Mantenga el colector de gas a una temperatura de 40 grados centígrados a través de la circulación de agua.

A continuación, caliente la platina o la platina móvil a la temperatura deseada. Ajuste el tamaño de la muestra, la velocidad de la platina y el número de oscilaciones con el software que controla la platina. Deposite el óxido deseado en un portaobjetos de vidrio durante 400 oscilaciones o hasta que se pueda ver una película clara, gruesa y homogénea.

Después de la deposición, coloque el sustrato sobre una máscara de vidrio y colóquelo debajo del colector de gas. Ajuste la altura, o la altura del colector de gas, a 50 micrómetros por encima del sustrato. Deposite las películas de óxido de zinc y magnesio abriendo primero la válvula para el burbujeador de precursores de magnesio, seguida de la válvula para el burbujeador de precursores de zinc.

Luego, comience a mover la platina debajo del colector de gas haciendo clic en Iniciar deposición en el software. Abra el burbujeador de agua solo después de escanear el sustrato con cinco oscilaciones de precursores metálicos para evitar la exposición de la superficie del óxido cuproso al oxidante mientras se calienta. Una vez finalizada la deposición, retire los sustratos de la platina calentada lo más rápido posible y cierre las válvulas burbujeadoras de los precursores metálicos.

Limpie los canales de gas en el colector con una cuchilla para eliminar cualquier polvo de óxido depositado. Es importante minimizar el tiempo que los sustratos de óxido cuproso grabados pasan al aire libre en la platina calentada, ya que el crecimiento de óxido cuproso en la superficie se acelera con la temperatura. Después de pulverizar óxido de indio y estaño sobre los sustratos, retire el marcador del electrodo de oro con acetona para exponer el electrodo.

Finalmente, aplique los contactos eléctricos pegando dos cables delgados con pasta de plata sobre los electrodos de óxido de indio y estaño y oro. Los espectros de deflexión fototérmica de los sustratos de óxido cuproso grabados y no grabados muestran una absorción superior a 1,4 electronvoltios antes de saturarse a dos electronvoltios, lo que puede atribuirse a la presencia de óxido cuproso en la superficie del sustrato. El sustrato no grabado tiene una mayor absorción por debajo de dos electronvoltios, lo que sugiere una capa de óxido cúprico más gruesa en la superficie.

La presencia de excrecencias de óxido cúprico en sustratos de óxido cuproso se verificó mediante espectroscopia de rayos X de dispersión de energía. La imagen SEM de la superficie de una célula fotovoltaica estándar muestra excrecencias de óxido cúprico formadas debido a la exposición del óxido cuproso al aire y a los oxidantes. Por el contrario, la superficie del dispositivo optimizado está libre de excrecencias de óxido cúprico.

Se logró un aumento de seis veces en la eficiencia del dispositivo mediante la optimización de las condiciones de deposición de óxido de zinc. Los dispositivos con las películas optimizadas de óxido de zinc y magnesio produjeron una eficiencia aún mayor, del 2,2 por ciento. Los espectros de eficiencia cuántica externa de los dos dispositivos difieren por debajo de los 475 nanómetros, que es el rango de longitudes de onda absorbidas cerca de la interfaz.

La eficiencia cuántica externa de la heterojunción hecha a una temperatura más alta es menos de la mitad que la de la heterojunción a temperatura más baja, lo que sugiere una interfaz de menor calidad debido a una mayor cantidad de óxido cúprico. La optimización de las condiciones para el crecimiento de óxido de zinc por ALD atmosférico para óxido cuproso oxidado térmicamente permitió una mejora en la calidad de la interfaz de heterounión y el rendimiento de las células solares. La misma estrategia de optimización se puede aplicar a las células solares de óxido cuproso depositadas electroquímicamente.

Hemos depositado atmosféricamente óxido cristalino de zinc y magnesio sobre óxido de cobre para aumentar el voltaje de circuito abierto en las células solares de heterounión. Este trabajo reportó la eficiencia más alta hasta la fecha de 2.2 por ciento para heterouniones de óxido cuproso obtenidas fuera del vacío.