Name: 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 (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Aprende a sintetizar heterouniones Zn₁₋ₓMgₓO/Cu₂O mediante deposición atómica espacial a presión atmosférica para mejorar la eficiencia de células solares. Este método optimiza la calidad de la interfaz y aumenta el rendimiento fotovoltaico.

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Los autores agradecen el apoyo del Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, la Fundación Rutherford de Nueva Zelanda, el Girton College de Cambridge. Este trabajo ha sido financiado por ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 y por el EPSRC (bajo RGS3717).

1. Preparación de Óxido cuproso Sustratos <ol><li> La oxidación de lámina de cobre <ol><li> Cortar 0,127 mm de espesor de lámina de cobre en 13 mm x 13 mm cuadrados y limpia por sonicación en acetona. </li><li> Calentar lámina de cobre a 1.000 ° C, mientras que fluye continuamente gas Ar a través del horno. Monitorear el ambiente de gas en el horno con un analizador de gas en toda la oxidación. Cuando se alcanza la temperatura de 1000 ° C, introducir oxígeno en el horno a una velocidad de flujo para obtener la presión parcial de 10.000 ppm de oxígeno y mantener que durante al menos 2 hr. Después de 2 horas, apague el oxígeno, pero mantener el gas que fluye Ar. </li><li> Enfriar el horno a 500 ° C (mantener fluir el gas Ar). Saciar las muestras oxidadas por la rápida retirada de los crisoles del horno. Sumergir los sustratos en agua desionizada para que se enfríen más rápido. </li></ol></li><li> Aguafuerte de Cu2O <ol><li> Etch un lado de los sustratos aplicando repetidamenteuna gota de ácido nítrico diluido (1: 1 mezcla de H 2 O y 70% HNO 3) para eliminar cualquier óxido cúprico de la superficie. Continuar hasta el grabado ninguna película gris es visible en la superficie Cu2O. PRECAUCIÓN: Este procedimiento se realiza en una campana de humos. </li><li> Inmediatamente después del grabado, enjuague cada sustrato en agua desionizada y sonicar en isopropanol. Secar con una pistola de aire. </li><li> Depósito de 80 nm de oro en la parte grabada de los Cu2O sustratos mediante la evaporación de un 1 g de pellets de oro colocado en un barco de tungsteno dentro de un evaporador de resistencia. Uso presión base de 8 x 10 -6 mbar y corriente de 4 A para llegar a la velocidad de evaporación de 0,8 Å / seg. </li><li> Grabar el otro lado de los sustratos en ácido nítrico diluido mediante la aplicación de una gota de ácido sobre la superficie. Asegúrese de que el ácido no grabar la película de oro en el otro lado. Enjuague y someter a ultrasonidos como se describe en la sección 1.2.2. </li><li> Cubrir los sustratos con una pintura aislante negro (uso de alta temperatura de correoesmalte Ngine) mediante el uso de un cepillo de pintura, dejando un área no enmascarada de aproximadamente 0,1 cm 2 como el área activa de la célula solar. Cubrir el electrodo de oro en la parte de atrás con un rotulador por completo. </li></ol></li></ol> 2. Depósito de Zn 1-x Mg x O Uso de Reactor AP-SALD Nota:.. Depósito de Zn 1-x Mg x o películas sobre el lado sin máscara de Cu2O sustratos 13 En este trabajo, se utilizó un reactor AP-SALD a medida, adaptado del diseño original desarrollado por Kodak 11,12 Detalles de la personalización del reactor se dan en la Ref. 12. <ol><li> Puesta en marcha del sistema de AP-SALD de la siguiente manera: <ol><li> Utilice dietilzinc (DEZ) como el precursor y bis magnesio Zn (etilciclopentadienil) como el precursor Mg. Estos son precursores líquidos contenían cada una en sus peleles de vidrio separadas. Los precursores son pirofóricos y nunca deben entrar en contacto con el aire o el agua. El sistema de depósito es estanca a los gases. </li><li> Para zinc deposición de óxido, ajustar la tasa de burbujeo de gas nitrógeno a través de la dietilcinc a 25 ml / min, que está contenido a temperatura ambiente (20 ° C). Para zinc deposición de óxido de magnesio, ajustar la fracción de gas de cada precursor mediante el establecimiento de la tasa de formación de burbujas a través de la dietilcinc a 6 ml / min y 200 ml / min a través de la bis (etilciclopentadienil) magnesio (que se calienta a 55 ° C) para controlar a Zn de Mg en el Zn 1-x mg x O. </li><li> Ajuste la velocidad de flujo del gas portador de nitrógeno de la mezcla de precursor de metal de 100 ml / min. gas nitrógeno de la burbuja a 100 ml / min a través de agua desionizada, que se emplea como oxidante. Este vapor se diluye con gas portador de nitrógeno fluyendo a 200 ml / min. </li><li> El flujo de gas nitrógeno a 500 ml / min para el colector de gas. En el colector de gas AP-SALD, este gas de nitrógeno se divide a cuatro canales separados. Cada canal sirve para separar espacialmente los dos canales de oxidante del canal de mezcla precursor de metal entre ellos. </li></ol&gt; </li><li> Mantenga el colector de gas a una temperatura de 40 ° C a través de agua en circulación. Calentar la etapa (platina móvil) a la temperatura deseada (50 - 150 ° C). </li><li> Establecer las deseadas de muestra a la cabeza distancia, el tamaño de la muestra, la velocidad de la platina (50 mm / seg) y el número de oscilaciones (ciclos) con el software de control de la platina. La velocidad de deposición es ZnO 1,1 nm / seg (o por ciclo) y el Zn 1-x Mg x O velocidad de deposición es de aproximadamente 0,54 nm / seg a 150 ° C. Un número típico de los ciclos de deposición es de 200. </li><li> Depositar el óxido deseado en un portaobjetos de vidrio para 400 oscilaciones o hasta una película homogénea de espesor clara puede ser visto. </li><li> Colocar el sustrato en una máscara de cristal, si es necesario, luego se coloca bajo el colector de gas. Ajustar la cabeza (colector de gas) de altura a 50 m por encima del sustrato. </li><li> Depositar el Zn 1-x Mg x O películas de la primera apertura de las válvulas para el burbujeador precursor de Mg, a continuación, el precursor de burbujeo Zn, a continuación, iniciar moving de la platina en el marco del colector de gas haciendo clic en &quot;iniciar la deposición&quot; en el software. Abra la O burbujeador H 2 solamente después de escanear el sustrato con 5 oscilaciones de precursores metálicos con el fin de evitar la exposición Cu 2 O superficie para el oxidante, mientras se calienta. </li><li> Una vez finalizada la deposición, retire los Cu2O sustratos de la placa calentada lo más rápido posible y cerrar las válvulas de burbujeo de los precursores metálicos. Limpiar los canales de gas en el colector con una cuchilla para eliminar cualquier polvo de óxido depositado. Iniciar el siguiente ciclo de deposición como se describe en 2.6. </li><li> Cuando haya terminado, purgar el sistema durante 30 minutos antes de cerrar las válvulas de nitrógeno. </li></ol> 3. Sputtering de ITO <ol><li> Por pulverización catódica 175 nm de óxido de indio y estaño (ITO) por magnetrón de corriente continua pulverización 20 en las siguientes condiciones:. Potencia 20 W, la presión de base &lt;10 -9 mbar, Ar presión 2,5 Pa a una velocidad de pulverización catódica de 35 nm / min, por pulverización catódica ITO durante 5 min para una película de ITO 175 nm de espesor. El ITO / ZnO / Cu 2 O heterounión resultante se muestra en la Figura 3. </li></ol> 4. Acabado de los dispositivos <ol><li> Limpiar el rotulador del electrodo de oro con acetona para exponer el electrodo de oro. </li><li> Aplicar contactos eléctricos pegando 2 hilos finos con pasta de Ag sobre los electrodos de ITO y Au. </li></ol>

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</ol>

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Los pasos críticos en el protocolo están estipulados por el Cu2O de oxidación de la superficie del sustrato CuO. Estos incluyen el grabado de los sustratos en ácido nítrico diluido para eliminar cualquier CuO después de la oxidación, así como después de la evaporación del electrodo de oro, lo que minimiza los sustratos tiempo que pasan en el aire abierto antes de que el Zn 1 x-Mg x O deposición y, finalmente, la deposición de Zn-1 x mg x S en Cu2O sustratos por AP-SALD. La ventaja de AP-SALD comparación con ALD convencional es que las películas se pueden crecer fuera de un vacío con una tasa de crecimiento que es de uno a dos órdenes de magnitud más alto. Sin embargo, esto implica que el Cu 2 O sustratos tienen que estar expuestos a los oxidantes en el aire a temperatura elevada al menos justo antes de la deposición, que es suficiente para que una delgada capa de CuO para formar en la superficie. Esta aparentemente limita la aplicación del método de AP-SALD en cierta materia sensible a la oxidaciónls. Sin embargo, mediante la optimización de las condiciones de AP-SALD tales como la temperatura y el tiempo, así como reducir al mínimo Cu 2 exposición O al aire y la humedad, un aumento de seis veces en la eficiencia de conversión de 2 O dispositivos ZnO / Cu hace usando AP-SALD se logró . La mejora vino de la comprensión de que Cu 2 O a la oxidación CuO es el principal factor limitante de óxido de cobre como material en las células solares de heterounión y modificar el protocolo de fabricación en consecuencia. Con el fin de evitar completamente la oxidación de óxido cuproso, los sustratos tienen que ser mantenidos en una atmósfera inerte o en vacío todo el tiempo, que puede ser un reto cuando se emplea una técnica de deposición al aire libre tales como AP-SALD. Mientras que la oxidación de Cu 2 O se evita en técnicas basadas en vacío 3,18, para la fabricación a gran escala, es importante que este problema puede reducirse al mínimo en los procesos de fabricación atmosféricos. En AP-SALD, la superficie del sustrato puede estar expuesto aagentes reductores antes de la formación de la heterointerface, y por el equilibrio de la oxidación de Cu 2 O con la reducción de CuO mediante el uso de gas de formación durante la deposición del óxido de tipo n. 25 El agente reductor utilizado en AP-SALD podría ser una mezcla de un gas inerte con un gas reductor (por ejemplo, N 2 + 5% H 2 25), o un número de ciclos con un precursor de la reducción antes de la deposición, es decir, ciclos libres de agua, con el fin de reducir CuO de nuevo a Cu 2 O justo antes del óxido de ZnO comienza a crecer en su superficie. En este trabajo, un protocolo estándar ha sido desarrollado que minimiza la formación de CuO optimización de las operaciones de fabricación de procesamiento de Cu O 2 y el grabado a la formación de unión pn por AP-SALD en al aire libre. El éxito de este trabajo demuestra el potencial de la AP-SALD como un método prometedor para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos baratos y escalables. La técnica se puede utilizar para DEPOS rápidasition de una variedad de óxidos de metal semiconductor n- y de tipo p, así como el bloqueo, tampón y capas de barrera en las células solares sobre sustratos sensibles al calor como plásticos.

Óxido cuproso (Cu 2 O) es un material semiconductor de tipo p no tóxico tierra-abundante 1. Con un intervalo de banda de 2 eV, óxido de cobre puede cumplir el papel de absorbente de luz en las células solares de heterounión o en tándem. En las células solares de heterounión, Cu 2 O se conoce para ser emparejado con una variedad de tipo n grandes semiconductores de banda prohibida, tales como ZnO 2 y sus variaciones dopadas 3,4, Ga 2 O 3 5,6 y TiO 2 7 (Para una más resumen detallado de Cu2O fotovoltaica ver Ref. 8). El desarrollo de Cu 2 O células solares de heterounión base se presenta en la Figura 1, donde se indica el método de síntesis de la heterounión al lado de cada punto de datos. Uno puede observar que los métodos basados ​​en el vacío, tales como deposición por impulsos de láser (PLD) o la deposición de capa atómica (ALD) permitida para la eficiencia de conversión de energía más altos que se deben alcanzar (hasta 6,1% 9). en contrast, las eficiencias de los métodos de síntesis sin vacío tales como la deposición electroquímica (ECD) se han mantenido bajos. Sin embargo, para la fotovoltaica de bajo coste que es mejor para sintetizar la heterounión fuera de un vacío. Si bien una técnica escalable sin vacío de la formación de heterounión es una alternativa más adecuada, sigue siendo un reto para producir una interfaz de alta calidad por tales métodos. Óxidos En este trabajo se utilizan una al aire libre, escalable proceso de deposición de película delgada llamada presión atmosférica espacial atómica deposición de capas (AP-SALD) crezca de tipo n para Cu 2 O células solares basadas. El avance de la AP-SALD sobre ALD convencional es que en el primero, precursores están separados en el espacio en lugar de en el tiempo 10. Durante el proceso de deposición, un sustrato oscila atrás y adelante sobre una placa calentada bajo un colector de gas que contiene canales de gas precursoras separadas por canales de gas inerte, como se muestra en la Figura 2. El gas de nitrógeno que porta los precursORS fluye verticalmente a través del colector de gas hacia abajo, hacia la placa lateralmente en movimiento. Debido a las oscilaciones de la placa, cada punto sobre el sustrato se expone secuencialmente a los oxidantes y metal precursores, como se ilustra en la Figura 2. Esto permite que la película de óxido metálico a crecer capa por capa. Una descripción detallada del diseño del reactor AP-SALD y la operación se puede encontrar en otros lugares. 11,12 Este enfoque permite la deposición que se produzca uno o dos órdenes de magnitud más rápido que la ALD convencional y de vacío exterior, lo que es compatible con el procesamiento de rollo a rollo . Películas de óxido de conformal de alta calidad producidos por AP-SALD pueden ser depositados a temperaturas bajas (&lt;150 ° C) en una variedad de sustratos, incluyendo plásticos, que permite a las películas AP-SALD que se aplicará a los dispositivos funcionales de bajo coste tales como las células solares 13 , diodos emisores de luz 14 y los transistores de película delgada 15. El colector de gas AP-SALD por encargoutilizado en este trabajo se mantuvo mecánicamente sobre el sustrato colocado en el rodillo. Esto permitió el control del sustrato-colector de separación independiente de las velocidades de flujo de gas. Se utilizó un gran espaciamiento de 50 m, lo que resultó en el entremezclado entre el precursor de metal y el oxidante en la fase de gas. Por lo tanto, el reactor AP-SALD fue operado en el modo de deposición de vapor químico (CVD). Este se encontró que era ventajoso sobre operativo en el modo de ALD porque las películas se hicieron crecer a una tasa más alta, pero aún con alta uniformidad de espesor y fueron cristalina cuando se deposita en las mismas temperaturas como películas ALD. 12 Aquí, todavía se refieren al reactor como un reactor AP-sALD porque tiene los mismos principios de diseño fundamentales que los demás reactores AP-sald. 11 Utilizamos nuestra reactor para depositar la capa de tipo n para nuestras células solares, en particular, óxido de zinc y óxido de magnesio zinc (Zn 1-x Mg x O 16,17). La incorporación de Mg into ZnO permite a la banda de conducción a ser sintonizado, que es importante para reducir las pérdidas debidas a thermalization banda de cola 13 y la recombinación interfacial 18,19. Aquí mostramos cómo sintonizar las condiciones para depositar películas de óxido de óxido de zinc y magnesio de zinc sobre sustratos de óxido cuproso oxidados térmicamente permitidos para mejorar la calidad de interfaz y, por tanto, mejor rendimiento de la célula solar a obtener. Esta mejora ha sido posible gracias a la identificación del factor limitante importante en Cu2O basados ​​células solares: la recombinación en la interfaz de heterounión debido a una excesiva formación de óxido cúprico (CuO) en la superficie de Cu 2 O.

<table><tbody><tr><td>Lámina de cobre</td><td>Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar</td><td>13380</td><td>0,127 mm de espesor, 99,9% (base de metales), recocido</td></tr><tr><td>Rapidox Analizador de oxígeno</td><td>Rapidox</td><td>Modelo 2100</td><td></td></tr><tr><td>Barco de alúmina</td><td>Almath Crucibles Ltd 6121203</td><td></td><td>Dimensiones 20 mm x 50 mm; mm x 5 &nbsp; mm</td></tr><tr><td>Pellets de oro</td><td>KJLC EVMAUXX40G</td><td></td><td>99.99% puro, 1/8" x 1/8", vendido por el gramo</td></tr><tr><td>Dietilzinc</td><td>Aldrich</td><td>256781</td><td>&ge; 52 % en peso de Zn base</td></tr><tr><td>Bis(etilciclopentadienil)magnesio</td><td>Strem Chemicals UK</td><td>12-0510</td><td>5 g</td></tr><tr><td>objetivo ITO</td><td>GoodFellow Cambridge Limited</td><td>LS 427438</td><td>Óxido de indio/Óxido de estaño objetivo (In2O3 90 / SnO2 10). Condición: Prensado en caliente. Grosor: 2.0&nbsp; milímetro &#177; 0.5&nbsp;mm. Tamaño: 35.5&nbsp; mm x 55.5&nbsp; milímetro &#177; 0.5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Pintura de esmalte de motor VHT</td><td>Halfords</td><td>325019</td><td>esmalte de motor de muy alta temperatura pintura negra</td></tr><tr><td>Ácido nítrico HNO3, reactivo ACS 70%&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich Co Ltd</td><td>438073-2.5L</td><td>Nocivo, irritante</td></tr><tr><td>2% Oxígeno/Argón 200 bar</td><td>BOC Limited</td><td>225757-L mezcla de</td><td>gases para la oxidación de láminas de Cu, para diluir con Ar</td></tr></tbody></table>

mejora de la calidad heterounión en cu<sub&gt; 2</sub&gt; células solares o-base través de la optimización de la presión atmosférica espacial atómica capa depositada<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

Se utilizó la deposición de la capa atómica espacial a presión atmosférica (AP-SALD) para depositar películas delgadas de ZnO y Zn1-xMgxO de tipo n sobre sustratos de Cu2O oxidados térmicamente de tipo p fuera del vacío a baja temperatura. El rendimiento de los dispositivos fotovoltaicos con heterounión de ZnO/Cu2O fabricada atmosféricamente dependió de las condiciones de deposición de la película AP-SALD, es decir, la temperatura y el tiempo de deposición del sustrato, así como de la exposición del sustrato de Cu2O a agentes oxidantes antes y durante la deposición de ZnO. La oxidación superficial de Cu2O a CuO se identificó como un factor limitante para la calidad de la heterounión debido a la recombinación en la interfaz ZnO/Cu2O. La optimización de las condiciones de AP-SALD, así como el mantenimiento del Cu2O alejado del aire y la humedad para minimizar la oxidación de la superficie de Cu2O, mejoró el rendimiento del dispositivo. Un aumento tres veces en el voltaje de circuito abierto (hasta 0,65 V) y un aumento dos veces en la densidad de corriente de cortocircuito produjeron células solares con una eficiencia de conversión de energía (PCE) récord del 2,2%. Este PCE es el más alto reportado para una heterounión de Zn1-xMgxO/Cu2O formada fuera del vacío, lo que destaca la presión atmosférica espacial ALD como una técnica prometedora para la fabricación económica y escalable de energía fotovoltaica basada en Cu2O.

Termodinámicamente, CuO es la única fase estable de óxido de cobre en el aire a temperatura ambiente, como el diagrama de estabilidad de fase Cu-O revela 21-23. Para verificar la presencia de CuO sobre la superficie de Cu 2 O, espectros de absorción de la grabado y no grabado térmicamente oxidada Cu 2 O sustratos fueron tomadas con espectroscopia fototérmica deflexión (PDS) - una técnica muy sensible que permite la medición de la absorción brecha sub-banda 24 (Figura 4). Ambos espectros mostraron absorción por encima de 1,4 eV, que coincide con la banda prohibida de CuO, antes de saturar a las 2 eV (Cu 2 O brecha de banda). El sustrato no grabado tenía una mayor absorción por debajo de 2 eV, lo que sugiere una capa más gruesa de CuO sobre la superficie de Cu sin grabar 2 O que en el substrato grabado al agua fuerte. El recuadro en la figura 4 muestra una capa gris de CuO en el Cu 2 sustrato como oxidado (sin grabar) O. Mientrasninguna película gris se pudo detectar visualmente sobre el sustrato grabado al agua fuerte, algunos CuO estaba todavía presente en su superficie, ya que las mediciones PDS sugiere. La presencia de una película de CuO muy delgada sobre la superficie de Cu2O sustratos también se confirmó con espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) 19,25. Óxido cúprico presente en el 2 O superficie Cu presenta estados de nivel profundo de trampas (Cu2 +) 18 en la interfaz de heterounión que pueden actuar como centros de recombinación y, por lo tanto, la presencia de CuO en la unión pn es indeseable. Calefacción Cu2O sustratos en presencia de oxidantes (por ejemplo, aire y humedad) facilita la oxidación de Cu2O de CuO. Con el fin de obtener ZnO policristalino por AP-SALD, los sustratos se calientan a 150 ° C. A medida que el sustrato se mantiene a temperatura elevada en aire libre o bajo el gas oxidante durante la deposición, CuO forma rápidamente en el Cu <sub&gt; 2 O superficie. La Figura 5 muestra microscopía electrónica de barrido (SEM) imágenes de un grabado al agua fuerte Cu2O sustrato antes y después de pasar 3 minutos sobre la placa AP-SALD a 150 ° C en corriente de nitrógeno. Múltiples excrecencias CuO se pueden ver en el sustrato de recocido, con su composición es cercana a la de CuO como verificada por espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDX). Los dispositivos fotovoltaicos se hicieron con ZnO depositado por AP-SALD a 150 ° C durante 400 seg en la parte superior de los grabados oxidados térmicamente Cu2O sustratos. La figura 6A muestra la superficie de este dispositivo estándar. Uno puede notar numerosas excrecencias de varilla y flor-como presentes en el dispositivo. Como se confirma antes con EDX y PDS, estos crecimientos son el óxido cúprico y se producen debido a Cu2O exposición al aire y oxidantes. Tabla 1 y la Figura 7 ( &#39;ZnO / Cu2O estándar&#39; cUrve) demuestran el rendimiento relativamente bajo de este dispositivo. Con el fin de evitar la formación de CuO sobre la superficie de Cu O 2, se optimizaron las condiciones para el depósito de ZnO por AP-SALD en los grabados oxidados térmicamente Cu2O sustratos. Se tomaron las siguientes medidas con el fin de minimizar el crecimiento de CuO: reducción de la temperatura de deposición (Figura 8A); reducción del tiempo de deposición (Figura 8B); la exploración de la superficie del sustrato durante unos oscilaciones sin exposición al gas oxidante, es decir, con sólo precursores metálicos y canales inertes abierta (Figura 8C); y finalmente, la evitación de un calentamiento innecesario de desnudos Cu2O sustratos en el aire justo antes del inicio de la deposición. Se encontró que los parámetros óptimos de la deposición de ZnO en Cu 2 O para ser 100 ° C, 100 segundos y 5 ciclos libres de agua. La superficie del dispositivo optimizado estaba libre de CuO outgrowths, como se demuestra en la Figura 6B. La densidad característica tensión-corriente (JV) de la ZnO / Cu dispositivo 2 O optimizado se compara con el dispositivo estándar en la Figura 7. El rendimiento fotovoltaico de ambos dispositivos estándar y optimizados ZnO / Cu 2 O se presenta en la Tabla 1. Puede se observa que, siguiendo las cuatro medidas anteriormente mencionadas, se consiguió un aumento de seis veces en la eficiencia de conversión de potencia de los dispositivos. Para aclarar aún más el efecto de la optimización de las condiciones AP-SALD en la reducción de CuO y la calidad de heterounión, la eficiencia cuántica externa (EQE) las mediciones se realizaron en dispositivos con ZnO depositadas en 150 ° C y 100 ° C (Figura 9). Los espectros de EQE de los dos dispositivos, mientras que es similar a longitudes de onda superiores a 475 nm, difiere significativamente en longitudes de onda por debajo de 475 nm, que es la gama de longitud de onda<html> s absorbe cerca de la interfaz. Para la radiación de longitud de onda más corta, el EQE del dispositivo con ZnO hecho a temperatura más alta era menos de la mitad del dispositivo con ZnO hecho a temperatura más baja. Esto sugiere que el óxido cúprico más estuvo presente en la interfaz 2 O ZnO / Cu hecho a temperatura más alta, lo que redujo la colección de carga de la región cerca de la heterointerface debido al aumento de la recombinación. Mg se incorporó en películas AP-SALD de ZnO con el fin de elevar la banda de conducción de ZnO y para reducir la recombinación adicional 15. Zn 1-x mg x O / Cu2O células solares fueron hechas con las optimizadas Zn 0,8 mg 0,2 O películas, lo que resulta en un 2,2% PCE dispositivo - células solares basadas-O la más alta hasta la fecha para el Cu 2 con al aire libre fabricados heterouniones (ver el rendimiento del dispositivo en la figura 7 y en la Tabla 1). contenido &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig1.jpg" /> Figura 1. Cu 2 S basadas en la eficiencia de la célula solar por año de publicación (Esta figura se ha modificado de la Ref. 8). Los marcadores indican si la interfaz se formó en vacío o en atmósfera (no vacío) y las etiquetas indican el método de formación de heterounión. MSP - pulverización catódica, IBS - haz de pulverización de iones, VAPE - evaporación al vacío de plasma de arco. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig1large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig2.jpg" /> Figura 2. Esquema del proceso de deposición AP-SALD (en comparación con ALD convencional) y puesta a punto para la producción de buey de metal multicomponenteidus. (A) la exposición secuencial de cada etapa precursora y de purga en la ALD convencional (delta-dopaje) (Esta figura se ha reproducido de Ref. 11). En el contexto de este manuscrito, M1 es el vapor de dietilzinc, vapor de magnesio M2 bis (etilciclopentadienilo), y vapor de agua O1 y O2. (B) la exposición secuencial de la mezcla de precursor de metal (co-inyección), canales de gas inerte (equivalente a paso &#39;purga&#39;) y el oxidante en la AP-SALD (Esta figura se ha reproducido de Ref. 11). (C) Representación esquemática de un reactor de AP-SALD general, que muestra los precursores espacialmente separadas por canales de gas inerte, con el sustrato oscilado por debajo de los diferentes canales (Esta figura se ha reproducido de Ref. 11, que es una modificación de uno en la Ref. 26). (D) Vista general esquemática de los componentes importantes de un sistema de AP-SALD con microscopía de fuerza atómica (AFM) imágenes que muestran la morfología de lasustrato antes y después de Zn 1-x Mg x O deposición (Esta figura se ha reproducido de Ref. 13). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig2large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="figura 3" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig3.jpg" /> Figura 3. Imagen de la sección transversal SEM de ITO / ZnO / Cu2O heterounión (Esta figura se ha reproducido de Ref. 8). Revestimiento de conformación de Cu2O sustrato con películas de ZnO y ITO se puede observar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig3large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig4.jpg" /> Figura 4. PDS espectros de grabado y no grabado (as-oxi<html> dized) Cu2O sustratos (Esta figura se ha modificado de la Ref. 8). Los recuadros muestran fotografías de los sustratos de óxido de cobre grabadas y sin grabar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig4large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig5.jpg" /> Figura 5. Imágenes de SEM de la superficie de un sustrato de Cu 2 O cuando (a) recién grabado y (B) después de recocido a 150 ° C en aire durante 3 minutos (Esta figura se ha reproducido de Ref. 8). Superficie muestran recuadros composición adquirida con EDX. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig5large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <html> 501 / 53501fig6.jpg &quot;/&gt; Figura 6. Imágenes de SEM de la superficie / Cu2O células solares hechas usando ZnO (A) condiciones estándar y (B) las condiciones optimizadas de AP-SALD ZnO (Esta figura se ha reproducido de Ref. 8). Varios excrecencias pueden ser visto en el dispositivo estándar. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig6large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig7.jpg" /> Figura 7. Características JV Luz de Zn 1-x mg x O / Cu2O células solares fabricadas en condiciones AP-sald estándar y optimizados (Esta figura se ha modificado de la Ref. 8). Las curvas de JV demuestran mejora el rendimiento solar celular cuando la composición y AP-sald condiciones del Zn-1 x mg de X se optimizan O películas.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig8.jpg" /> Figura 8. El efecto de los parámetros AP-SALD en el rendimiento de ZnO / Cu2O células solares. (A) y (B) El efecto de la AP-SALD ZnO tiempo de deposición y la temperatura sobre la tensión de circuito abierto (V oc) de los dispositivos (Esta figura se ha reproducido de Ref. 8), (C) correlación de agua ciclos libres con el V oc de los dispositivos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig8large.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig9.jpg" /> Figura 9. EQE SPECTRuna de ZnO / Cu2O células solares con ZnO depositadas a 100 ° C y 150 ° C. (Esta figura se ha reproducido de Ref. 8). Tensión de circuito abierto de los dispositivos se indica en la leyenda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig9large.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Célula solar </td><td> Temperatura de deposición, ° C </td><td> Tiempo de deposición, sec </td><td> J sc, mA / cm2 </td><td> V OC, V </td><td> FF,% </td><td> PCE,% </td></tr><tr><td> ZnO / Cu2O Estándar </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 / Cu2O Optimizado </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 / Cu2O Optimized </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> Tabla 1. Norma y optimizado AP-Zn SALD 1-x Mg x O parámetros de deposición y el rendimiento de los mejores ITO correspondiente / Zn-1 x mg x O / Cu2O células solares (Esta tabla se ha modificado de la Ref. 8) . J SC - densidad de corriente de cortocircuito, FF - factor de llenado.

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.

Mejora de la Calidad Heterounión en Cu<sub&gt; 2</sub&gt; Células solares O-base través de la optimización de la presión atmosférica espacial Atómica capa depositada<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 ...

El objetivo general de este procedimiento es obtener una interfaz de alta calidad en heterouniones de óxido de zinc y óxido cuproso sintetizadas fuera del vacío. Esto se logra mediante la deposición atómica espacial a presión atmosférica (AP-SALD) de películas de óxido de zinc sobre óxido cuproso oxidado térmicamente. La ALD espacial a presión atmosférica es una técnica de impresión de óxidos que permite depositar películas óxido conformales con control preciso del espesor, en un proceso dual compatible, a presión atmosférica y baja temperatura.Nuestro sistema de ALD espacial a presión atmosférica es ideal para la síntesis rápida de óxidos metálicos multicompuestos de alta calidad, uniformes y cristalinos para aplicaciones electrónicas, como se demuestra en este trabajo con óxido de zinc magnesio. Primero, corte una lámina de cobre de 0,127 milímetros de espesor en cuadrados de 13 por 13 milímetros y límpiela mediante sonicación en acetona. Seque los cuadrados de lámina 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 hoja de cobre a 1.000 grados Celsius con un flujo continuo de argón. Monitoree la atmósfera gaseosa en el horno con el analizador de gases durante toda la oxidación.Cuando se alcance una temperatura de 1.000 grados Celsius, introduzca oxígeno al horno a un caudal que permita obtener una presión parcial de oxígeno de 10.000 partes por millón y manténgala durante al menos dos horas. Pasadas dos horas, apague el flujo de oxígeno. Con el flujo de gas argón, enfríe el horno hasta 500 grados Celsius.Muela los sustratos oxidados mediante una rápida extracción de los crisoles del horno. Luego, sumérgelos en agua desionizada para enfriarlos. A continuación, graba un lado de los sustratos aplicando repetidamente una gota de ácido nítrico diluido para eliminar cualquier óxido cúprico de la superficie.Continúe con la corrosión hasta que no sea visible ninguna película gris sobre la superficie de óxido cúprico. Inmediatamente después de la corrosión, enjuague cada sustrato con agua desionizada y sométalo a ultrasonido en isopropanol, luego seque los sustratos con una pistola de aire. Después de depositar oro sobre el lado corroído de los sustratos, corroa el otro lado de los sustratos en ácido nítrico diluido aplicando una gota de ácido sobre la superficie, asegurándose de no corroer el electrodo de oro en el lado opuesto.Después de enjuagar y secar los sustratos, cúbrilos con una pintura aislante negra utilizando un pincel, dejando un área sin cubrir de aproximadamente 0,1 centímetros cuadrados como área activa de la celda solar. Cubra el electrodo de oro en el lado posterior con un marcador. Después de configurar el reactor AP-SALD, ajuste la velocidad de burbujeo a través del precursor de dietil 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, diluida con gas nitrógeno que fluye a 200 mililitros por minuto. Ahora, haga fluir nitrógeno a 500 mililitros por minuto hacia el colector de gases. Mantenga el colector de gases a una temperatura de 40 grados Celsius mediante circulación de agua.A continuación, caliente el platillo o plato móvil hasta la temperatura deseada. Establezca el tamaño de la muestra, la velocidad del plato y el número de oscilaciones mediante el software que controla el plato. Deposite el óxido deseado sobre un portaobjetos de vidrio durante 400 oscilaciones o hasta que se observe una película clara, gruesa y homogénea.Tras la deposición, coloque el sustrato sobre una máscara de vidrio y colóquelo debajo del colector de gas. Ajuste la cabeza, 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 del burbujeador del precursor de magnesio, seguida de la válvula del burbujeador del precursor de zinc.Luego, comience a mover la platina bajo el colector de gas haciendo clic en Iniciar Depósito en el software. Abra el burbujeador de agua solo después de escanear el sustrato con cinco oscilaciones de precursores metálicos, con el fin de evitar la exposición del óxido cuproso en la superficie al agente oxidante mientras está calentado. Cuando finalice el depósito, retire los sustratos de la platina caliente lo más rápidamente posible y cierre las válvulas del burbujeador 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 sobre la placa caliente, ya que el crecimiento de óxido cuproso sobre 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 contactos eléctricos pegando dos alambres delgados con pasta de plata sobre los electrodos de óxido de indio y estaño y oro. Los espectros de desviación fototérmica de los sustratos de óxido cuproso grabados y sin grabar muestran absorción por encima de 1,4 electronvoltios antes de saturarse a dos electronvoltios, lo cual puede atribuirse a la presencia de óxido cuproso en la superficie del sustrato. El sustrato sin grabar presenta una absorción más alta por debajo de dos electronvoltios, lo que sugiere una capa más gruesa de óxido cúprico en la superficie.La presencia de crecimientos de óxido cúprico sobre sustratos de óxido cuproso se verificó mediante espectroscopía de rayos X por dispersión de energía. La imagen de SEM de una superficie estándar de celda fotovoltaica muestra crecimientos de óxido cúprico formados debido a la exposición del óxido cuproso al aire y a agentes oxidantes. En contraste, la superficie del dispositivo optimizado está libre de crecimientos de óxido cúprico.Se logró un aumento seis veces mayor en la eficiencia del dispositivo mediante la optimización de las condiciones de deposición del óxido de zinc. Los dispositivos con películas optimizadas de óxido de zinc y magnesio presentaron una eficiencia aún mayor del 2,2 por ciento. Los espectros de eficiencia cuántica externa de los dos dispositivos difieren por debajo de 475 nanómetros, que es el rango de longitudes de onda absorbidas cerca de la interfaz.La eficiencia cuántica externa de la heterounión fabricada a mayor temperatura es menos de la mitad que la de la heterounión a menor temperatura, lo que sugiere una interfaz de menor calidad debido a un mayor contenido de óxido cúprico. La optimización de las condiciones para el crecimiento de óxido de zinc mediante ALD atmosférico sobre óxido cuproso termalmente oxidado permitió mejorar la calidad de la interfaz de la heterounión y el rendimiento de la celda solar. La misma estrategia de optimización puede aplicarse a celdas solares de óxido cuproso depositadas electroquímicamente.Hemos depositado atmosféricamente óxido de zinc y magnesio cristalino sobre óxido de cobre para aumentar el voltaje de circuito abierto en celdas 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 de vacío.

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Investigación

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Química

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