Name: Amélioration de la qualité de hétérojonction en Cu 2 O à base de cellules solaires Grâce à loptimisation de la pression atmosphérique couche spatiale atomique Déposée Zn 1-x Mg x O (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Découvrez la synthèse d'hétérojonctions Zn₁₋ₓMgₓO/Cu₂O par déposition atomique spatiale à pression atmosphérique pour améliorer l'efficacité des cellules solaires. Cette méthode optimise la qualité d'interface et augmente six fois le rendement des dispositifs photovoltaïques.

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Les auteurs remercient le Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, la Fondation Rutherford de Nouvelle-Zélande, le Girton College de Cambridge. Ce travail a été financé par ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 et par l’EPSRC (sous RGS3717).

1. Préparation de l&#39;oxyde cuivreux Substrats <ol><li> L&#39; oxydation de la feuille de cuivre <ol><li> Coupez 0,127 mm d&#39;épaisseur feuille de Cu en 13 mm x 13 carrés mm et propres par sonication dans de l&#39;acétone. </li><li> Faire chauffer une feuille de cuivre à 1000 ° C, tandis que l&#39;écoulement continu du gaz Ar à travers le four. Surveiller l&#39;atmosphère ambiante de gaz dans le four avec un analyseur de gaz à travers l&#39;oxydation. Lorsque la température de 1000 ° C est atteinte, introduire de l&#39;oxygène dans le four à un débit pour obtenir une pression partielle de 10 000 ppm d&#39;oxygène et maintenir ce pendant au moins 2 heures. Après 2 heures, éteignez l&#39;oxygène, mais garder le gaz Ar coule. </li><li> Refroidir le four à 500 ° C (garder le gaz Ar coule). Quench les échantillons oxydés par le retrait rapide des creusets du four. Tremper les substrats dans de l&#39;eau déminéralisée pour les refroidir plus rapidement. </li></ol></li><li> Eau - forte de Cu 2 O <ol><li> Graver un côté des substrats en appliquant à plusieurs reprisesune goutte d&#39;acide nitrique dilué (1: 1 mélange de H 2 O et 70% de HNO 3) pour éliminer tout oxyde cuivrique de la surface. Continuer gravure jusqu&#39;à ce qu&#39;aucun film gris est visible sur la surface Cu 2 O. ATTENTION: Cette procédure est effectuée dans une hotte. </li><li> Immédiatement après la gravure, rincer chaque substrat dans de l&#39;eau déminéralisée et sonication dans de l&#39;isopropanol. Sécher avec un pistolet à air. </li><li> Dépôt de 80 nm d&#39;or sur la face gravée du Cu 2 O substrats par évaporation d&#39; une pastille d&#39;or 1 g placé dans une nacelle en tungstène à l&#39; intérieur d&#39; un évaporateur à résistance. Utiliser une pression de base 8 x 10 -6 mbar et de courant de 4 A pour atteindre le taux de 0,8 Å / s d&#39;évaporation. </li><li> Décaper l&#39;autre côté des substrats dans de l&#39;acide nitrique dilué, en appliquant une goutte d&#39;acide sur la surface. Assurez-vous que l&#39;acide n&#39;attaque pas le film d&#39;or de l&#39;autre côté. Rincer et sonication comme décrit dans la section 1.2.2. </li><li> Couvrir les substrats avec une peinture noire isolante (utiliser haute température eémail ngine) à l&#39;aide d&#39; un pinceau, en laissant une zone non masquée d&#39;environ 0,1 cm 2 que la zone active de la cellule solaire. Couvrir l&#39;électrode d&#39;or sur la face arrière avec un stylo marqueur complètement. </li></ol></li></ol> 2. Dépôt Zn 1-x Mg x O Utilisation AP-SALD Reactor Remarque:.. Dépôt de Zn 1-x Mg x films O sur le côté non masquée de Cu 2 O substrats 13 Dans ce travail, un réacteur AP-de SALD sur mesure a été utilisé, adapté de la conception originale développée par Kodak 11,12 Détails de la personnalisation du réacteur sont données dans Ref. 12. <ol><li> Mise en place du système AP-SALD comme suit: <ol><li> Utilisez diéthylzinc (DEZ) comme le précurseur et le bis (éthylcyclopentadiényl) magnésium Zn comme le précurseur Mg. Ce sont des précurseurs liquides contenus chacun dans leurs barboteurs en verre séparés. Les précurseurs sont pyrophoriques et ne doivent jamais entrer en contact avec l&#39;air ou l&#39;eau. Le système de dépôt est étanche aux gaz. </li><li> Pour le dépôt de l&#39;oxyde de zinc, d&#39;ajuster la vitesse de barbotage de l&#39;azote gazeux à travers le diéthylzinc à 25 ml / min, ce qui est contenu à la température ambiante (20 ° C). Pour le zinc dépôt d&#39;oxyde de magnésium, d&#39;ajuster la fraction de gaz de chaque précurseur en réglant le débit de barbotage à travers le diéthylzinc à 6 ml / min et 200 ml / min à travers le magnésium, le bis (éthylcyclopentadiényl) (qui est chauffé à 55 ° C) pour commander à Zn Mg en Zn 1-x Mg x O. </li><li> Régler le débit du gaz porteur d&#39;azote d&#39;écoulement pour le mélange de précurseur de métal à 100 ml / min. Bulles d&#39;azote gazeux à 100 ml / min dans de l&#39;eau déminéralisée, qui est utilisé comme oxydant. Cette vapeur est diluée avec un gaz vecteur d&#39;azote circulant à 200 ml / min. </li><li> L&#39;écoulement d&#39;azote gazeux à 500 ml / min au collecteur de gaz. Dans le collecteur de gaz SALD-AP, ce gaz d&#39;azote est divisé à quatre canaux séparés. Chaque canal sert à séparer spatialement les deux canaux d&#39;oxydant à partir du canal de mélange précurseur de métal entre eux. </li></ol&gt; </li><li> Tenir le collecteur de gaz à une température de 40 ° C par circulation d&#39;eau. Faire chauffer la scène (de platine mobile) à la température désirée (50-150 ° C). </li><li> Définissez les échantillons souhaités-à-tête distance, la taille de l&#39;échantillon, la vitesse d&#39;impression (50 mm / sec) et le nombre d&#39;oscillations (cycles) avec le logiciel de commande de la platine. Le taux de dépôt ZnO est de 1,1 nm / s (ou par cycle) et le Zn-x 1 Mg x O vitesse de dépôt est d&#39; environ 0,54 nm / sec à 150 ° C. Un nombre typique de cycles de dépôt est de 200. </li><li> Déposez l&#39;oxyde désiré sur une lame de verre pour 400 oscillations ou jusqu&#39;à ce qu&#39;un film homogène épais clair peut être vu. </li><li> Placez le substrat sur un masque de verre si nécessaire, puis le placer sous le collecteur de gaz. Ajustez la tête (collecteur de gaz) hauteur de 50 pm au-dessus du substrat. </li><li> Déposer le Zn 1-x Mg x O films par la première ouverture des vannes pour le précurseur barboteur Mg, puis le précurseur barboteur Zn, puis démarrez moving le plateau sous le collecteur de gaz en cliquant sur &quot;start dépôt&quot; dans le logiciel. Ouvrir le barboteur O H 2 seulement après le balayage du substrat avec 5 oscillations de précurseurs métalliques afin d&#39;éviter l&#39; exposition de Cu 2 O de surface à l&#39;oxydant pendant chauffé. </li><li> Lorsque le dépôt est terminée, retirez les Cu 2 O substrats du plateau chauffé aussi rapidement que possible et fermer les vannes barboteur des précurseurs métalliques. Nettoyer les canaux de gaz dans le collecteur avec une lame pour enlever toute la poudre d&#39;oxyde déposée. Démarrer le cycle de dépôt suivant, comme décrit dans 2.6. </li><li> Une fois terminé, purger le système pendant 30 minutes avant la fermeture des soupapes d&#39;azote. </li></ol> 3. Pulvérisation d&#39;ITO <ol><li> Pulvérisation cathodique 175 nm d&#39;oxyde d&#39; indium-étain (ITO) par magnétron à courant continu de pulvérisation 20 dans les conditions suivantes:. Puissance 20 W, la pression de base &lt;10 -9 mbar, Ar pression de 2,5 Pa à une vitesse de pulvérisation de 35 nm / min, par pulvérisation cathodique ITO pendant 5 min pour un film d&#39;ITO d&#39;épaisseur 175 nm. ITO / ZnO / Cu 2 O hétérojonction résultante est représentée sur la figure 3. </li></ol> 4. Finition des dispositifs <ol><li> Nettoyer le marqueur de l&#39;électrode en or avec de l&#39;acétone afin d&#39;exposer l&#39;électrode en or. </li><li> Appliquer des contacts électriques en collant 2 fils minces avec de la pâte Ag sur les électrodes ITO et Au. </li></ol>

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<li>Hoye, R. L. Z., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+Update%3A+Doping+ZnO+and+TiO2+for+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22APL+Mat%22%5BJournal%5D)">Research Update: Doping ZnO and TiO2 for solar cells.</a> APL Mat. 1 (6), 060701(2013).</li>
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<li>Biccari, F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Defects+and+doping+in+Cu2O%22">Defects and doping in Cu2O</a>. , University of Rome, Department of Physics. Doctoral Thesis
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</ol>

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Les étapes critiques au sein du protocole sont précisées par le Cu 2 O à CuO oxydation de surface du substrat. Ceux - ci comprennent la gravure des substrats dans l&#39; acide nitrique dilué afin d&#39; éliminer tout CuO après l&#39; oxydation, ainsi qu&#39;après l&#39;évaporation de l&#39;électrode en or, en minimisant les substrats passent de temps à l&#39; air libre avant que le Zn 1-x Mg x O dépôt et , enfin, dépôt d&#39; Zn 1-x Mg x O sur Cu 2 O substrats par AP-SALD. L&#39;avantage de l&#39;AP-SALD par rapport à ALD classique est que les films peuvent être cultivées à l&#39;extérieur d&#39;un vide avec un taux de croissance qui est d&#39;un à deux ordres de grandeur plus élevée. Cependant, cela implique que les substrats de Cu 2 O doivent être exposés à des oxydants dans l&#39; air à une température élevée d&#39; au moins juste avant le dépôt, ce qui est suffisant pour une couche mince de CuO pour former sur la surface. Cela limite apparemment l&#39;application de la méthode AP-SALD une certaine matéria sensible à l&#39;oxydationls. Cependant, en optimisant les conditions AP-SÅLD telles que la température et le temps, ainsi que de minimiser Cu 2 exposition à O à l&#39; air et à l&#39; humidité, une augmentation de six fois le rendement de conversion de ZnO / Cu 2 O dispositifs faite en utilisant AP-SALD a été atteint . L&#39;amélioration provient de la compréhension que Cu2O à l&#39; oxydation CuO est le principal facteur limitant de l&#39; oxyde de cuivre comme matériau dans des cellules solaires à hétérojonction et à modifier le protocole de fabrication en conséquence. Afin d&#39;éviter complètement l&#39;oxydation de l&#39;oxyde cuivreux, les substrats doivent être conservés dans une atmosphère inerte ou sous vide tout le temps, ce qui peut être difficile lorsque l&#39;on utilise une technique de dépôt en plein air tels que AP-SALD. Alors que l&#39;oxydation de Cu 2 O est évité dans les techniques du vide en fonction de 3,18, pour la fabrication à grande échelle, il est important que ce problème peut être réduit au minimum dans les procédés de fabrication de l&#39; atmosphère. AP-SALD, la surface du substrat peut être exposé àdes agents réducteurs avant la formation de la hétérointerface, et en équilibrant l&#39;oxydation de Cu 2 O avec la réduction de CuO en utilisant le gaz formant pendant le dépôt de l&#39;oxyde de type n. 25 L&#39;agent réducteur utilisé dans l&#39; AP-SALD pourrait être un mélange d&#39;un gaz inerte avec un gaz réducteur (par exemple, N 2 + 5% de H 2 25), ou un nombre de cycles avec un précurseur réducteur avant le dépôt, à savoir, les cycles sans eau, afin de réduire CuO retour à Cu2O juste avant que l&#39;oxyde ZnO commence à se développer à sa surface. Dans ce travail, un protocole standard a été développé qui minimise la formation CuO optimisation des étapes de fabrication de Cu 2 O traitement de gravure et à la formation de jonction pn par AP-SALD en open-air. Le succès de ce travail démontre le potentiel de l&#39;AP-SALD comme une méthode prometteuse pour l&#39;application dans des dispositifs photovoltaïques à bas prix et évolutifs. La technique peut être utilisée pour dépo rapideition d&#39;une variété d&#39;oxydes métalliques semi-conducteurs de type n et p ainsi que le verrouillage, un tampon et des couches de barrière dans les cellules solaires sur des substrats sensibles à la chaleur, notamment en matière plastique.

L&#39; oxyde cuivreux (Cu 2 O) est un type p non-toxique matériau semi - conducteur de terre abondant 1. Avec une largeur de bande de 2 eV, l&#39;oxyde cuivreux peut remplir le rôle d&#39;absorbeur de lumière dans les cellules solaires à hétérojonction ou tandem. Dans les cellules solaires à hétérojonction, Cu 2 O est connu pour être associé à un type n variété de grands semi - conducteurs à bande tels que ZnO 2 et ses variations dopées 3,4, Ga 2 O 3 5,6 et TiO 2 7 (Pour un plus aperçu détaillé de Cu 2 O photovoltaïque voir Ref. 8). Le développement de Cu 2 O Les cellules solaires à hétérojonction à base est présentée à la figure 1, où le procédé de synthèse de l&#39;hétérojonction est indiquée à côté de chaque point de données. On peut noter que les méthodes de vide à base tels que le dépôt laser pulsé (PLD) ou dépôt de couches atomiques (ALD) a permis de meilleurs rendements de conversion de puissance à atteindre (jusqu&#39;à 6,1% 9). En contrast, l&#39;efficacité des méthodes de synthèse non-vide tels que le dépôt électrochimique (ECD) sont restés faibles. Cependant, pour des cellules photovoltaïques à bas prix, il est préférable de synthétiser l&#39;hétérojonction à l&#39;extérieur du vide. Alors, une technique évolutive libre sous vide de la formation de hétérojonction est une alternative plus appropriée, il reste difficile de produire une interface de haute qualité par de telles méthodes. Oxydes Dans ce travail , nous utilisons un open-air, évolutive mince procédé de dépôt de film appelé la pression atmosphérique spatiale dépôt de couche atomique (AP-SALD) croître de type N pour Cu 2 O-cellules solaires basées. L&#39;avancement de l&#39; AP-ALD SALD plus classique est que dans le premier cas , les précurseurs sont séparés dans l&#39; espace , plutôt que dans le temps 10. Au cours du processus de dépôt, un support oscillant d&#39; avant en arrière sur une platine chauffée sous un collecteur de gaz qui contient des canaux de gaz précurseurs séparés par des canaux de gaz inertes, comme le montre la figure 2. L&#39;azote gazeux portant les precurseurs flux verticalement à travers le collecteur de gaz vers le bas vers la platine se déplaçant latéralement. En raison des oscillations de la platine, chaque point sur ​​le substrat est exposé séquentiellement à l&#39;oxydant et du métal des précurseurs, comme cela est illustré sur la figure 2. Ceci permet au film d&#39;oxyde métallique de croître couche par couche. Une description détaillée de l&#39; AP-SALD conception et le fonctionnement du réacteur peut être trouvée ailleurs. 11,12 Cette approche permet le dépôt de se produire un à deux ordres de grandeur plus rapide que ALD conventionnel et vide à l&#39; extérieur, ce qui est compatible avec un traitement roll-to-roll . Des films d&#39;oxyde conformationnelle de haute qualité produit par l&#39; AP-SALD peuvent être déposés à basse température (&lt;150 ° C) sur une variété de substrats , y compris les matières plastiques, ce qui permet des films AP-sald à appliquer aux dispositifs fonctionnels de faible coût , tels que des cellules solaires 13 , des diodes électroluminescentes 14 et transistors à couches minces 15. La coutume fait collecteur de gaz AP-SALDutilisé dans ce travail a été maintenue mécaniquement sur le substrat placé sur le plateau. Ceci a permis le contrôle du substrat collecteur d&#39;espacement indépendant des débits d&#39;écoulement de gaz. Un grand espacement de 50 pm a été utilisé, ce qui a donné lieu à entremêlement entre le métal précurseur et un oxydant en phase gazeuse. Par conséquent, le réacteur AP-SALD a été exploité en mode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Cela a été jugé avantageux par rapport à fonctionnement en mode ALD parce que les films ont été cultivées à un taux plus élevé, mais toujours avec une grande uniformité d&#39; épaisseur et étaient cristalline lorsqu&#39;il est déposé à la même température que les films ALD. 12 Ici, nous nous référons encore dans le réacteur sous un réacteur AP-SALD parce qu&#39;il a les mêmes principes de conception fondamentaux que les autres réacteurs AP-SÅLD. 11 Nous avons utilisé notre réacteur pour déposer la couche de type n pour les cellules solaires, en particulier l&#39; oxyde de zinc et oxyde de magnésium , de zinc (Zn 1-x Mg x O 16,17). Incorporant Mg into ZnO permet à la bande de conduction à l&#39; écoute, ce qui est important pour réduire les pertes dues à la bande-queue thermalisation 13 et recombinaison interfaciale. 18,19 Ici, nous montrons comment le réglage des conditions pour le dépôt de films d&#39;oxyde d&#39;oxyde de zinc et de magnésium, de zinc sur des substrats d&#39;oxyde cuivreux oxydées thermiquement permis d&#39;améliorer la qualité de l&#39;interface, et donc de meilleures performances de cellules solaires à obtenir. Cette amélioration a été rendue possible grâce à l&#39;identification du principal facteur limitant dans Cu 2 O Les cellules solaires à base: recombinaison à l&#39;interface d&#39;hétérojonction en raison d&#39;une formation excessive d&#39;oxyde de cuivre (CuO) sur la surface 2 O Cu.

<table><tbody><tr><td>Feuille de cuivre</td><td>Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar</td><td>13380</td><td>0,127 mm d’épaisseur, 99,9 % (à base de métaux),</td></tr><tr><td>recuit Rapidox Analyseur d’oxygène</td><td>Rapidox</td><td>Modèle 2100</td><td></td></tr><tr><td>Bateau en alumine</td><td>Almath Crucibles LTD</td><td>6121203</td><td>Dimensions 20 mm x 50&nbsp ; mm x 5&nbsp ; mm</td></tr><tr><td>Pastilles d’or</td><td>KJLC</td><td>EVMAUXX40G</td><td>pures à 99,99 %, 1/8 » x 1/8 », vendues au gramme</td></tr><tr><td>Diéthylzinc</td><td>Aldrich</td><td>256781</td><td>&ge ; 52 % en poids de base Zn</td></tr><tr><td>Bis(éthylcyclopentadiényl)magnésium</td><td>Strem Chemicals UK</td><td>12-0510</td><td>5 g</td></tr><tr><td>cible ITO</td><td>GoodFellow Cambridge Limited</td><td>LS 427438</td><td>Oxyde d’indium/oxyde d’étain cible (In2O3 90 / SnO2 10). Condition : Pressé à chaud. Épaisseur : 2.0&nbsp ; mm &#177 ; 0,5 mm. Taille : 35,5 mm mm x 55,5 po mm &#177 ; 0,5&nbsp ; mm</td></tr><tr><td>Peinture émail moteur VHT</td><td>Halfords</td><td>325019</td><td>très haute température émail moteur peinture noire</td></tr><tr><td>Acide nitrique HNO3, réactif ACS 70 %&nbsp ;</td><td>Sigma-Aldrich Co Ltd</td><td>438073-2.5L</td><td>Nocif, irritant</td></tr><tr><td>2 % Oxygène/Argon 200 bar BOC</td><td>Limited</td><td>225757-L</td><td>Mélange gazeux pour l’oxydation de la feuille de Cu, à diluer avec de l’Ar</td></tr></tbody></table>

amélioration de la qualité de hétérojonction en cu<sub&gt; 2</sub&gt; o à base de cellules solaires grâce à l&#39;optimisation de la pression atmosphérique couche spatiale atomique déposée<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

<classe p = 'jove_content'> dépôt de couche atomique spatiale à pression atmosphérique (AP-SALD) a été utilisé pour déposer des couches minces de ZnO de type n etde Zn 1-xMgxO sur des substrats de Cu2O oxydés thermiquement de type p à l’extérieur du vide à basse température. Les performances des dispositifs photovoltaïques présentant une hétérojonction ZnO/Cu2O fabriquée dans l’atmosphère dépendaient des conditions de dépôt du film AP-SALD, à savoir la température du substrat et le temps de dépôt, ainsi que de l’exposition du substrat Cu2O aux agents oxydants avant et pendant le dépôt de ZnO. L’oxydation superficielle du Cu2O en CuO a été identifiée comme un facteur limitant à la qualité de l’hétérojonction en raison de la recombinaison à l’interface ZnO/Cu2O. L’optimisation des conditions AP-SALD ainsi que le maintien du Cu2O à l’écart de l’air et de l’humidité afin de minimiser l’oxydation de surface du Cu2O ont permis d’améliorer les performances du dispositif. Une multiplication par trois de la tension en circuit ouvert (jusqu’à 0,65 V) et une multiplication par deux de la densité du courant de court-circuit ont produit des cellules solaires avec un rendement de conversion de puissance (PCE) record de 2,2 %. Cette ECP est la plus élevée signalée pour une hétérojonction Zn1-xMgxO/Cu2O formée à l’extérieur du vide, ce qui met en évidence l’ALD spatiale de la pression atmosphérique comme une technique prometteuse pour la fabrication peu coûteuse et évolutive de panneaux photovoltaïques à base de Cu2O.

Thermodynamiquement CuO est la seule phase stable de l&#39; oxyde de cuivre dans l&#39; air à la température ambiante, le Cu-O stabilité de phase diagramme révèle 21-23. Pour vérifier la présence de CuO sur la surface de Cu 2 O, les spectres d&#39;absorption de la gravure et non gravées oxydé thermiquement Cu2O substrats ont été prises avec la spectroscopie photothermique de déviation (PDS) , - une technique très sensible , qui permet de mesurer l&#39;absorption des écarts de sous-bande 24 (figure 4). Les deux spectres a montré l&#39; absorption au- dessus de 1,4 eV, qui coïncide avec la largeur de bande de CuO, avant saturante à 2 eV (Cu 2 O écart de bande). Le substrat non gravé a une absorption plus élevée inférieure à 2 eV, ce qui suggère une couche plus épaisse de CuO sur la surface non gravée de Cu 2 O que sur le substrat gravé. L&#39;encart de la figure 4 montre une couche grise de CuO sur la (non gravée) Cu 2 O en tant que substrat oxydé. Tandis quepas de film gris n&#39;a pu être détectée visuellement sur le substrat gravé, une partie de CuO était toujours présente sur sa surface, comme les mesures de PDS suggère. La présence d&#39;un film CuO très mince sur la surface de Cu 2 O substrats a également été confirmée par spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) 19,25. Oxyde de cuivre présent sur ​​la surface 2 O Cu introduit états de niveau profond piège (Cu 2+) 18 à l&#39;interface d&#39;hétérojonction qui peut agir en tant que centres de recombinaison et, par conséquent, la présence de CuO à la jonction pn est indésirable. Chauffage Cu2O substrats en présence d&#39;oxydants (par exemple, l&#39; air et l&#39; humidité) facilite l&#39;oxydation de Cu 2 O CuO. Afin d&#39;obtenir polycristallin ZnO par AP-SALD, les substrats sont chauffés à 150 ° C. Comme le substrat est maintenu à une température élevée en plein air ou sous gaz oxydant pendant le dépôt, CuO se forme rapidement sur le Cu <sub&gt; 2 O surface. La figure 5 montre microscopie électronique à balayage (MEB) des images d&#39;un Cu2O substrat gravé avant et après avoir passé 3 minutes sur la glace d&#39; exposition AP-SALD à 150 ° C sous un courant d&#39;azote. Plusieurs excroissances CuO peuvent être vus sur le substrat recuit, avec leur composition est proche de celle de CuO comme vérifié par spectroscopie de rayons X à dispersion d&#39;énergie (EDX). Dispositifs photovoltaïques ont été faites avec ZnO déposée par AP-SALD à 150 ° C pendant 400 secondes sur le dessus des gravées thermiquement oxydés Cu 2 O substrats. La figure 6A montre la surface de ce dispositif standard. On peut remarquer de nombreuses excroissances et de bâtonnet ressemblant à des fleurs présentes dans l&#39;appareil. Comme l&#39;a confirmé plus tôt avec EDX et PDS, ces excroissances sont l&#39; oxyde de cuivre et se produisent en raison de Cu 2 O exposition à l&#39; air et des oxydants. Tableau 1 et Figure 7 ( &#39;ZnO / Cu 2 O standard&#39; cUrve) démontrent les performances relativement médiocres de ce dispositif. Afin d&#39;éviter la formation de CuO sur la surface de Cu 2 O, les conditions pour le dépôt de ZnO par AP-SALD gravées sur les oxydées thermiquement Cu2O substrats ont été optimisés. Les mesures suivantes ont été prises afin de réduire au minimum la croissance CuO: réduction de la température de dépôt (Figure 8A); réduction du temps de dépôt (figure 8B); balayer la surface du substrat pendant quelques oscillations sans exposition au gaz oxydant, soit avec seulement des précurseurs métalliques inertes et des canaux ouverts (figure 8C); et enfin, l&#39; évitement de chauffage inutile des nus Cu 2 O substrats dans l&#39; air juste avant le début du dépôt. Les paramètres optimaux de dépôt de ZnO de Cu 2 O ont été trouvés à 100 ° C, 100 s et 5 cycles sans eau. La surface du dispositif optimisé était libre de CuO outgrowths, comme le montre la figure 6B. La caractéristique de densité courant-tension (JV) du ZnO / Cu dispositif 2 O optimisé est comparé avec le dispositif classique de la figure 7. Le rendement photovoltaïque de deux 2 O appareils standards et optimisés ZnO / Cu est présentée dans le tableau 1. On on voit que, en suivant les quatre mesures mentionnées ci-dessus, une augmentation de six fois la conversion de puissance efficacité des dispositifs a été atteint. Pour élucider davantage l&#39;effet de l&#39; optimisation des conditions AP-sald sur la réduction de CuO et de la qualité de l&#39; hétérojonction, le rendement quantique externe (EQE) les mesures ont été effectuées sur des appareils dotés ZnO déposés à 150 ° C et 100 ° C (figure 9). Les spectres de EEQ des deux dispositifs, bien que similaire aux longueurs d&#39;onde supérieures à 475 nm, différait sensiblement aux longueurs d&#39;onde en dessous de 475 nm, qui est la gamme de longueur d&#39;onde<html> s absorbée à proximité de l&#39;interface. Pour le rayonnement de longueur d&#39;onde plus courte, la EQE du dispositif avec ZnO faite à une température plus élevée est inférieure à la moitié de celle du dispositif de ZnO faite à plus basse température. Ceci suggère que plus d&#39; oxyde de cuivre était présent à l&#39;interface 2 O ZnO / Cu fait à température plus élevée, ce qui a réduit la collecte de charge de la région proche de la hétérointerface due à une augmentation de la recombinaison. Mg a été incorporé dans les films AP-SALD ZnO afin d&#39;augmenter la bande de conduction de ZnO et de réduire la recombinaison 15 autres. Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O cellules solaires ont été faites avec les optimisées Zn 0,8 Mg 0,2 O films, résultant en 2,2% PCE de l&#39; appareil - les cellules solaires à base de O le plus élevé à ce jour pour Cu 2 avec plein air fabriqués hétérojonctions (voir les performances du dispositif de la figure 7 et tableau 1). contenu &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig1.jpg" /> Figure 1. Cu 2 efficacité sur la base-O cellule solaire par année de publication (Ce chiffre a été modifié depuis Ref. 8). Les marqueurs indiquent si l&#39;interface a été formé sous vide ou dans une atmosphère (non vide) et les étiquettes indiquent la méthode de la formation d&#39;hétérojonction. MSP - pulvérisation cathodique magnétron, IBS - ion pulvérisation par faisceau, VAPE - plasma sous vide d&#39;arc évaporation. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig1large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig2.jpg" /> Figure 2. Schéma du processus de dépôt AP-SALD (contre ALD conventionnelle) et mise en place pour la production de boeuf multicomposant métalliqueides. (A) de l&#39; exposition séquentielle de chaque étape de précurseur et de purge dans l&#39; ALD conventionnelle (delta-dopage) (Ce chiffre a été reproduit à partir Ref. 11). Dans le cadre de ce manuscrit, M1 est de la vapeur diéthylzinc, le bis M2 (éthylcyclopentadiényle), la vapeur de magnésium et de vapeur d&#39;eau O1 et O2. (B) d&#39;exposition séquentielle du mélange précurseur de métal (co-injection), des canaux de gaz inertes (équivalent à l&#39; étape «purge») et de l&#39; oxydant dans AP-SALD (Ce chiffre a été reproduit à partir Ref. 11). (C) Schéma d&#39;un réacteur AP-SALD général, qui montre les précurseurs séparés spatialement par des canaux de gaz inerte, avec le substrat oscille au- dessous des canaux différents (ce chiffre a été reproduit à partir de réf. 11, qui est une modification de l&#39; un dans la réf. 26). (D) Vue d&#39; ensemble schématique des composants importants d&#39;un système AP-SALD avec la microscopie à force atomique (AFM) images montrant la morphologie de lasubstrat avant et après Zn 1-x Mg x O dépôt (Ce chiffre a été reproduit à partir Ref. 13). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig2large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig3.jpg" /> Figure 3. Image transversale SEM ITO / ZnO / Cu 2 O hétérojonction (Ce chiffre a été reproduit à partir Ref. 8). Revêtement enrobant de Cu 2 O substrat avec ZnO et ITO films peut être observée. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig3large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 4" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig4.jpg" /> Figure 4. PDS spectres gravé et non gravée (as-oxi<html> tionnés) Cu 2 O substrats (Ce chiffre a été modifié par Ref. 8). Les empiècements montrent des photos des substrats d&#39;oxyde cuivreux gravées et non gravées. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig4large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 5" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig5.jpg" /> Figure 5. images MEB de la surface d&#39;un substrat Cu 2 O lorsque (A) fraîchement gravé et (B) après un recuit à 150 ° C dans l&#39; air pendant 3 min (Ce chiffre a été reproduit à partir Ref. 8) Insets show surface. composition acquise avec EDX. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig5large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <html> 501 / 53501fig6.jpg &quot;/&gt; Figure 6. images MEB de la surface / Cu 2 O cellules solaires ZnO faite en utilisant (A) des conditions standard et (B) des conditions optimisées de AP-SALD ZnO (Ce chiffre a été reproduit à partir Ref. 8). Diverses excroissances peuvent être vu dans le dispositif standard. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig6large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig7.jpg" /> Figure 7. Caractéristiques Lumière JV pour Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O cellules solaires fabriquées dans des conditions AP-SÅLD standard et optimisés (Ce chiffre a été modifié depuis Ref. 8). Les courbes JV démontrent l&#39; amélioration solaire de performance cellulaire lorsque les conditions de composition et AP-SÅLD du Zn 1-x Mg x O films sont optimisés.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. <img alt="Figure 8" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig8.jpg" /> Figure 8. L&#39;effet des paramètres AP-sald sur la performance du ZnO / Cu 2 O cellules solaires. (A) et (B) L&#39;effet de l&#39; AP-SALD ZnO temps de dépôt et de la température sur la tension en circuit ouvert (V oc) des dispositifs (Ce chiffre a été reproduit à partir de Réf. 8), (C) la corrélation de l&#39; eau cycles libres avec l&#39;oc V des appareils. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig8large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <img alt="Figure 9" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig9.jpg" /> Figure 9. EEQ spectrun de ZnO / Cu 2 O cellules solaires avec ZnO déposée à 100 ° C et 150 ° C. (Ce chiffre a été reproduit à partir de Réf. 8). Tension en circuit ouvert des dispositifs est indiqué dans la légende. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig9large.jpg" target="_blank">S&#39;il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Cellule photovoltaïque </td><td> La température de dépôt, ° C </td><td> Temps de dépôt, 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 Optimisé </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 Optimisé </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> Tableau 1. standard et optimisé AP-SALD Zn 1-x Mg x O dépôt paramètres et les performances des meilleurs ITO correspondant / Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O cellules solaires (Ce tableau a été modifié depuis Ref. 8) . J SC - court - circuit densité de courant, FF - facteur de remplissage.

Nous présentons ici un protocole de synthèse de Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O hétérojonctions en plein air à basse température par l&#39; intermédiaire de la pression atmosphérique spatiale dépôt de couche atomique (AP-SALD) de Zn 1-x Mg x O sur l&#39; oxyde cuivreux. Ces tropicalisation oxydes métalliques de haute qualité peuvent être cultivées sur une variété de substrats, y compris les matières plastiques par cette méthode pas cher et évolutive.

Amélioration de la qualité de hétérojonction en Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O à base de cellules solaires Grâce à l&#39;optimisation de la pression atmosphérique couche spatiale atomique Déposée<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 ...

L'objectif général de cette procédure est d'obtenir une interface de haute qualité dans des hétérojonctions oxyde de zinc-oxyde cuivreux synthétisées en dehors d'un vide. Cela est réalisé par dépôt atomique spatial à pression atmosphérique, ou AP-SALD, de couches d'oxyde de zinc sur de l'oxyde cuivreux oxydé thermiquement. Le ALD spatial à pression atmosphérique est une technique d'impression d'oxydes qui permet le dépôt de couches d'oxydes conformes avec un contrôle précis de l'épaisseur, dans un procédé doublement compatible, à pression atmosphérique et à basse température.Notre système de ALD spatial à pression atmosphérique est idéal pour la synthèse rapide d'oxydes métalliques multi-composants de haute qualité, uniformes et cristallins pour l'électronique, comme le démontre ce travail sur l'oxyde de zinc et de magnésium. Commencez par découper une feuille de cuivre d'une épaisseur de 0,127 millimètre en carrés de 13 sur 13 millimètres et nettoyez-les par sonication dans de l'acétone. Séchez les carrés de feuille de cuivre à l'aide d'un pistolet à air pour éliminer l'acétone résiduelle.Ensuite, placer les substrats desséchés dans un creuset en aluminium et introduire le creuset dans un four. Chauffer les carrés de feuille de cuivre à 1 000 degrés Celsius sous un débit continu d'argon. Surveiller l'atmosphère gazeuse dans le four à l'aide de l'analyseur de gaz tout au long de l'oxydation.Lorsque la température atteint 1 000 degrés Celsius, introduire de l'oxygène dans le four à un débit permettant d'obtenir une pression partielle d'oxygène de 10 000 parties par million et maintenir pendant au moins deux heures. Après deux heures, arrêter l'écoulement d'oxygène. En maintenant l'écoulement d'argon, refroidir le four jusqu'à 500 degrés Celsius.Broyez les substrats oxydés en retirant rapidement les creusets du four. Ensuite, plongez-les dans de l'eau déionisée pour les refroidir. Puis, gravez une face des substrats en appliquant à plusieurs reprises une goutte d'acide nitrique dilué afin d'éliminer tout oxyde cuivrique présent à la surface.Poursuivre la gravure jusqu'à ce qu'aucun film gris ne soit visible sur la surface de l'oxyde cuivrique. Immédiatement après la gravure, rincer chaque substrat à l'eau déionisée et le sonifier dans de l'isopropanol, puis sécher les substrats à l'aide d'un pistolet à air. Après avoir déposé de l'or sur le côté gravé des substrats, graver l'autre côté des substrats dans de l'acide nitrique dilué en appliquant une goutte d'acide sur la surface, en veillant à ne pas graver l'électrode d'or située sur l'autre face.Après avoir rincé et séché les substrats, recouvrez-les d'une peinture isolante noire à l'aide d'un pinceau, en laissant une zone non masquée d'environ 0,1 centimètre carré comme zone active de la cellule solaire. Recouvrez l'électrode en or située sur la face arrière avec un feutre. Après avoir configuré le réacteur AP-SALD, réglez le débit de bulles à travers le précurseur de diéthylzinc à 6 millilitres par minute et à 200 millilitres par minute à travers le précurseur de magnésium afin de déposer de l'oxyde de zinc et de magnésium.Ensuite, réglez le débit du gaz porteur d'azote pour le mélange de précurseur métallique à 100 millilitres par minute et faites barboter de l'azote à travers de l'eau déionisée, qui sert d'oxydant, diluée avec un gaz azote circulant à 200 millilitres par minute. Faites maintenant circuler de l'azote à 500 millilitres par minute vers le collecteur de gaz. Maintenez le collecteur de gaz à une température de 40 degrés Celsius à l'aide d'eau de circulation.Ensuite, chauffez le plateau ou la platine mobile à la température souhaitée. Réglez la taille de l'échantillon, la vitesse de la platine et le nombre d'oscillations à l'aide du logiciel de commande de la platine. Déposez l'oxyde souhaité sur une lame de verre pendant 400 oscillations ou jusqu'à l'obtention d'un film épais, homogène et bien visible.Après le dépôt, placez le substrat sur un masque en verre et positionnez-le sous le collecteur de gaz. Réglez la hauteur de la tête, ou du collecteur de gaz, à 50 micromètres au-dessus du substrat. Déposez les films d'oxyde de zinc et de magnésium en ouvrant d'abord la vanne du bulleur de précurseur de magnésium, puis la vanne du bulleur de précurseur de zinc.Ensuite, commencez à déplacer la platine sous le collecteur de gaz en cliquant sur Démarrer le dépôt dans le logiciel. Ouvrez le barboteur à eau uniquement après avoir balayé le substrat avec cinq oscillations des précurseurs métalliques afin d'éviter l'exposition de l'oxyde cuivreux à l'oxydant pendant le chauffage. Lorsque le dépôt est terminé, retirez les substrats de la platine chauffante le plus rapidement possible et fermez les vannes des barboteurs des précurseurs métalliques.Nettoyez les canaux de gaz du collecteur avec une lame afin d'éliminer toute poudre d'oxyde déposée. Il est important de minimiser le temps pendant lequel les substrats d'oxyde cuivreux gravés restent à l'air libre sur le plateau chauffant, car la croissance de l'oxyde cuivreux à la surface est accélérée par la température. Après avoir pulvérisé l'oxyde d'indium-étain sur les substrats, retirez le marqueur de l'électrode en or à l'aide d'acétone afin d'exposer l'électrode.Enfin, appliquez des contacts électriques en fixant deux fils fins avec de la pâte d'argent sur les électrodes d'oxyde d'indium-étain et d'or. Les spectres de déflexion photothermique des substrats d'oxyde cuivreux gravés et non gravés montrent une absorption supérieure à 1,4 électronvolt avant de saturer à deux électronvolts, ce qui peut être attribué à la présence d'oxyde cuivreux à la surface du substrat. Le substrat non gravé présente une absorption plus élevée en dessous de deux électronvolts, suggérant une couche d'oxyde cuivrique plus épaisse à la surface.La présence d'excroissances d'oxyde cuivrique sur des substrats d'oxyde cuivreux a été vérifiée par spectroscopie de dispersion d'énergie des rayons X. L'image MEB de la surface d'une cellule photovoltaïque standard montre des excroissances d'oxyde cuivrique formées en raison de l'exposition de l'oxyde cuivreux à l'air et aux agents oxydants. En revanche, la surface du dispositif optimisé est exempte d'excroissances d'oxyde cuivrique.Une augmentation six fois supérieure de l'efficacité du dispositif a été obtenue grâce à l'optimisation des conditions de dépôt de l'oxyde de zinc. Les dispositifs dotés de couches optimisées d'oxyde de zinc et de magnésium ont atteint une efficacité encore plus élevée de 2,2 pour cent. Les spectres d'efficacité quantique externe des deux dispositifs diffèrent en dessous de 475 nanomètres, ce qui correspond à la gamme de longueurs d'onde absorbées près de l'interface.L'efficacité quantique externe de l'hétérojonction fabriquée à température plus élevée est inférieure à la moitié de celle de l'hétérojonction réalisée à température plus basse, ce qui suggère une interface de qualité inférieure en raison d'une plus grande quantité d'oxyde cuivrique. L'optimisation des conditions de croissance de l'oxyde de zinc par ALD atmosphérique sur de l'oxyde cuivreux thermiquement oxydé a permis d'améliorer la qualité de l'interface de l'hétérojonction et les performances de la cellule solaire. La même stratégie d'optimisation peut être appliquée aux cellules solaires à base d'oxyde cuivreux déposées par voie électrochimique.Nous avons déposé de manière atmosphérique un oxyde de zinc et de magnésium cristallin sur de l'oxyde de cuivre afin d'augmenter la tension en circuit ouvert dans les cellules solaires à hétérojonction. Ce travail rapporte l'efficacité la plus élevée à ce jour de 2,2 pour cent pour les hétérojonctions à oxyde cuivreux obtenues hors vide.

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