Amélioration de la qualité de hétérojonction en Cu ₂ O à base de cellules solaires Grâce à l'optimisation de la pression atmosphérique couche spatiale atomique Déposée
Zn _1-x Mg _x O

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' intermédiaire de la pression atmosphérique spatiale dépôt de couche atomique (AP-SALD) de Zn _1-x Mg _x O sur l' 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.

L’objectif global de cette procédure est d’obtenir une interface de haute qualité dans les hétérojonctions d’oxyde de zinc synthétisées en dehors du vide. Ceci est réalisé par dépôt de couche atomique spatiale à pression atmosphérique ou AP-SALD de films d’oxyde de zinc sur de l’oxyde cuivreux oxydé thermiquement. L’ALD atmosphérique spatial est une technique d’impression à l’oxyde qui permet le dépôt de films d’oxyde conformes avec un contrôle précis de l’épaisseur dans leur propre processus double compatible à la pression atmosphérique et à basse température.

Notre système ALD spatial à pression atmosphérique est idéal pour la synthèse rapide d’oxydes métalliques multicomposants de haute qualité, uniformes, cristallins et multicomposants pour l’électronique, comme démontré pour l’oxyde de zinc et de magnésium dans ce travail. Tout d’abord, coupez une feuille de cuivre de 0,127 millimètre d’épaisseur en carrés de 13 x 13 millimètres et nettoyez en l’injectant de l’acétone. Séchez les carrés de feuille de cuivre avec un pistolet à air comprimé pour éliminer l’acétone résiduelle.

Ensuite, placez les substrats séchés dans un creuset en aluminium et placez le creuset dans un four. Chauffez les carrés de feuille de cuivre à 1 000 degrés Celsius avec un flux continu d’argon. Surveillez l’ambiance gazeuse dans le four à l’aide de l’analyseur de gaz tout au long de l’oxydation.

Lorsqu’une température de 1 000 degrés Celsius est atteinte, introduire de l’oxygène dans le four à un débit permettant d’obtenir une pression partielle de 10 000 parties par million d’oxygène et maintenir pendant au moins deux heures. Au bout de deux heures, coupez le flux d’oxygène. Avec le gaz argon qui circule, refroidissez le four à 500 degrés Celsius.

Croquer les substrats oxydés par retrait rapide des creusets du four. Ensuite, trempez-les dans de l’eau déminéralisée pour qu’ils refroidissent. Ensuite, gravez un côté des substrats en appliquant à plusieurs reprises une goutte d’acide nitrique dilué pour éliminer tout oxyde cuivrique de la surface.

Continuez la gravure jusqu’à ce qu’aucune pellicule grise ne soit visible sur la surface de l’oxyde cuivrique. Immédiatement après la gravure, rincez chaque substrat à l’eau désionisée et au sonicate à l’isopropanol, puis séchez les substrats avec un pistolet à air comprimé. Après avoir déposé de l’or sur la face gravée des substrats, gravez l’autre face 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 de l’autre côté.

Après avoir rincé et séché les substrats, couvrez-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. Couvrez l’électrode d’or à l’arrière avec un marqueur. Après avoir configuré le réacteur AP-SALD, ajustez le taux de bouillonnement à travers le précurseur de zinc-diéthyle à 6 millilitres par minute et à 200 millilitres par minute à travers le précurseur de magnésium pour déposer de l’oxyde de zinc et de magnésium.

Ensuite, réglez le débit du gaz vecteur d’azote pour le mélange de précurseurs métalliques à 100 millilitres par minute et faites buliser l’azote à travers de l’eau déminéralisée, qui sert d’oxydant, dilué avec de l’azote gazeux s’écoulant à 200 millilitres par minute. Maintenant, faites circuler l’azote à 500 millilitres par minute vers le collecteur de gaz. Maintenez le collecteur de gaz à une température de 40 degrés Celsius grâce à la circulation d’eau.

Ensuite, chauffez la platine ou le plateau mobile à la température souhaitée. Réglez la taille de l’échantillon, la vitesse du plateau et le nombre d’oscillations à l’aide du logiciel contrôlant le plateau. Déposez l’oxyde souhaité sur une lame de verre pendant 400 oscillations ou jusqu’à ce qu’un film clair, épais et homogène soit visible.

Après le dépôt, placez le subtrate sur un masque en verre et placez-le sous le collecteur de gaz. Ajustez la hauteur de la tête, ou du collecteur de gaz, à 50 micromètres au-dessus du substrat. Déposez les pellicules d’oxyde de zinc et de magnésium en ouvrant d’abord la vanne du barboteur précurseur de magnésium, puis la vanne du barboteur précurseur de zinc.

Ensuite, commencez à déplacer le plateau sous le collecteur de gaz en cliquant sur Démarrer le dépôt dans le logiciel. N’ouvrez le bulleur d’eau qu’après avoir balayé le substrat avec cinq oscillations de précurseurs métalliques afin d’éviter l’exposition de la surface de l’oxyde cuivré à l’oxydant pendant le chauffage. Une fois le dépôt terminé, retirez les substrats du plateau chauffé le plus rapidement possible et fermez les vannes à bulles des précurseurs métalliques.

Nettoyez les canaux de gaz dans le collecteur avec une lame pour éliminer toute poudre d’oxyde déposée. Il est important de minimiser le temps que les substrats d’oxyde cuivreux gravés passent à l’air libre sur le plateau chauffé, car la croissance de l’oxyde cuivreux à la surface est accélérée avec la température. Après avoir pulvérisé de l’oxyde d’indium et d’étain sur les substrats, retirez le marqueur de l’électrode d’or avec de l’acétone pour exposer l’électrode.

Enfin, appliquez des contacts électriques en collant deux fils minces avec de la pâte d’argent sur les électrodes d’oxyde d’indium et d’étain. Les spectres de déviation 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 a une absorption plus élevée en dessous de deux électronvolts, ce qui suggère une couche d’oxyde cuivrique plus épaisse à la surface.

La présence d’excroissances d’oxyde cuivrique sur des substrats d’oxyde cupreux a été vérifiée par spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie. L’image MEB de la surface d’une cellule photovoltaïque standard montre des excroissances d’oxyde cuivrier formées en raison de l’exposition à l’air et aux oxydants d’oxyde cuivrier. En revanche, la surface de l’appareil optimisé est exempte d’excroissances d’oxyde cuivrique.

L’efficacité du dispositif a été multipliée par six grâce à l’optimisation des conditions de dépôt d’oxyde de zinc. Les appareils dotés de films optimisés d’oxyde de zinc et de magnésium ont donné un rendement encore plus élevé de 2,2 %. Les spectres d’efficacité quantique externe des deux dispositifs diffèrent en dessous de 475 nanomètres, qui est la gamme de longueurs d’onde absorbées près de l’interface.

L’efficacité quantique externe de l’hétérojonction fabriquée à haute température est inférieure de moitié à celle de l’hétérojonction à basse température, 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 pour l’oxyde cupreuse oxydé thermiquement a permis d’améliorer la qualité de l’interface d’hétérojonction et les performances des cellules solaires. La même stratégie d’optimisation peut être appliquée aux cellules solaires à oxyde cuivreux déposées électrochimiquement.

Nous avons déposé atmosphériquement de l’oxyde de zinc et de magnésium cristallin sur de l’oxyde de cuivre pour augmenter la tension en circuit ouvert dans les cellules solaires à hétérojonction. Ce travail a rapporté l’efficacité la plus élevée à ce jour de 2,2 % pour les hétérojonctions d’oxyde cuivreux obtenues en dehors du vide.