מאמר שיטה

איכות heterojunction משופר ב Cu 2 O מבוסס תאים סולריים באמצעות אופטימיזציה של לחץ האטמוספרה אטומי שכבת מרחבים שהופקדה
Zn 1-x Mg x O

DOI:

10.3791/53501

⸱

31 ביולי 2016

 ,  ,  ,  , 
1Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, 2Cavendish Laboratory, University of Cambridge

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן אנו מציגים פרוטוקול סינתזה Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O heterojunctions ב-באוויר הפתוח בטמפרטורה נמוכה באמצעות בתצהיר שכבה אטומית מרחבית בלחץ אטמוספרי (AP-SALD) של Zn 1-x Mg x O על תחמוצת cuprous. כזה תחמוצות מתכת באיכות גבוהה קונפורמי ניתן לגדל על מגוון מצעים כולל פלסטיק בשיטה זולה וניתן להרחבה זו.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תצהיר שכבה אטומית מרחבית בלחץ אטמוספרי (AP-SALD) שימש להפקדת סרטים דקים מסוג ZnOו-Zn 1-xMgxO על מצעי Cu2O מחומצנים תרמית מסוג p מחוץ לוואקום בטמפרטורה נמוכה. הביצועים של מכשירים פוטו-וולטאיים הכוללים צומת ZnO/Cu2O המיוצר באטמוספירה היו תלויים בתנאים של שקיעת סרט AP-SALD, כלומר, טמפרטורת המצע וזמן השקיעה, כמו גם בחשיפת המצע Cu2O לחומרים מחמצנים לפני ובמהלך שקיעת ZnO. חמצון שטחי של Cu2O ל-CuO זוהה כגורם מגביל לאיכות ההטרו-צומת עקב רקומבינציה בממשק ZnO/Cu 2O. אופטימיזציה של תנאי AP-SALD כמו גם הרחקת Cu2O מאוויר ולחות על מנת למזער את חמצון פני השטח של Cu2O הובילו לשיפור ביצועי המכשיר. עלייה של פי שלושה במתח המעגל הפתוח (עד 0.65 וולט) ועלייה של פי שניים בצפיפות זרם הקצר מייצרים תאים סולאריים עם יעילות שיא של 2.2% בהמרת הספק (PCE). PCE זה הוא הגבוה ביותר שדווח עבור צומת Zn1-xMgxO/Cu2O שנוצר מחוץ לוואקום, המדגיש ALD מרחבי בלחץ אטמוספרי כטכניקה מבטיחה לייצור זול וניתן להרחבה של פוטו-וולטאים מבוססי Cu2O.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תחמוצת cuprous (Cu 2 O) הוא חומר מוליך למחצה ארץ-בשפע רעיל מסוג p 1. עם פער הלהקה של 2 eV, תחמוצת cuprous יכול למלא את התפקיד של בולם אור בתאים סולאריים heterojunction או טנדם. בתאים סולאריים heterojunction, Cu 2 O ידוע להיות משויך מוליכים למחצה הפער הלהקה מגוון מסוג n גדול כגון ZnO 2 ווריאציות מסוממים שלה 3,4, Ga 2 O 3 5,6 ו Tio 2 7 (במשך יותר סקירה מפורטת על Cu 2 O photovoltaics ראו נ"צ. 8). התפתחות Cu 2 O מבוסס תאים סולריים heterojunction מוצג באיור 1, שבו שיטת סינתזה של heterojunction מותווה ליד כל נקודה נתונים. אפשר לציין כי שיטות המבוססות ואקום כגון בתצהיר לייזר פעמו (PLD) או בתצהיר שכבה אטומית (ALD) מותר יעילות ההמרה כוח עליון להיות מושגת (עד 6.1% 9). בשנת שיתוףntrast, את היעילות של שיטות סינתזה הלא ואקום כגון בתצהיר אלקטרוכימיים (ECD) נותרה נמוכה. עם זאת, עבור photovoltaics בעלות נמוכה עדיף לסנתז את heterojunction מחוץ ואקום. בעוד ואקום ללא, טכניקה להרחבה של היווצרות heterojunction היא חלופה מתאימה יותר, זה עדיין עומד אתגר לייצר ממשק באיכות גבוהה על ידי שיטות כאלה. בעבודה זו אנו לנצל באוויר פתוח, בתצהיר תהליך סרט דק להרחבה בשם בלחץ אטמוספרי בתצהיר שכבת מרחבית האטומית (AP-SALD) לגדול תחמוצות מסוג n עבור Cu 2 O מבוססות תאים סולריים. קידומם של AP-SALD מעל אלד מקובל הוא כי לשעבר, מבשרים מופרד בחלל ולא בזמן 10. במהלך תהליך ההדחה, מצע נע קדימה ואחורה על platen מחומם תחת סעפת גז המכילה ערוצי גז מבשר מופרדות ערוצי גז אינרטי, כפי שמוצג באיור 2. גז החנקן נושא את precursORS זורם אנכי דרך סעפת הגז לכיוון העברת Platen הרוחבית. בשל תנודות של גליל הדיו כל נקודה על פני המצע חשופה ברצף כדי מבשרי חמצון ומתכת, כפי שמודגם באיור 2. דבר זה מאפשר הסרט תחמוצת מתכת לגדול שכבה אחר שכבה. תיאור מפורט של עיצוב כור AP-SALD ותפעול ניתן למצוא במקום אחר. 11,12 גישה זו מאפשרת בתצהיר להתרחש אחד שני סדרי גודל יותר מהר מאשר תלד קונבנציונלי ואקום בחוץ, אשר תואמו עם רול ל-רול עיבוד . תחמוצת קונפורמי באיכות גבוהה סרטים שהופקו על ידי AP-SALD ניתן להפקיד בטמפרטורות נמוכות (<150 ° C) על מגוון מצעים כולל פלסטיק, המאפשר סרטים AP-SALD לחול על מכשירים פונקציונליים בעלות נמוכה כגון תאים סולריים 13 , דיודות פולטות אור 14 וטרנזיסטורים סרט דק 15.

סעפת גז בהתאמה אישית AP-SALDהמשמש בעבודה זו נשמר באופן מכאני על מצע דגש על המסגרת. זו אפשרה שליטה על עצמאית ריווח-סעפת המצע של ספיקות גז. מרווח גדול של 50 מיקרומטר שמש, אשר הביא וערבוב בין מבשר מתכת החמצון בשלב הגז. לכן, כור AP-SALD הופעל שיקוע כימי מצב (CVD). זו נמצאה להיות יתרון על פני הפעלה במצב ילד כי הסרטים גדלו בשיעור גבוה, אך עדיין עם אחידות עובי גבוה היו גבישים כאשר שהופקדו בטמפרטורה הזהה סרטים ילדו. 12 בזאת, אנו עדיין מתייחסים הכור כמו כור AP-SALD כי יש לו את אותם עקרונות עיצוב בסיסיים כמו כורים AP-SALD אחרים. 11

השתמשנו הכור שלנו להפקיד את השכבה מסוג n עבור התאים הסולריים שלנו, תחמוצת אבץ בפרט ותחמוצת מגנזיום ואבץ (Zn 1-x Mg x O 16,17). שילוב Mg into ZnO מאפשר פס ההולכה להיות מכוון, וזה חשוב לצמצום הפסדים בשל thermalization זנב הלהקה 13 ו רקומבינציה interfacial. 18,19

כאן אנו מראים כיצד כוונון התנאים להפקדת סרטים תחמוצת מגנזיום אוקסיד ואבץ אבץ על מצעים תחמוצת cuprous חמצון תרמית מותר איכות ממשק משופר ולכן ביצוע תאים סולאריים טוב כדי להתקבל. שיפור זה התאפשר באמצעות זיהוי של הגורם המגביל העיקרי ב Cu 2 O תאים סולריים המבוססים: רקומבינציה על הממשק heterojunction עקב היווצרות יתר של תחמוצת Cupric (CuO) על פני השטח Cu 2 O.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת מצעי cuprous אוקסיד

  1. חמצון של רדיד נחוש
    1. חותך 0.127 מ"מ רדיד Cu עבה לתוך 13 מ"מ x 13 מ"מ ריבועים ונקיים ידי sonicating אצטון.
    2. חמם רדיד נחוש 1,000 מעלות צלזיוס כאשר הוא זורם Ar גז ברציפות דרך הכבשן. לפקח על סביבת הגז בכבשן עם נתח גז ברחבי החמצון. כאשר הטמפרטורה של 1,000 מעלות צלזיוס הוא הגיע, להציג חמצן התנור בקצב זרימה להשיג 10,000 עמודים לדקת חמצן לחץ חלקי ולשמור כי במשך שעה לפחות 2. אחרי שעה 2, לכבות את החמצן אלא לשמור על גז Ar זורם.
    3. לקרר את התנור ל -500 מעלות צלזיוס (לשמור על גז Ar זורם). להרוות את דגימות חמצון על ידי נסיגה מהירה של כורי היתוך מכבשן. טובל את המצעים לתוך מי deionized כדי לקרר אותם מהר.
  2. תחריט של Cu 2 O
    1. Etch צד אחד של המצעים ידי החלה שוב ושובירידה של חומצה חנקתית לדלל (1: 1 תערובת של H 2 O ו 70% HNO 3) כדי להסיר כל תחמוצת Cupric מפני השטח. המשך תחריט עד לא סרט אפור גלוי על פני השטח Cu 2 O. זהירות: הליך זה מבוצע במנדף.
    2. מיד לאחר תחריט, ולשטוף כל המצע במים deionized ו sonicate ב isopropanol. יבש עם רובה אוויר.
    3. פיקדון 80 ננומטר של זהב על הצד החרוט של מצעי Cu 2 O על ידי מתאדה גלול זהב 1 גרם להציב סירת טונגסטן בתוך מאייד התנגדות. השתמש בסיס הלחץ 8 x 10 -6 mbar ועדכני של 4 להגיע שיעור האידוי של 0.8 A / sec.
    4. Etch בצד השני של מצעים חומצה חנקתית לדלל ידי החלת טיפת חומצה על פני השטח. ודא החומצה לא לחרוט את סרט הזהב בצד השני. שטפו sonicate כמפורט בסעיף 1.2.2.
    5. מכסה את המצעים עם צבע בידוד שחור (משתמש בדואר בטמפרטורה גבוהאמייל ngine) באמצעות מברשת צבע, עוזב שטח ללא מסיכה של כ 0.1 ס"מ 2 כאזור פעיל של תאים סולריים. מכסה את האלקטרודה זהב על הצד האחורי עם עט סימון לחלוטין.

2. הפקדה Zn 1-x Mg x O Reactor AP-SALD שימוש

הערה:.. הפקדת Zn 1-x Mg x O סרטים בצד המסיכה של Cu 2 O מצעים 13 בעבודה זו, כור מחוייט AP-SALD שמש, מותאמים מן התכנון המקורי פותח על ידי קודאק 11,12 פרטים של התאמה אישית הכור ניתנים Ref. 12.

  1. הגדרת מערכת AP-SALD כדלקמן:
    1. השתמש diethylzinc (Dez) כמבשר ו bis Zn (ethylcyclopentadienyl) מגנזיום כמבשר Mg. אלו הם סימנים מקדימים נוזלים כל כלול bubblers הזכוכית הנפרד. המבשרים הם pyrophoric ו לא צריך לבוא במגע עם אוויר או מים. המערכת בתצהיר הוא גז חזק.
    2. להפקדה תחמוצת אבץ, להתאים את קצב מבעבע של גז חנקן דרך diethylzinc ל -25 מ"ל / דקה, אשר נכלל ב RT (20 מעלות צלזיוס). להפקדה תחמוצת מגנזיום ואבץ, ומתאימים את נתח הגז של כל מבשר על ידי קביעת שיעור מבעבע דרך diethylzinc עד 6 מ"ל / דקה ו -200 מ"ל / דקה דרך bis (ethylcyclopentadienyl) מגנזיום (שהוא מחומם ל -55 מעלות צלזיוס) כדי לשלוט על Zn יחס Mg ב Zn 1-x Mg x O.
    3. הגדר את קצב זרימת הגז המוביל חנקן עבור תערובת מבשר מתכת 100 מ"ל / דקה. גז חנקן הבועה ב 100 מ"ל / דקה באמצעות מים ללא יונים, אשר מועסק כמו חמצון. אדי זה מדולל הגז המוביל חנקן זורם ב 200 מ"ל / דקה.
    4. זרימת הגז חנקן ב 500 מ"ל / דקה סעפת גז. בשנת סעפת גז AP-SALD, גז חנקן זה מפוצל לארבעה ערוצים נפרדים. כל ערוץ משמש מרחבית להפריד את ערוצי חמצון שני מערוץ שילוב מתכת המבשר ביניהם.
  2. שמור סעפת הגז בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס באמצעות במחזור מים. חממו את הבמה (העברת Platen) לטמפרטורה הרצויה (50 - 150 ° C).
  3. קבע את המרחק מדגם אל ראש הרצוי, גודל המדגם, מהירות platen (50 מ"מ / sec) ומספר תנודות (מחזורי) עם תוכנת שליטה על המסגרת. שיעור בתצהיר ZnO הוא 1.1 ננומטר / sec (או למחזור) והמחיר Zn 1-x Mg x O בתצהיר הוא כ 0.54 ננומטר / sec ב 150 מעלות צלזיוס. מספר טיפוסי של מחזורים בתצהיר הוא 200.
  4. להפקיד את התחמוצת הרצויה בשקופית זכוכית עבור 400 תנודות או עד סרט הומוגנית עבה ברור ניתן לראות.
  5. מניח את המצע על מסכת זכוכית במידת צורך, ולאחר מכן למקם אותו מתחת סעפת הגז. התאם את הראש (סעפת גז) בגובה עד 50 מיקרומטר מעל המצע.
  6. להפקיד את Zn 1-x Mg x O סרטים על ידי פתיחת השסתומים הראשון עבור bubbler מבשר Mg, אז bubbler מבשר Zn, ולאחר מכן להתחיל moving גליל הזנת הנייר תחת סעפת גז על ידי לחיצה על "התחל בתצהיר" בתוכנה. פתח את bubbler O H 2 רק לאחר סריקת המצע עם 5 תנודות של מבשרי מתכת על מנת להימנע מחשיפת המשטח Cu 2 O ל החמצון תוך מחומם.
  7. כאשר בתצהיר נגמר, להסיר את מצעי Cu 2 O מן platen מחומם במהירות אפשרית ולסגור את שסתומי bubbler של מבשרי המתכת. נקה את ערוצי גז הסעפת עם להב כדי להסיר כל אבקת תחמוצת שהופקדה. הפעל את המחזור בתצהיר הבא כמתואר 2.6.
  8. בסיום, לטהר את המערכת למשך 30 דקות לפני סגירת שסתומי החנקן.

3. המקרטעת של איטו

  1. גמגום 175 ננומטר של תחמוצת אינדיום בדיל (איטו) על ידי magnetron זרם ישר מקרטע 20 על התנאים הבאים:. כוח 20 ואט, לחץ בסיס <10 -9 mbar, לחץ Ar 2.5 Pa בקצב מקרטע של 35 ננומטר / דקה, גמגום ITO למשך 5 דקות עבור סרט איטו עבה 175 ננומטר. וכתוצאה מכך איטו / ZnO / Cu 2 O heterojunction מוצג באיור 3.

גימור 4. של התקנים

  1. נקו את בטוש מן האלקטרודה זהב עם אצטון כדי לחשוף את האלקטרודה הזהב.
  2. החל מגעים חשמליים על ידי דבק 2 חוטים דקים עם רסק Ag על אלקטרודות איטו ו- Au.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מבחינה תרמודינמית, CuO הוא השלב היציב רק של תחמוצת נחושת באוויר ב RT, כמו בתרשים יציבות שלב Cu-O מגלה 21 - 23. כדי לאמת את הנוכחות של CuO על פני השטח של Cu 2 O, ספקטרום הקליטה של חרוט ו unetched חמצון תרמית Cu 2 O מצעים נלקחו עם ספקטרוסקופיה סטיה photothermal (PDS) - טכניקה רגישה מאוד המאפשר למדידת ספיגת הפער תת-band 24 (איור 4). שני הספקטרום הראה קליטה מעל 1.4 eV, אשר עולה בקנה אחד עם פער הלהקה של CuO, לפני להרוות ב 2 eV (פער הלהקה Cu 2 O). מצע unetched היה קליטה גבוהה מתחת ל -2 eV, דבר המצביע על שכבה עבה של CuO על פני השטח של unetched Cu 2 O מאשר על פני המצע החרוט. הבלעה באיור 4 מראה שכבה אפורה של CuO על פני המצע כמו-חמצון (unetched) Cu 2 O. בזמןשום סרט אפור ניתן היה לזהות ויזואלית על פני המצע חרוט, כמה CuO היה עדיין קיים על פני השטח שלו, כמו מדידות PDS מרמז. הנוכחות של סרט CuO דק מאוד על פני השטח של Cu 2 O מצעים אושר גם עם ספקטרוסקופיה photoelectron רנטגן (XPS) 19,25. נוכח תחמוצת Cupric על פני שטח Cu 2 O מציג מדינות מלכודות ברמה העמוקה (Cu 2+) 18 על ממשק heterojunction שיכול לפעול כמרכזי רקומבינציה, ולכן נוכחות CuO בצומת pn אינה רצויה.

חימום Cu 2 O מצעים בנוכחות חמצון (למשל, אוויר ולחות) הופך לפשוט יותר את החמצון של Cu 2 O CuO. על מנת לקבל ZnO polycrystalline ידי AP-SALD, מצעים מחוממים ל -150 מעלות צלזיוס. כמו המצע מוחזק בטמפרטורה גבוהה באוויר פתוח או מתחת גז החמצון במהלך בתצהיר, CuO טפסים במהירות על Cu איור 5 מראה מיקרוסקופיית אלקטרונים (SEM) תמונות של Cu 2 O מצע חרוט לפני ואחרי הוצאות 3 דקות על platen AP-SALD ב 150 מעלות צלזיוס מתחת לזרם של חנקן. בצמחים CuO מרובים ניתן לראות על פני המצע annealed, עם הרכב שלהם להיות קרוב לזה של CuO כשם מאומת על ידי ספקטרוסקופיה רנטגן אנרגיה נפיצה (EDX).

מכשירי פוטו נעשו עם ZnO שהופקד על ידי AP-SALD ב 150 מעלות צלזיוס למשך 400 שניות על גבי מצעי Cu 2 O חמצון תרמית החרוט. איור 6 א מראה את פני השטח של מכשיר תקן זה. אפשר להבחין rod- רב בצמחים דמוי פרח נוכח המכשיר. כפי שאושרו קודם לכן עם EDX ו PDS, בצמחים אלה תחמוצת Cupric ו להתרחש עקב Cu 2 O חשיפה לאוויר וחומרים מחמצנים. טבלה 1 ואיור 7 ( 'ZnO / Cu 2 O תקן' גurve) להדגים את הישגיהם הנמוכים באופן יחסי של המכשיר הזה.

על מנת למנוע היווצרות CuO על פני השטח Cu 2 O, התנאים להפקדת ZnO ידי AP-SALD על מצעי Cu 2 O חמצון תרמית החרוט היו אופטימיזציה. הצעדים הבאים נלקחו על מנת למזער צמיחה CuO: הפחתת הטמפרטורה בתצהיר (איור 8 א); הפחתה של זמן בתצהיר (איור 8b); סריקת פני המצע במשך כמה תנודות ללא חשיפה לגז חמצון, כלומר, עם סימנים מקדימים מתכת רק וערוצי אינרטי פתוח (8C איור); ולבסוף, הימנעות חימום מיותר של עירום Cu 2 O מצעים באוויר רק לפני תחילת בתצהיר. הפרמטרים האופטימליים של בתצהיר ZnO על Cu 2 O נמצאו 100 ° C, 100 שניות ו -5 מחזורים ללא מים. פני השטח של המכשיר המותאם היה חינם של outgrowt CuOhs, כפי שעולה באיור 6B. בעל מתח צפיפות זרם (JV) מאפיין של המכשיר ZnO אופטימיזציה / Cu 2 O מושווה עם מכשיר סטנדרטי באיור 7. המופע פוטו של שני המכשירים סטנדרטיים מותאם ZnO / Cu 2 O מוצג בטבלה 1. זה יכול לראות כי על ידי ביצוע הצעדים הארבעה הנזכרים לעיל, יעילות המר פי שישה גידול הכח של התקני הושג.

כדי להמשיך להבהיר את השפעת אופטימיזציה של תנאי AP-SALD על ההפחתה של CuO ואיכות heterojunction, יעילות קוונטית חיצונית (EQE) מדידות בוצעו על מכשירים עם ZnO שהופקדו ב 150 ° C ו -100 ° C (איור 9). ספקטרה EQE של שני המכשירים, תוך דומה באורכי גל מעל 475 ננומטר, שונה משמעותית באורכי גל מתחת ל -475 ננומטר, המהווה את הטווח של אורכי גל הים נספג קרוב לממשק. עבור קרינה באורך גל קצר יותר, EQE של המכשיר עם ZnO עשה בטמפרטורה גבוהה היה פחות ממחצית מזה של המכשיר עם ZnO עשה בטמפרטורה נמוכה. הדבר מצביע על כך יותר תחמוצת Cupric נכחה ממשק ZnO / Cu 2 O עשה בטמפרטורה גבוהה, אשר הקטין אוסף תשלום מהאזור הקרוב heterointerface עקב רקומבינציה מוגברת.

Mg שולב AP-SALD ZnO סרטים כדי להעלות את פס ההולכה של ZnO וכדי להקטין רקומבינציה עוד 15. Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O תאים סולריים נעשו עם הסרטים Zn 0.8 Mg 0.2 O אופטימיזציה, וכתוצאה מכך PCE התקן 2.2% - הגבוהה ביותר עד כה עבור Cu 2 מבוסס O תאים סולריים עם באוויר הפתוח מפוברק heterojunctions (ראה את ביצועי המכשיר באיור 7 ולוח 1).

התוכן "FO: keep-together.within-page =" 1 "> figure-results-1
איור 1. Cu 2 יעילות תאים סולריות מבוססות O לפי שנת פרסום (נתון זה יש הבדל בין Ref. 8). מרקרים לציין אם הממשק הוקם בשנת ואקום או אווירה (לא ואקום) ותוויות לציין את השיטה היווצרות heterojunction. MSP - מקרטעת magnetron, IBS - מקרטעת אלומת יונים, VAPE - ואקום אידוי פלזמת קשת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-2
איור 2. סכמטי של תהליך הדחת AP-SALD (לעומת אלד קונבנציונלי) ואת ההגדרה להפקת שור מתכת multicomponentאידו. (א) חשיפה סדרתית של כל שלב מבשר ויקיא ב ALD הקונבנציונלי (דלתא-סימום) (נתון זה שוחזר מן Ref. 11). בהקשר של כתב היד הזה, M1 הוא אדי diethylzinc, bis M2 (ethylcyclopentadienyl) אדי מגנזיום, ואדי מים O1 ו- O2. (ב) חשיפה סדרתית של תערובת מבשר מתכת (שיתוף הזרקה), ערוצי גז אינרטי (שווה ערך ל צעד 'הטיהור') ו חמצון ב AP-SALD (נתון זה שוחזר מן Ref. 11). (ג) סכמטי של כור AP-SALD כללית, המציג את מבשרי מופרדים מרחבית על ידי ערוצי גז אינרטי, עם המצע oscillated מתחת הערוצים השונים (נתון זה שוחזר מן Ref. 11, המהווה שינוי מאחד נ"צ. 26). (ד) סכמטי סקירה כללית של המרכיבים החשובים של מערכת AP-SALD עם מיקרוסקופ כוח אטומי תמונות (AFM) מראה את המורפולוגיה שלהמצע לפני ואחרי Zn 1-x Mg x O בתצהיר (נתון זה שוחזר מן Ref. 13). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-3
איור 3. חתך SEM תמונה של איטו / ZnO / Cu 2 O heterojunction (נתון זה שוחזר מן Ref. 8). ציפוי קונפורמי של Cu 2 O המצע עם סרטים ZnO ו איטו ניתן לצפות. אנא לחץ כאן לצפייה גרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-4
איור 4. PDS ספקטרום של חרוט ו unetched (כמו-oxi dized) Cu 2 O מצעים (נתון זה יש הבדל בין Ref. 8). את ריבועי להראות צילומי מצעי תחמוצת cuprous החרוטים ו unetched. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-5
איור 5. SEM תמונות של פני השטח של מצע Cu 2 O כאשר (א) חקוק טרי (ב) לאחר החישול ב 150 מעלות צלזיוס באוויר במשך 3 דקות (נתון זה שוחזר מן Ref. 8). שטח צג ריבועים הרכב נרכש עם EDX. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

501 / 53501fig6.jpg "/>
איור 6. תמונות SEM של פני השטח של ZnO / Cu 2 O תאים סולריים עשויים באמצעות (א) תנאים סטנדרטיים (B) תנאים אופטימיזציה של AP-SALD ZnO (נתון זה שוחזר מן Ref. 8). בצמחים שונים יכול להיות לראות את המכשיר הסטנדרטי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-6
איור 7. מאפיינים JV אור עבור Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O תאים סולריים מפוברק בתנאים סטנדרטיים מותאם AP-SALD (נתון זה יש הבדל בין Ref. 8). העיקולים JV להפגין שיפור ביצועים תאים סולריים כאשר תנאי רכב AP-SALD של Zn 1-x Mg x סרטי O מותאמים.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-7
איור 8. השפעת פרמטרים AP-SALD על הביצועים של ZnO / Cu 2 O תאים סולריים. (א) ו- (ב) ההשפעה של זמן בתצהיר AP-SALD ZnO וטמפרטורה על המתח הפתוח במעגל (OC V) של המכשירים (נתון זה שוחזר מן Ref. 8), (ג) מתאם אספקת המים מחזורי חינם עם OC V של המכשירים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

figure-results-8
איור 9. EQE spectrא תאים סולריים ZnO / Cu 2 O עם ZnO שהופקדו ב 100 מעלות צלזיוס ו 150 מעלות צלזיוס. (נתון זה שוחזר מן Ref. 8). מתח להרחיב במעגל אחד מההתקנים המצוין האגדה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תא סולרי טמפרטורת הפקדה, ° C זמן בתצהיר, שניות J SC, mA / 2 ס"מ V OC, V FF,% PCE,%
ZnO / Cu 2 O רגיל 150 400 3.7 0.18 35 0.23
ZnO / Cu 2 O אופטימליים 100 100 7.5 0.49 40 1.46
Zn 0.8 Mg 0.2 / Cu 2 O אופטימליים 150 100 6.9 0.65 49 2.20

טבלה 1. תקן אופטימיזציה AP-SALD Zn 1-x Mg x O פרמטרים בתצהיר וביצועים של איטו המקביל הכי טוב / Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O תאים סולריים (טבלה זו יש הבדל בין Ref. 8) . SC J - לקצר צפיפות זרם, FF - למלא גורם.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

צעדים קריטיים בתוך הפרוטוקול נקבעו על ידי O Cu 2 לחמצון פני מצע CuO. אלה כוללים תחריט של מצעים חומצה חנקתית לדלל כדי להסיר כל CuO לאחר חמצון וכן לאחר אידוי של האלקטרודה הזהב, מזעור מצעים זמן לבלות באוויר הפתוח לפני בתצהיר Zn 1-x Mg x O ולבסוף, בתצהיר של Zn 1-x Mg x O על Cu 2 O מצעים ידי AP-SALD.

היתרון של AP-SALD לעומת אלד מקובל הוא כי סרטים יכולים להיות מבוגרים מחוץ ואקום עם שיעור צמיחה כי הוא אחד שני סדרי גודל גבוה. עם זאת, זה מרמז כי מצעי Cu 2 O יש להיחשף אוקסידנטים אוויר בטמפרטורה גבוהה לפחות רק לפני בתצהיר, אשר מספקים שכבת CuO דקה להיוצר על פני השטח. זה לכאורה מגביל את יישום שיטת AP-SALD לכמה מאטריית חמצון רגישls. עם זאת, על ידי אופטימיזציה בתנאים AP-SALD כגון טמפרטורה וזמן, כמו גם צמצום החשיפה Cu 2 O אוויר ורטיבות, גידול פי שישה ב יעילות ההמרה של ZnO / Cu 2 O התקנים מבוצעים באמצעות AP-SALD הושג . השיפור בא מתוך הבנה כי Cu 2 O לחמצון CuO הוא הגורם המגביל העיקרי של תחמוצת נחושת כחומר בתאים סולאריים heterojunction ושינוי פרוטוקול ייצור בהתאם.

על מנת למנוע חמצון לחלוטין של תחמוצת cuprous, המצעים צריכים להישמר באווירה אינרטי או בחלל ריק כל הזמן, אשר יכולה להיות מאתגר כאשר העסיקו טכניקה בתצהיר באוויר פתוח כגון AP-SALD. בעוד החמצון של Cu 2 O הוא נמנע בטכניקות מבוססות ואקום 3,18, לייצור בקנה מידה גדולה, חשוב כי בעיה זו ניתן למזער בתהליכי ייצור אטמוספרי. ב AP-SALD, פני המצע יכול להיחשףצמצום סוכנים לפני ההיווצרות של heterointerface, על ידי איזון החמצון של Cu 2 O עם הירידה של CuO באמצעות גז להרכיב במהלך בתצהיר של תחמוצת מסוג n. 25 סוכן הצמצום בשימוש AP-SALD יכול להיות תערובת של גז אינרטי עם גז צמצום (למשל, N 2 + 5% H 2 25), או מספר מחזורי עם מבשר הפחתה לפני בתצהיר, כלומר, מחזורים ללא מים, על מנת לצמצם CuO חזרה Cu 2 O רק לפני תחמוצת ZnO מתחיל לצמוח על פני השטח שלו.

בעבודה זו, פרוטוקול סטנדרטי פותחה הממזער היווצרות CuO אופטימיזציה צעדים בדיה מעיבוד O Cu 2 ותחריט להיווצרות צומת pn ידי AP-SALD in-באוויר הפתוח. ההצלחה של עבודה זו ממחישה את הפוטנציאל של AP-SALD כשיטה מבטיח ליישום התקנים פוטו זולים וניתן להרחבה. הטכניקה יכולה לשמש depos מהרition של מגוון תחמוצות מתכת מוליכים למחצה n- ו מסוג p וכן חסימה, חיץ שכבות מכשול תאים סולריים על מצעים רגישים לחום כולל פלסטיק.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים על תמיכתם של קרן קיימברידג' מעבר לים וחבר העמים, קרן רתרפורד של ניו זילנד, גירטון קולג' קיימברידג'. עבודה זו מומנה על ידי מענק החוקר המתקדם של ERC, Novox, ERC-2009-adG247276 ועל ידי EPSRC (תחת RGS3717).

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
רדיד נחושתאבוקדו מחקר כימיקלים בע"מ T / A Alfa Aesar133800.127 מ"מ עובי, 99.9% (בסיס מתכות),
חישול Rapidox מנתח חמצןRapidoxדגם 2100
סירת אלומינהAlmath Crucibles LTD6121203מידות 20 מ"מ x 50  מ"מ x 5  מ"מ
כדורי זהבKJLCEVMAUXX40G99.99% טהור, 1/8 אינץ' x 1/8 אינץ', נמכר על ידי הגרם
DiethylzincAldrich256781≥ 52 wt. % Zn בסיס
Bis(ethylcyclopentadienyl) מגנזיוםStrem Chemicals UK12-05105 גרם
ITO יעדGoodFellow Cambridge LimitedLS 427438תחמוצת אינדיום/תחמוצת פח (ב<תת>2O3 90 / SnO2 10). מצב: כבישה חמה. עובי: 2.0  מ"מ ± 0.5 מ"מ. גודל: 35.5  מ"מ x 55.5  מ"מ ± 0.5 
צבע אמייל מנוע VHTHalfords325019צבע שחור אמייל מנוע בטמפרטורה גבוהה מאוד
חומצה חנקתית HNO3, מגיב ACS 70% Sigma-Aldrich Co Ltd438073-2.5Lמזיק, מגרה
2% חמצן/ארגון 200 ברBOC Limited225757-Lתערובת גז לחמצון נייר כסף Cu, לדילול עם Ar
מ"מ

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Meyer, B. K., et al. Binary copper oxide semiconductors: From materials towards devices. Phys. Status Solidi (B). 249 (8), 1487-1509 (2012).
  2. Mittiga, A., Salza, E., Sarto, F., Tucci, M., Vasanthi, R. Heterojunction solar cell with 2% efficiency based on a Cu2O substrate. Appl. Phys. Lett. 88 (16), 163502(2006).
  3. Minami, T., Miyata, T., Nishi, Y. Cu2O-based heterojunction solar cells with an Al-doped ZnO/oxide semiconductor/thermally oxidized Cu2O sheet structure. Solar Energy. 105, 206-217 (2014).
  4. Duan, Z., Du Pasquier, A., Lu, Y., Xu, Y., Garfunkel, E. Effects of Mg composition on open circuit voltage of Cu2O-MgxZn1−xO heterojunction solar cells. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 96, 1-6 (2011).
  5. Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. High-efficiency Cu2O-based heterojunction solar cells fabricated using a Ga2O3 thin film as n-type layer. Appl. Phys. Express. 6 (4), 044101(2013).
  6. Lee, Y. S., et al. Atomic layer deposited gallium oxide buffer layer enables 1.2 v open-circuit voltage in cuprous oxide solar cells. Adv. Mater. 26 (27), 4704-4710 (2014).
  7. Pavan, M., et al. TiO2/Cu2O all-oxide heterojunction solar cells produced by spray pyrolysis. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 132, 549-556 (2015).
  8. Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z., Sadhanala, A., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Fabrication of ZnO/Cu2O heterojunctions in atmospheric conditions: Improved interface quality and solar cell performance. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 135, 43-48 (2015).
  9. Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. Heterojunction solar cell with 6% efficiency based on an n-type aluminum-gallium-oxide thin film and p-type sodium-doped Cu2O sheet. Appl. Phys. Express. 8, 022301(2015).
  10. Munoz-Rojas, D., MacManus-Driscoll, J. Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition: A new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics. Mater. Horiz. , (2014).
  11. Hoye, R. L. Z., et al. Research Update: Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition of ZnO thin films: Reactors, doping, and devices. APL Mat. 3 (4), 040701(2015).
  12. Hoye, R. L. Z., Muñoz-Rojas, D., Musselman, K. P., Vaynzof, Y., MacManus-Driscoll, J. L. Synthesis and Modeling of Uniform Complex Metal Oxides by Close-Proximity Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 10684-10694 (2015).
  13. Hoye, R. L. Z., et al. Improved open-circuit voltage in ZnO-PbSe quantum dot solar cells by understanding and reducing losses arising from the ZnO conduction band tail. Adv. Energy Mat. 4 (8), 1301544(2014).
  14. Hoye, R. L. Z., et al. Enhanced Performance in Fluorene-Free Organometal Halide Perovskite Light-Emitting Diodes using Tunable, Low Electron Affinity Oxide Electron Injectors. Adv. Mater. 27, 1414-1419 (2014).
  15. Hoye, R. L. Z., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Research Update: Doping ZnO and TiO2 for solar cells. APL Mat. 1 (6), 060701(2013).
  16. Ohtomo, A., et al. MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy. Appl. Phys. Lett. 72 (19), 2466-2468 (1998).
  17. Su, S. C., et al. Valence band offset of ZnO4H-SiC heterojunction measured by x-ray photoelectron spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 92 (19), 1-4 (2008).
  18. Lee, S. W., et al. Improved Cu2O-based solar cells using atomic layer deposition to control the Cu oxidation state at the p-n junction. Adv. Energy Mat. 4 (11), 1301916(2014).
  19. Brandt, R. E., et al. Band offsets of n-type electron-selective contacts on cuprous oxide (Cu2O) for photovoltaics. Appl. Phys. Lett. 105 (26), 263901(2014).
  20. Hakimi, A. Magnetism and spin transport studies on indium tin oxide. , University of Cambridge. Doctoral Thesis, Department of Materials Science and Metallurgy http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/239351 (2011).
  21. Biccari, F. Defects and doping in Cu2O. , University of Rome, Department of Physics. Doctoral Thesis http://server2.phys.uniroma1.it/DipWeb/dottorato/DOTT_FISICA/MENU/03DOTTORANDI/TesiFin22/Biccari.pdf (2009).
  22. Schmidt-Whitley, R., Martinez-Clemente, M., Revcolevschi, A. Growth and microstructural control of single crystal cuprous oxide Cu2O. J. Cryst. Growth. 23 (2), 113-120 (1974).
  23. Laughlin, D. E., Hono, K. Predominance phase diagram for the Cu-O2 system. Physical Metallurgy. 1, 219(2014).
  24. Kronemeijer, A. J., et al. Two-dimensional carrier distribution in top-gate polymer field-effect transistors: correlation between width of density of localized states and Urbach energy. Adv. Mater. 26 (5), 728-733 (2014).
  25. Hoye, R. L. Z., et al. Perspective: Maintaining surface-phase purity is key to efficient open air fabricated cuprous oxide solar cells. APL Mat. 3, 020901(2015).
  26. Poodt, P., et al. Spatial atomic layer deposition: A route towards further industrialization of atomic layer deposition. J. Vac. Sci. Technol., A. 30 (1), 010802(2012).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

ALDZn1 xMgxOCu2OCu2OZnO Cu2O

מאמרים קשורים