Qualità Heterojunction migliorata in Cu ₂ O basati su celle solari attraverso l'ottimizzazione della pressione atmosferica spaziale atomica strato depositato
Zn _1-x Mg _x O

Qui vi presentiamo un protocollo per la sintesi di Zn _1-x mg _x O / Cu ₂ O eterogiunzioni in open-air a bassa temperatura tramite pressione atmosferica spaziale Atomic Layer Deposition (AP-SALD) di Zn _1-x mg _x O su ossido rameoso. Tali ossidi metallici conformazionale alta qualità possono essere coltivate su una varietà di substrati compresi plastiche di questo metodo economico e scalabile.

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di ottenere un'interfaccia di alta qualità in eterogiunzioni di ossido di zinco e ossido rameoso sintetizzate al di fuori del vuoto. Ciò si ottiene mediante deposizione spaziale di strati atomici a pressione atmosferica o AP-SALD di film di ossido di zinco su ossido rameoso ossidato termicamente. L'ALD spaziale atmosferica è una tecnica di stampa a ossidi che consente la deposizione di film di ossidi conformi con un controllo preciso dello spessore nel loro doppio processo compatibile a pressione atmosferica e bassa temperatura.

Il nostro sistema ALD spaziale a pressione atmosferica è ideale per la sintesi rapida di ossidi metallici multicomponenti di alta qualità, uniformi, cristallini per l'elettronica, come dimostrato per l'ossido di zinco e magnesio in questo lavoro. Per prima cosa, tagliare una lamina di rame spessa 0,127 millimetri in quadrati di 13 per 13 millimetri e pulirla sonicando in acetone. Asciugare i quadrati di lamina di rame con una pistola ad aria compressa per rimuovere l'acetone residuo.

Quindi, posizionare i substrati essiccati in un crogiolo di alluminio e posizionare il crogiolo in una fornace. Scaldare i quadrati di foglio di rame a 1.000 gradi Celsius con un flusso continuo di argon. Monitorare l'ambiente del gas nel forno con l'analizzatore di gas durante l'ossidazione.

Quando viene raggiunta una temperatura di 1.000 gradi Celsius, introdurre ossigeno nel forno a una velocità di flusso tale da ottenere una pressione parziale di 10.000 parti per milione di ossigeno e mantenerla per almeno due ore. Dopo due ore, spegnere il flusso di ossigeno. Con il gas argon che scorre, raffreddare il forno a 500 gradi Celsius.

Scricchiolare i substrati ossidati mediante rapido ritiro dei crogioli dal forno. Quindi, immergili in acqua deionizzata per raffreddarli. Quindi, incidere un lato dei substrati applicando ripetutamente una goccia di acido nitrico diluito per rimuovere l'ossido rameico dalla superficie.

Continuare l'incisione fino a quando non è visibile alcuna pellicola grigia sulla superficie dell'ossido rameico. Immediatamente dopo l'incisione, sciacquare ogni substrato in acqua deionizzata e sonicare in isopropanolo, quindi asciugare i substrati con una pistola ad aria compressa. Dopo aver depositato l'oro sul lato inciso dei substrati, incidere l'altro lato dei substrati in acido nitrico diluito applicando una goccia di acido sulla superficie, facendo attenzione a non incidere l'elettrodo d'oro sull'altro lato.

Dopo aver risciacquato e asciugato i substrati, coprirli con una vernice isolante nera utilizzando un pennello, lasciando un'area non mascherata di circa 0,1 centimetri quadrati come l'area attiva della cella solare. Coprire l'elettrodo d'oro sul retro con un pennarello. Dopo aver impostato il reattore AP-SALD, regolare la velocità di gorgogliamento attraverso il precursore di dietilzinco a 6 millilitri al minuto e 200 millilitri al minuto attraverso il precursore di magnesio per depositare ossido di zinco e magnesio.

Quindi, impostare la portata del gas di trasporto dell'azoto per la miscela di precursori metallici a 100 millilitri al minuto e far bollire l'azoto attraverso l'acqua deionizzata, che funge da ossidante, diluita con azoto gassoso che scorre a 200 millilitri al minuto. Ora, far fluire l'azoto a 500 millilitri al minuto al collettore del gas. Mantenere il collettore del gas a una temperatura di 40 gradi Celsius tramite acqua circolante.

Quindi, riscaldare il tavolino o la piastra mobile alla temperatura desiderata. Impostare la dimensione del campione, la velocità della piastra e il numero di oscillazioni con il software che controlla la piastra. Depositare l'ossido desiderato su un vetrino per 400 oscillazioni o fino a quando non si vede una pellicola chiara, spessa e omogenea.

Dopo la deposizione, posizionare il sotttratto su una maschera di vetro e posizionarlo sotto il collettore del gas. Regolare l'altezza della testa, o del collettore del gas, a 50 micrometri sopra il substrato. Depositare le pellicole di ossido di zinco e magnesio aprendo prima la valvola per il gorgogliatore precursore di magnesio, seguita dalla valvola per il gorgogliatore precursore di zinco.

Quindi, iniziare a spostare la piastra sotto il collettore del gas facendo clic su Avvia deposizione nel software. Aprire il gorgogliatore d'acqua solo dopo aver scansionato il substrato con cinque oscillazioni di precursori metallici per evitare l'esposizione superficiale dell'ossido rameoso all'ossidante durante il riscaldamento. Al termine della deposizione, rimuovere i substrati dalla piastra riscaldata il più rapidamente possibile e chiudere le valvole del gorgogliatore dei precursori metallici.

Pulire i canali del gas nel collettore con una lama per rimuovere l'eventuale polvere di ossido depositata. È importante ridurre al minimo il tempo che i substrati di ossido rameoso inciso trascorrono all'aria aperta sulla piastra riscaldata, poiché la crescita dell'ossido rameoso sulla superficie viene accelerata con la temperatura. Dopo aver spruzzato l'ossido di indio e stagno sui substrati, rimuovere il pennarello dall'elettrodo d'oro con acetone per esporre l'elettrodo.

Infine, applicare i contatti elettrici incollando due fili sottili con pasta d'argento sugli elettrodi di ossido di indio stagno e oro. Gli spettri di deflessione fototermica dei substrati di ossido rameoso incisi e non incisi mostrano un assorbimento superiore a 1,4 elettronvolt prima di saturarsi a due elettronvolt, che può essere attribuito alla presenza di ossido rameoso sulla superficie del substrato. Il substrato non inciso ha un assorbimento più elevato al di sotto dei due elettronvolt, suggerendo uno strato di ossido rameico più spesso sulla superficie.

La presenza di escrescenze di ossido rameico su substrati di ossido rameoso è stata verificata mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia. L'immagine SEM di una superficie standard di una cella fotovoltaica mostra escrescenze di ossido rameico formate a causa dell'esposizione dell'ossido rameoso all'aria e agli ossidanti. Al contrario, la superficie del dispositivo ottimizzato è priva di escrescenze di ossido rameico.

L'efficienza del dispositivo è stata di sei volte superiore grazie all'ottimizzazione delle condizioni di deposizione dell'ossido di zinco. I dispositivi con i film di ossido di zinco e magnesio ottimizzati hanno prodotto un'efficienza ancora più elevata, pari al 2,2%. Gli spettri di efficienza quantistica esterna dei due dispositivi differiscono al di sotto di 475 nanometri, che è l'intervallo di lunghezze d'onda assorbite vicino all'interfaccia.

L'efficienza quantica esterna dell'eterogiunzione prodotta a temperatura più elevata è meno della metà di quella dell'eterogiunzione a temperatura più bassa, suggerendo un'interfaccia di qualità inferiore a causa di più ossido rameico. L'ottimizzazione delle condizioni per la crescita dell'ossido di zinco mediante ALD atmosferica per l'ossido rameoso ossidato termicamente ha permesso un miglioramento della qualità dell'interfaccia a eterogiunzione e delle prestazioni delle celle solari. La stessa strategia di ottimizzazione può essere applicata alle celle solari a ossido rameoso depositate elettrochimicamente.

Abbiamo depositato atmosfericamente ossido di zinco e magnesio cristallino su ossido di rame per aumentare la tensione a circuito aperto nelle celle solari a eterogiunzione. Questo lavoro ha riportato la più alta efficienza fino ad oggi del 2,2% per le eterogiunzioni di ossido rameoso ottenute al di fuori del vuoto.