Qualità Heterojunction migliorata in Cu

L'obiettivo generale di questa procedura è ottenere un'interfaccia di alta qualità in giunzioni eterogenee di ossido di zinco e ossido rameoso sintetizzate al di fuori del vuoto. Questo risultato si ottiene mediante deposizione atomica strato per strato in atmosfera, o AP-SALD, di film di ossido di zinco su ossido rameoso termicamente ossidato. L'ALD spaziale in atmosfera è una tecnica di stampa degli ossidi che consente il deposito di film ossidici conformi con un controllo preciso dello spessore, in un processo compatibile con condizioni ambientali e a bassa temperatura.

Il nostro sistema di ALD spaziale a pressione atmosferica è ideale per la sintesi rapida di ossidi metallici multi-componente di alta qualità, uniformi e cristallini per applicazioni elettroniche, come dimostrato in questo studio per l'ossido di zinco e magnesio. Innanzitutto, tagliare una lamina di rame dello spessore di 0,127 millimetri in quadrati di 13 per 13 millimetri e pulirli mediante sonicazione in acetone. Asciugare i quadrati di lamina di rame con un getto d'aria per rimuovere l'acetone residuo.

Quindi, posizionare i substrati essiccati in un crogiolo di alluminio e inserire il crogiolo in un forno. Riscaldare i quadrati di foglio di rame a 1.000 gradi Celsius con un flusso continuo di argon. Monitorare l'atmosfera gassosa all'interno del forno mediante l'analizzatore di gas per tutta la durata dell'ossidazione.

Quando si raggiunge una temperatura di 1 000 gradi Celsius, introdurre ossigeno nel forno a un flusso tale da ottenere una pressione parziale di ossigeno di 10 000 parti per milione e mantenere per almeno due ore. Trascorse due ore, spegnere il flusso di ossigeno. Con il flusso di gas argon in corso, raffreddare il forno fino a 500 gradi Celsius.

Frantumare i substrati ossidati mediante rapido prelievo dei crogioli dal forno. Successivamente, immergerli in acqua deionizzata per raffreddarli. Poi, incidere un lato dei substrati applicando ripetutamente una goccia di acido nitrico diluito per rimuovere qualsiasi ossido rameico dalla superficie.

Continuare l'incisione fino a quando non è visibile alcun film grigio sulla superficie dell'ossido rameico. Immediatamente dopo l'incisione, risciacquare ogni substrato con acqua deionizzata e sottoporlo a ultrasuoni in isopropanolo, quindi asciugare i substrati con una pistola ad aria. 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, avendo cura di non incidere l'elettrodo d'oro sull'altro lato.

Dopo aver sciacquato ed essiccato i substrati, ricoprili con una vernice isolante nera utilizzando un pennello, lasciando un'area non mascherata di circa 0,1 centimetri quadrati come area attiva della cella solare. Ricoprire l'elettrodo d'oro sul lato posteriore con un pennarello. Dopo aver configurato il reattore AP-SALD, regolare la portata di bollicine attraverso il precursore di dietilzinc a 6 millilitri al minuto e a 200 millilitri al minuto attraverso il precursore di magnesio per depositare l'ossido di zinco-magnesio.

Successivamente, impostare la portata del gas azoto come gas di trasporto per la miscela del precursore metallico a 100 millilitri al minuto e far gorgogliare azoto attraverso acqua deionizzata, che funge da ossidante, diluita con gas azoto che fluisce a 200 millilitri al minuto. Ora, far passare azoto a 500 millilitri al minuto nel collettore dei gas. Mantenere il collettore dei gas a una temperatura di 40 gradi Celsius mediante circolazione di acqua.

Quindi, riscaldare la piastra o la piastra mobile alla temperatura desiderata. Impostare le dimensioni del campione, la velocità della piastra e il numero di oscillazioni mediante il software di controllo della piastra. Depositare l'ossido desiderato su un vetrino per 400 oscillazioni o fino a quando non si osserva un film chiaro, spesso e omogeneo.

Dopo il deposito, posizionare il substrato su una maschera di vetro e collocarlo sotto il collettore di gas. Regolare l'altezza della testa, o del collettore di gas, a 50 micrometri sopra il substrato. Depositare i film di ossido di zinco e magnesio aprendo innanzitutto la valvola del boccione del precursor di magnesio, seguita dalla valvola del boccione del precursor di zinco.

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

Pulire i canali del gas nel collettore con una lama per rimuovere qualsiasi polvere di ossido depositata. È importante ridurre al minimo il tempo in cui i substrati di ossido rameoso incisi vengono lasciati all'aria aperta sulla piastra riscaldata, poiché la crescita dell'ossido rameoso sulla superficie è accelerata dall'aumento della temperatura. Dopo aver effettuato la sputtering di ossido di indio e stagno sui substrati, rimuovere il marcatore dall'elettrodo d'oro con l'acetone per esporre l'elettrodo.

Infine, applicare i contatti elettrici attaccando due fili sottili con pasta di argento sugli elettrodi di ossido di indio e stagno e oro. Gli spettri di deflessione fototermica dei substrati di ossido rameoso incisi e non incisi mostrano un'assorbanza superiore a 1,4 elettronvolt prima di saturarsi a due elettronvolt, fenomeno attribuibile alla presenza di ossido rameoso sulla superficie del substrato. Il substrato non inciso presenta un'assorbanza maggiore al di sotto di due elettronvolt, suggerendo uno strato più spesso di ossido rameico sulla superficie.

La presenza di escrescenze di ossido rameico su substrati di ossido rameoso è stata verificata mediante spettroscopia di energia dispersiva dei raggi X. L'immagine al microscopio elettronico a scansione della superficie di un normale dispositivo fotovoltaico mostra escrescenze di ossido rameico formatesi a seguito dell'esposizione dell'ossido rameoso all'aria e ad agenti ossidanti. Al contrario, la superficie del dispositivo ottimizzato è priva di escrescenze di ossido rameico.

È stato ottenuto un incremento sei volte maggiore nell'efficienza del dispositivo attraverso l'ottimizzazione delle condizioni di deposizione dell'ossido di zinco. I dispositivi con film di ossido di zinco e magnesio ottimizzati hanno raggiunto un'efficienza ancora maggiore, pari al 2,2 percento. Gli spettri di efficienza quantica esterna dei due dispositivi differiscono al di sotto di 475 nanometri, ovvero nella gamma di lunghezze d'onda assorbite in prossimità dell'interfaccia.

L'efficienza quantica esterna dell'eterogiunzione realizzata a temperatura più elevata è inferiore alla metà rispetto a quella dell'eterogiunzione prodotta a temperatura più bassa, suggerendo un'interfaccia di qualità inferiore a causa di una maggiore presenza di ossido rameico. L'ottimizzazione delle condizioni di crescita dell'ossido di zinco mediante ALD atmosferico su ossido rameoso termicamente ossidato ha permesso di migliorare la qualità dell'interfaccia dell'eterogiunzione e le prestazioni della cella solare. La stessa strategia di ottimizzazione può essere applicata alle celle solari a ossido rameoso depositato elettrochimicamente.

Abbiamo depositato per via atmosferica un ossido di zinco e magnesio cristallino sull'ossido di rame per aumentare la tensione di circuito aperto nelle celle solari a giunzione eterogenea. Questo studio riporta l'efficienza finora più elevata, pari al 2,2 percento, per giunzioni di ossido rameoso ottenute al di fuori di un ambiente sotto vuoto.