Name: Qualità Heterojunction migliorata in Cu 2 O basati su celle solari attraverso lottimizzazione della pressione atmosferica spaziale atomica strato depositato Zn 1-x Mg x O (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Scopri come sintetizzare eterogiunzioni Zn₁₋ₓMgₓO/Cu₂O di alta qualità mediante deposizione atomica spaziale a pressione atmosferica. Questo metodo scalabile migliora l'efficienza dei dispositivi fotovoltaici fino a sei volte.

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Gli autori riconoscono il sostegno del Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, della Rutherford Foundation of New Zealand, del Girton College di Cambridge. Questo lavoro è stato finanziato dall'ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 e dall'EPSRC (sotto RGS3717).

1. Preparazione di rameoso ossido Substrati <ol><li> L&#39;ossidazione di un foglio di rame <ol><li> Tagliare 0,127 mm di spessore lamina di rame in 13 mm x 13 mm piazze e puliti da sonicating in acetone. </li><li> Riscaldare foglio di rame a 1.000 ° C mentre scorre continuamente gas Ar attraverso il forno. Monitorare l&#39;ambiente di gas nel forno con un analizzatore di gas durante l&#39;ossidazione. Quando viene raggiunta la temperatura di 1000 ° C, introdurre ossigeno al forno ad una velocità di flusso per ottenere 10.000 ppm pressione parziale di ossigeno e mantenere che per almeno 2 ore. Dopo 2 ore, spegnere l&#39;ossigeno, ma mantenere il gas Ar scorre. </li><li> Raffreddare il forno a 500 ° C (mantenere il gas Ar scorre). Quench campioni ossidati dal rapido ritiro dei crogioli dal forno. Immergere i substrati in acqua deionizzata per raffreddarli velocemente. </li></ol></li><li> Acquaforte di Cu 2 O <ol><li> Etch un lato dei substrati ripetutamente applicandouna goccia di acido nitrico diluito (1: 1 miscela di H 2 O e 70% HNO 3) per rimuovere qualsiasi ossido rameico dalla superficie. Continuare incisione fino nessuna pellicola grigia è visibile sulla superficie Cu 2 O. ATTENZIONE: Questa procedura viene eseguita in una cappa aspirante. </li><li> Subito dopo l&#39;attacco, lavare ogni substrato in acqua deionizzata e sonicare in isopropanolo. Asciugare con un fucile ad aria. </li><li> Deposito 80 nm d&#39;oro sul lato inciso del Cu 2 O substrati evaporando un 1 g pellet oro collocato in una barca tungsteno all&#39;interno di un evaporatore di resistenza. Usa pressione di base 8 x 10 -6 mbar e la corrente di 4 A per raggiungere la velocità di evaporazione di 0,8 A / sec. </li><li> Etch dall&#39;altra parte dei substrati in acido nitrico diluito applicando una goccia di acido sulla superficie. Assicurarsi che l&#39;acido non intacca la pellicola d&#39;oro sul lato opposto. Sciacquare e ultrasuoni come descritto nel paragrafo 1.2.2. </li><li> Coprire i substrati con una vernice nera isolante (utilizzare ad alta temperatura esmalto ngine) utilizzando un pennello, lasciando una superficie non mascherata di circa 0,1 cm 2 come l&#39;area attiva della cella solare. Coprire l&#39;elettrodo d&#39;oro sul retro con un pennarello completamente. </li></ol></li></ol> 2. Depositare Zn 1-x mg x O Utilizzando reattore AP-SALD Nota:.. Deposito Zn 1-x mg x O film sul lato smascherato di Cu 2 O substrati 13 In questo lavoro, è stato utilizzato un reattore AP-SALD su misura, adattato dal design originale sviluppato da Kodak 11,12 Dettagli della personalizzazione del reattore sono riportati nella Ref. 12. <ol><li> Set-up del sistema AP-SALD come segue: <ol><li> Utilizzare dietilzinco (DEZ) come precursore e bis (ethylcyclopentadienyl) magnesio Zn come precursore Mg. Questi sono i precursori liquidi ciascuno inserito in loro gorgogliamento di vetro separate. I precursori sono piroforico e non dovrebbero mai venire a contatto con l&#39;aria o l&#39;acqua. Il sistema di deposizione è a tenuta di gas. </li><li> Per la deposizione di ossido di zinco, regolare la velocità di gorgogliare azoto attraverso la dietilzinco a 25 ml / min, che è contenuta in RT (20 ° C). Per zinco deposizione di ossido di magnesio, regolare la frazione di gas di ogni precursore impostando il tasso gorgogliare attraverso la dietilzinco di 6 ml / min e 200 ml / min attraverso il magnesio bis (ethylcyclopentadienyl) (che è riscaldata a 55 ° C) per controllare per Zn rapporto Mg nel Zn 1-x Mg x O. </li><li> Impostare la portata del gas vettore di azoto per la miscela precursore metallico a 100 ml / min. Bubble gas azoto a 100 ml / min attraverso l&#39;acqua deionizzata, che viene impiegato come ossidante. Questo vapore viene diluito con gas di trasporto corrente d&#39;azoto a 200 ml / min. </li><li> Flusso di gas di azoto a 500 ml / min al collettore gas. Nel collettore gas AP-SALD, questo gas azoto viene diviso per quattro canali separati. Ogni canale serve a separare spazialmente i due canali ossidanti dal canale metallo miscela precursore tra loro. </li></ol&gt; </li><li> Mantenere il collettore gas ad una temperatura di 40 ° C con acqua circolante. Scaldare la fase (piano mobile) sulla temperatura desiderata (50 - 150 ° C). </li><li> Impostare i desiderati campione a testa a distanza, la dimensione del campione, velocità piastra (50 mm / sec) e il numero di oscillazioni (cicli) con il software di controllo della piastra. La velocità di deposizione ZnO è di 1,1 nm / sec (o per ciclo) e Zn-1 x Mg x O deposizione tariffa è di circa 0,54 nm / sec a 150 ° C. Un numero tipico di cicli di deposizione è di 200. </li><li> Depositare l&#39;ossido desiderato su un vetrino per 400 oscillazioni o fino a quando un chiaro film omogeneo di spessore può essere visto. </li><li> Posizionare il substrato su una maschera di vetro, se necessario, poi posto sotto il collettore gas. Regolare la testa (collettore gas) altezza a 50 micron sopra il substrato. </li><li> Depositare l&#39;Zn 1-x mg x O film di prima apertura delle valvole per il precursore gorgogliatore Mg, quindi il precursore gorgogliatore Zn, quindi avviare moving la piastra sotto il collettore gas cliccando su &quot;inizia la deposizione&quot; del software. Aprire il gorgogliatore O H 2 solo dopo la scansione del substrato con 5 oscillazioni di precursori di metalli per evitare Cu 2 O dell&#39;esposizione superficie al ossidante mentre riscaldata. </li><li> Quando la deposizione, rimuovere i Cu 2 O substrati dal rullo riscaldato più rapidamente possibile e chiudere le valvole gorgogliatore dei precursori metallo. Pulire i canali gas nel collettore con una lama per rimuovere qualsiasi polvere di ossido deposto. Inizia il ciclo di deposizione successivo come descritto in 2.6. </li><li> Al termine, spurgare il sistema per 30 minuti prima della chiusura delle valvole di azoto. </li></ol> 3. Sputtering di ITO <ol><li> Polverizzazione catodica 175 nm di ossido di indio e stagno (ITO) da magnetron sputtering corrente continua 20 alle seguenti condizioni:. Potenza 20 W, pressione di base &lt;10 -9 mbar, pressione Ar 2.5 Pa a una velocità di sputtering di 35 nm / min, per polverizzazione catodica ITO per 5 minuti per un 175 nm di spessore pellicola ITO. La risultante ITO / ZnO / Cu 2 O eterogiunzione è mostrato in figura 3. </li></ol> 4. finitura dei dispositivi <ol><li> Pulire il pennarello dal elettrodo d&#39;oro con acetone per esporre l&#39;elettrodo d&#39;oro. </li><li> Applicare contatti elettrici da attaccare a 2 fili sottili con pasta Ag sulle elettrodi ITO e Au. </li></ol>

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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>

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Passaggi critici all&#39;interno del protocollo sono stipulati dal Cu 2 O per CuO ossidazione della superficie del substrato. Questi includono attacco dei substrati in acido nitrico diluito per rimuovere qualsiasi CuO dopo l&#39;ossidazione e dopo l&#39;evaporazione dell&#39;elettrodo d&#39;oro, minimizzando i substrati tempo trascorso all&#39;aria aperta prima del 1-x Mg x O deposizione Zn e, infine, deposizione di Zn 1-x mg x O su Cu 2 O substrati di AP-SALD. Il vantaggio di AP-SALD rispetto ALD convenzionale è che i film possono essere coltivate all&#39;aperto un vuoto con un tasso di crescita che è uno o due ordini di grandezza superiore. Tuttavia, ciò implica che i substrati Cu 2 O devono essere esposti agli ossidanti in aria a temperatura elevata, almeno prima della deposizione, che è sufficiente per un sottile strato di CuO per formare sulla superficie. Questo limita apparentemente l&#39;applicazione del metodo AP-SALD certa materia ossido-sensitiveLS. Tuttavia, ottimizzando condizioni AP-Sald quali la temperatura e il tempo, e minimizzando l&#39;esposizione Cu 2 O all&#39;aria e all&#39;umidità, un aumento di sei volte l&#39;efficienza di conversione dei dispositivi di ZnO / Cu 2 O realizzato con AP-SALD stato raggiunto . Il miglioramento è venuto dalla comprensione che Cu 2 O di CuO ossidazione è il principale fattore limitante di ossido di rame come materiale nelle celle solari eterogiunzione e modificando il protocollo fabbricazione di conseguenza. Al fine di evitare completamente l&#39;ossidazione di ossido rameoso, i substrati devono essere conservati in atmosfera inerte o sotto vuoto tutto il tempo, che può essere difficile quando si impiega una tecnica di deposizione all&#39;aperto quali AP-SALD. Mentre l&#39;ossidazione di Cu 2 O è evitata in tecniche basate vuoto 3,18, per la produzione su larga scala, è importante che questo problema può essere minimizzato in processi di fabbricazione atmosferici. In AP-SALD, la superficie del substrato può essere espostoagenti riducenti prima della formazione del heterointerface e bilanciando l&#39;ossidazione di Cu 2 O con la riduzione del CuO utilizzando gas formatisi durante la deposizione di ossido di tipo n. 25 L&#39;agente riducente utilizzato in AP-SALD potrebbe essere miscela di un gas inerte con un gas riducente (ad esempio, N 2 + 5% H 2 25), o un numero di cicli con un precursore riduzione prima della deposizione, cioè cicli privo di acqua, al fine di ridurre CuO indietro Cu 2 O appena prima l&#39;ossido ZnO inizia a crescere sulla sua superficie. In questo lavoro, un protocollo standard è stato sviluppato che riduce al minimo la formazione di CuO ottimizzando fasi di fabbricazione da Cu 2 O lavorazione e incisione alla formazione giunzione pn da AP-SALD in open-air. Il successo di questo lavoro dimostra il potenziale di AP-SALD come un metodo promettente per applicazioni in dispositivi fotovoltaici economici e scalabili. La tecnica può essere utilizzata per depos velociition di una varietà di ossidi semiconduttori metallici n- e p-type così come bloccare, tampone e strati barriera nelle celle solari su substrati termosensibili compreso la plastica.

Ossido rameoso (Cu 2 O) è atossico tipo p materiale semiconduttore terra abbondante 1. Con un band gap di 2 eV, ossido rameoso può svolgere il ruolo di assorbitore di luce nelle celle solari ad eterogiunzione o tandem. Nelle celle solari eterogiunzione, Cu 2 O è conosciuto per essere accoppiato con una varietà di tipo n grandi semiconduttori band gap come ZnO 2 e le sue variazioni drogate 3,4, Ga 2 O 3 5,6 e TiO 2 7 (Per una più panoramica dettagliata su Cu 2 O fotovoltaico vedi Rif. ​​8). Lo sviluppo di Cu 2 O celle solari eterogiunzione base è presentato in Figura 1, dove il metodo di sintetizzare l&#39;eterogiunzione è indicato accanto a ciascun punto di dati. Si può notare che i metodi di vuoto based come la deposizione pulsata del laser (PLD) o Atomic Layer Deposition (ALD) consentito per più elevate efficienze di conversione di potenza da raggiungere (fino al 6,1% 9). in contrast, le efficienze per i metodi di sintesi non vuoto come la deposizione elettrochimica (ECD) sono rimasti bassi. Tuttavia, per il fotovoltaico a basso costo è meglio sintetizzare il eterogiunzione esterno vuoto. Mentre un senza vuoto, tecnica scalabile di formazione eterogiunzione è un&#39;alternativa più adatta, resta difficile produrre un&#39;interfaccia di alta qualità con tali metodi. Ossidi In questo lavoro utilizziamo un open-air, scalabile sottile processo di deposizione di film chiamato pressione atmosferica spaziale Atomic Layer Deposition (AP-SALD) a crescere n-Type per Cu 2 O basati su celle solari. L&#39;avanzamento della AP-SALD over ALD convenzionale è che nel primo caso, precursori sono separati nello spazio piuttosto che nel tempo 10. Durante il processo di deposizione, un substrato oscilla avanti e indietro su un rullo riscaldato sotto un collettore gas che contiene canali gas precursori separati da canali gas inerti, come mostrato in Figura 2. Il gas azoto portante i precursors scorre verticalmente attraverso il collettore gas verso la piastra laterale in movimento. A causa delle oscillazioni della piastra, ciascun punto sul substrato viene sequenzialmente esposto agli ossidanti e metallo precursori, come illustrato in figura 2. In questo modo il film di ossido di metallo a crescere strato per strato. Una descrizione dettagliata di AP-SALD progettazione del reattore e il funzionamento può essere trovato altrove. 11,12 Questo approccio consente la deposizione avvenga uno a due ordini di grandezza più veloce ALD convenzionale e di vuoto esterna, che è compatibile con il processo di roll-to-roll . Alta qualità film di ossido conformazionale prodotti da AP-SALD possono essere depositati a basse temperature (&lt;150 ° C) su una varietà di substrati compresi plastiche, che permette film AP-Sald da applicare ai dispositivi funzionali a basso costo come le celle solari 13 , diodi emettitori di luce 14 e transistor a film sottile 15. Il collettore gas AP-SALD su misurautilizzato in questo lavoro è stato meccanicamente mantenuta sopra il substrato collocato sul piatto. Questo ha permesso il controllo del substrato-collettore spaziatura indipendente dalle portate di gas. Una grande distanza di 50 micron è stato usato, che ha portato compenetrazione tra il precursore metallico e ossidante in fase gassosa. Pertanto, il reattore AP-SALD stato operato in modalità deposizione di vapore chimico (CVD). Ciò è stato trovato vantaggioso over operativo in modalità ALD perché le pellicole sono state coltivate ad una velocità più elevata, ma con elevato spessore uniformità e erano cristallina quando depositati alle stesse temperature come pellicole ALD. 12 Qui, abbiamo ancora riferimento al reattore un reattore AP-sALD perché ha gli stessi principi di progettazione fondamentali degli altri reattori AP-sald. 11 Abbiamo utilizzato il nostro reattore a depositare lo strato di tipo n per le nostre cellule solari, in particolare ossido di zinco e ossido di magnesio zinco (Zn 1-x Mg x O 16,17). Incorporando Mg into ZnO permette la banda di conduzione da sintonizzare, che è importante per ridurre le perdite dovute a termalizzazione banda-tail 13 e ricombinazione interfacciale. 18,19 Qui mostriamo come punto le condizioni per il deposito di ossido di zinco e magnesio zinco film di ossido su substrati ossido rameoso ossidate termicamente consentito una migliore qualità dell&#39;interfaccia e quindi migliori prestazioni celle solari da ottenere. Questo miglioramento è stato reso possibile attraverso l&#39;identificazione del principale fattore limitante Cu 2 O basate celle solari: ricombinazione all&#39;interfaccia eterogiunzione causa di una eccessiva formazione di ossido rameico (CuO) sulla superficie Cu 2 O.

<table><tbody><tr><td>Foglio di rame</td><td>Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar</td><td>13380</td><td>0,127 mm di spessore, 99,9% (base metallica), ricotto</td></tr><tr><td>Rapidox Analizzatore di ossigeno</td><td>Rapidox</td><td>Modello 2100</td><td></td></tr><tr><td>Barca di allumina</td><td>Almath Crucibles LTD</td><td>6121203</td><td>Dimensioni 20 mm x 50&nbsp; mm x 5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Pellet d'oro</td><td>KJLC</td><td>EVMAUXX40G</td><td>puro al 99,99%, 1/8" x 1/8", venduto al grammo</td></tr><tr><td>Dietilzinco</td><td>Aldrich</td><td>256781</td><td>&ge; 52 % in peso di Zn base</td></tr><tr><td>Bis(etilciclopentadienil)magnesio</td><td>Strem Chemicals UK</td><td>12-0510</td><td>5 g</td></tr><tr><td>Obiettivo ITO</td><td>GoodFellow Cambridge Limited</td><td>LS 427438</td><td>Ossido di indio/Ossido di stagno (In2O3 90 / SnO2 10). Condizione: Pressato a caldo. Spessore: 2.0&nbsp; mm &#177; 0,5&nbsp;mm. Dimensioni: 35,5&nbsp; mm x 55,5&nbsp; mm &#177; 0,5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>VHT vernice smalto motore</td><td>Halfords</td><td>325019</td> vernice <td>nera smalto motore ad altissima temperatura</td></tr><tr><td>Acido nitrico HNO3, reagente ACS 70%&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich Co Ltd</td><td>438073-2.5L</td><td>Nocivo, irritante</td></tr><tr><td>2% Ossigeno/Argon 200 bar</td><td>BOC Limited</td><td>225757-L</td><td>Miscela di gas per l'ossidazione della lamina di Cu, da diluire con Ar</td></tr></tbody></table>

qualità heterojunction migliorata in cu<sub&gt; 2</sub&gt; o basati su celle solari attraverso l&#39;ottimizzazione della pressione atmosferica spaziale atomica strato depositato<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

La deposizione spaziale di strati atomici a pressione atmosferica (AP-SALD) è stata utilizzata per depositare film sottili di ZnO e Zn1-xMgxO su substrati di Cu2O ossidati termicamente di tipo p al di fuori del vuoto a bassa temperatura. Le prestazioni dei dispositivi fotovoltaici con eterogiunzione ZnO/Cu2O fabbricata atmosfericamente dipendevano dalle condizioni di deposizione del film AP-SALD, vale a dire la temperatura del substrato e il tempo di deposizione, nonché dall'esposizione del substrato di Cu2O agli agenti ossidanti prima e durante la deposizione di ZnO. L'ossidazione superficiale da Cu2O a CuO è stata identificata come un fattore limitante per la qualità dell'eterogiunzione a causa della ricombinazione all'interfaccia ZnO/Cu2O. L'ottimizzazione delle condizioni AP-SALD e il mantenimento del Cu2O lontano dall'aria e dall'umidità al fine di ridurre al minimo l'ossidazione superficiale del Cu2O hanno portato a un miglioramento delle prestazioni del dispositivo. Un aumento di tre volte della tensione a circuito aperto (fino a 0,65 V) e un aumento di due volte della densità di corrente di cortocircuito hanno prodotto celle solari con un'efficienza di conversione di potenza (PCE) record del 2,2%. Questo PCE è il più alto riportato per un'eterogiunzione Zn1-xMgxO/Cu2O formata al di fuori del vuoto, il che evidenzia l'ALD spaziale della pressione atmosferica come una tecnica promettente per la fabbricazione economica e scalabile di fotovoltaico a base di Cu2O.

Termodinamicamente, CuO è l&#39;unica fase stabile di ossido di rame in aria a RT, come fase diagramma di stabilità Cu-O rivela 21 - 23. Per verificare la presenza di CuO sulla superficie di Cu 2 O, spettri di assorbimento del acidato e unetched ossidato termicamente Cu 2 O substrati sono state scattate con spettroscopia fototermica deflessione (PDS) - una tecnica molto sensibile che permette la misurazione dell&#39;assorbimento gap sottobanda 24 (Figura 4). Entrambi spettri presentava assorbimento superiori a 1,4 eV, che coincide con il gap di banda di CuO, prima saturando a 2 eV (Cu 2 O banda gap). Il substrato unetched aveva un maggiore assorbimento di sotto di 2 eV, suggerendo uno strato più spesso di CuO sulla superficie di Cu unetched 2 O che sul substrato inciso. L&#39;inserto in Figura 4 mostra uno strato grigio di CuO in as-ossidato (unetched) Cu 2 O substrato. MentreNessun film grigio è stato possibile rilevare visivamente sul substrato inciso, alcuni CuO era ancora presente sulla sua superficie, come suggerisce il misurazioni PDS. La presenza di un sottilissimo film CuO sulla superficie di Cu 2 O substrati è stato confermato anche con x-ray spettroscopia fotoelettronica (XPS) 19,25. Cupric ossido presente sulla superficie Cu 2 O introduce stati livello profondo trap (Cu 2+) 18 all&#39;interfaccia eterogiunzione che può fungere da centri di ricombinazione e, di conseguenza, CuO presenza alla giunzione pn è indesiderabile. Riscaldamento Cu 2 O substrati in presenza di ossidanti (ad esempio, aria e umidità) facilita l&#39;ossidazione di Cu 2 O CuO. Per ottenere policristallino ZnO da AP-SALD, i substrati vengono riscaldati a 150 ° C. Poiché il substrato viene mantenuto a temperatura elevata in aperta o sotto il gas ossidante durante la deposizione, CuO forma rapidamente sul Cu <sub&gt; 2 O superficie. Figura 5 mostra microscopia elettronica a scansione (SEM) immagini di un inciso O substrato Cu 2 prima e dopo aver trascorso 3 min sulla piastra AP-SALD a 150 ° C sotto flusso di azoto. Molteplici escrescenze CuO sono visibili sul substrato ricotto, con la loro composizione essendo vicino a quello di CuO come verificato mediante spettroscopia a raggi X a dispersione di energia (EDX). Dispositivi fotovoltaici sono stati realizzati con ZnO depositati dagli AP-SALD a 150 ° C per 400 secondi in cima alle incise ossidate termicamente Cu 2 O substrati. La Figura 6A mostra la superficie di questo dispositivo standard. Si può notare numerosi Rod- e escrescenze simili a fiori presenti nel dispositivo. Come confermato in precedenza con EDX e PDS, queste escrescenze sono ossido rameico e si verificano a causa di Cu 2 O esposizione all&#39;aria e ossidanti. Tabella 1 e Figura 7 ( &#39;ZnO / Cu 2 O standard&#39; CUrve) dimostrano il relativamente scarso rendimento di questo dispositivo. Al fine di evitare la formazione di CuO sulla superficie di O 2 Cu, sono state ottimizzate le condizioni per il deposito ZnO da AP-SALD sulle incise ossidate termicamente Cu 2 O substrati. Sono state adottate le seguenti misure per ridurre al minimo la crescita CuO: riduzione della temperatura di deposizione (Figura 8A); riduzione del tempo di deposizione (Figura 8B); scansione della superficie del substrato per poche oscillazioni senza esposizione al gas ossidante, cioè, con soltanto precursori metallo e canali inerti aperta (Figura 8C); e, infine, di evitare inutile aumento della nudi Cu 2 O substrati nell&#39;aria poco prima dell&#39;inizio della deposizione. I parametri ottimali di deposizione ZnO su Cu 2 O sono risultati essere 100 ° C, 100 sec e 5 cicli privo di acqua. La superficie del dispositivo ottimizzato era libero di CuO outgrowths, come è dimostrato in Figura 6B. La densità di corrente-tensione (JV) caratteristica del dispositivo 2 O ZnO / Cu ottimizzato è confrontato con il dispositivo standard nella Figura 7. Le prestazioni fotovoltaico di entrambi i dispositivi standard e ottimizzati ZnO / Cu 2 O è presentato nella Tabella 1. Può essere visto che seguendo le quattro misure sopra citate, un aumento di sei volte in efficienza di conversione di potenza dei dispositivi è stato raggiunto. Per chiarire ulteriormente l&#39;effetto di ottimizzazione delle condizioni AP-Sald sulla riduzione del CuO e la qualità eterogiunzione, efficienza quantica esterna (EQE) misurazioni sono state effettuate su dispositivi con ZnO depositati a 150 ° C e 100 ° C (Figura 9). Gli spettri EQE dei due dispositivi, mentre simile a lunghezze d&#39;onda superiori 475 nm, era significativamente differente lunghezze d&#39;onda inferiori 475 nm, che è il campo di lunghezza d&#39;onda<html> s assorbito vicino all&#39;interfaccia. Per la radiazione di lunghezza d&#39;onda più corta, la EQE del dispositivo con ZnO effettuate a temperatura superiore era meno della metà del dispositivo con ZnO effettuate a temperatura inferiore. Ciò suggerisce che più ossido rameico era presente all&#39;interfaccia 2 O ZnO / Cu effettuate a temperatura più elevata, che ha ridotto raccolta di carica dalla regione vicino al heterointerface grazie all&#39;aumento ricombinazione. Mg è stata incorporata in film AP-SALD ZnO al fine di aumentare la banda di conduzione di ZnO e ridurre ulteriormente ricombinazione 15. Zn 1-x mg x O / Cu 2 O celle solari sono stati realizzati con i ottimizzati Zn 0,8 mg 0,2 O film, con conseguente 2,2% PCE dispositivo - celle solari il più alto fino ad oggi per Cu 2 O-based con cielo aperto fabbricati eterogiunzioni (vedi le prestazioni del dispositivo di figura 7 e Tabella 1). contenuti &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figura 1" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig1.jpg" /> Figura 1. Cu 2 O-based efficienza delle celle solari per anno di pubblicazione (Questo dato è stato modificato dal Rif. ​​8). Marcatori indicano se l&#39;interfaccia è stato formato sotto vuoto o in atmosfera (non sotto vuoto) e le etichette indicano il metodo di formazione eterogiunzione. MSP - magnetron sputtering, IBS - Ion Beam sputtering, VAPE - vuoto plasma arco evaporazione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig1large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="figura 2" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig2.jpg" /> Figura 2. Schema del processo di deposizione AP-SALD (confrontato con ALD convenzionale) e di set-up per la produzione di bue metallo multicomponenteIDE. (A) l&#39;esposizione sequenziale di ogni passo precursore e spurgo a ALD convenzionale (delta-doping) (Questo dato è stato riprodotto da Rif. ​​11). Nel contesto di questo manoscritto, M1 è vapore dietilzinco, bis M2 (ethylcyclopentadienyl) vapori di magnesio, e O1 e O2 vapore acqueo. (B) l&#39;esposizione sequenziale di miscela di metallo precursore (co-iniezione), i canali gas inerte (equivalenti a passo &#39;purge&#39;) e ossidante in AP-SALD (Questa cifra è stato riprodotto da Rif. ​​11). (C) Schema di un generale reattore AP-SALD, mostrando i precursori spazialmente separati da canali gas inerte, con il substrato oscillato sotto diversi canali (Questo dato è stato riprodotto dal Rif. ​​11, che è una modifica da uno a Ref. 26). (D): presentazione schematica dei componenti importanti di un sistema di AP-SALD con microscopia a forza atomica (AFM) immagini mostra la morfologia delsupporto prima e dopo Zn 1-x mg x O deposizione (Questo dato è stato riprodotto da Rif. ​​13). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig2large.jpg" target="_blank">Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig3.jpg" /> Figura 3. immagine trasversale SEM di ITO / ZnO / Cu 2 O eterogiunzione (Questo dato è stato riprodotto da Rif. ​​8). Rivestimento conforme di Cu 2 O substrato con i film di ZnO e ITO può essere osservato. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig4.jpg" /> Figura 4. PDS spettri di acidato e unetched (as-oxi<html> dardizzata) Cu 2 O substrati (Questa cifra è stata modificata da Rif. ​​8). I riquadri mostrano le fotografie dei substrati ossido rameoso incise e unetched. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig4large.jpg" target="_blank">Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig5.jpg" /> Figura 5. immagini SEM della superficie di un substrato Cu 2 O quando (A) appena inciso e (B) dopo ricottura a 150 ° C in aria per 3 min (Questo dato è stato riprodotto dal Rif. ​​8). Spettacolo superficie Insets composizione acquisito con EDX. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig5large.jpg" target="_blank">cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <html> 501 / 53501fig6.jpg &quot;/&gt; Figura 6. immagini SEM della superficie / Cu 2 O celle solari ZnO realizzati con (A) condizioni standard e (B) le condizioni ottimizzate di AP-SALD ZnO (Questo dato è stato riprodotto da Rif. ​​8). I vari escrescenze possono essere visto nel dispositivo standard. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig6large.jpg" target="_blank">cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 7" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig7.jpg" /> Figura 7. Caratteristiche Luce JV per Zn 1-x mg x O / Cu 2 O celle solari fabbricate in condizioni di AP-Sald standard e ottimizzati (Questa cifra è stata modificata da Rif. ​​8). Le curve JV dimostrano solare miglioramento delle prestazioni delle cellule quando la composizione e AP-sald condizioni del Zn 1-x mg x O film sono ottimizzati.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig8.jpg" /> Figura 8. L&#39;effetto dei parametri AP-Sald sulle prestazioni di ZnO / Cu 2 O celle solari. (A) e (B) L&#39;effetto di AP-SALD ZnO tempo di deposizione e la temperatura della tensione a circuito aperto (V oc) dei dispositivi (Questo dato è stato riprodotto dal Rif. ​​8), (C) la correlazione di acqua cicli liberi con la V oc dei dispositivi. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig8large.jpg" target="_blank">cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/53501/53501fig9.jpg" /> Figura 9. EQE Spectruna di ZnO / Cu 2 O celle solari con ZnO depositati a 100 ° C e 150 ° C. (Questo dato è stato riprodotto da Rif. ​​8). Tensione a circuito aperto dei dispositivi è indicato nella legenda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.</a> <table fo:keep-together.within-page="1"><tbody><tr><td> Celle a energia solare </td><td> Temperatura di deposizione, ° C </td><td> Tempo di deposizione, 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 ottimizzato </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 ottimizzato </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> Tabella 1. standard e ottimizzato AP-SALD Zn 1-x mg x O deposizione parametri e le prestazioni dei migliori ITO corrispondente / Zn 1-x mg x O / Cu 2 O celle solari (Questa tabella è stata modificata da Rif. ​​8) . J SC - cortocircuito densità di corrente, FF - fattore di riempimento.

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.

Qualità Heterojunction migliorata in Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O basati su celle solari attraverso l&#39;ottimizzazione della pressione atmosferica spaziale atomica strato depositato<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'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.

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