방법 논문

구리에서 개선 된 이종 접합 품질 2 입금 대기 압력 공간 원자 층의 최적화를 통해 태양 전지를 O 기반
아연 1-X 마그네슘 X O

DOI:

10.3791/53501

⸱

2016년 7월 31일

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

이 논문에서

요약

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

여기에 우리가 합성 프로토콜을 제시 아연 1-X 마그네슘 X O / 구리 구리 산화물에 아연 1-X 마그네슘 X O의 대기압 공간 원자 층 증착 (AP-SALD)을 통해 낮은 온도에서 야외에서 2 O 이종 접합. 이러한 고품질의 균일 한 금속 산화물이 저렴하고 확장 가능한 방법으로 플라스틱을 포함한 다양한 기판 상에 성장 될 수있다.

초록

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대기압 공간 원자층 증착(AP-SALD)을 사용하여 n형 ZnO 및 Zn1-xMgxO 박막을 저온에서 진공 외부의 p형 열산화된 Cu2O 기판에 증착했습니다. 대기로 제작 된 ZnO / Cu2O 이종 접합을 특징으로하는 광전지 장치의 성능은 AP-SALD 막 증착 조건, 즉 기판 온도 및 증착 시간뿐만 아니라 ZnO 증착 전 및 도중의 산화제에 대한 Cu2O 기판 노출에 따라 달라졌다. 표재성 Cu2O 에서 CuO 로의 산화는 ZnO / Cu2O 계면에서의 재결합으로 인해 이종 접합 품질의 제한 요인으로 확인되었다. Cu2O 표면산화를 최소화하기 위해 Cu2O를공기 및 습기로부터 멀리 유지하는 것뿐만 아니라 AP-SALD 조건의 최적화는 장치 성능을 향상시켰습니다. 개방 회로 전압 (최대 0.65V)이 3 배 증가하고 단락 전류 밀도가 2 배 증가하여 2.2 %의 기록적인 전력 변환 효율 (PCE)을 가진 태양 전지가 생성되었습니다. 이 PCE는 진공 외부에서 형성된 Zn1-xMgxO/Cu2O 이종 접합에 대해 보고된 가장 높으며, 이는 대기압 공간 ALD를 Cu2O 기반 광전지의 저렴하고 확장 가능한 제조를 위한 유망한 기술로 강조합니다.

서론

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산화 구리 (Cu를 2 O)는 지구 풍부한 무독성 p 형 반도체 재료 (1)이다. 이 EV의 밴드 갭, 산화 구리는 이종 또는 직렬 태양 전지의 광 흡수의 역할을 수행 할 수있다. 이종 접합 태양 전지에서의 Cu 2 O가 더 들어 (a 다양 n 형 큰 밴드 갭 예 O 3 5,6- ZnO의 2의 도핑 된 변형 3,4- 조지아이 같은 반도체 및 티오 2~7와 결합하는 것으로 알려져있다 구리 2 O 태양 전지에 대한 자세한 개요를 참조 참조. 8). Cu를 2 O 기반 이종 접합 태양 전지의 개발은 헤테로 접합을 합성하는 방법은 다음의 각 데이터 포인트에 표시되어도 1에 제시된다. 하나는 (6.1 % 9까지) 달성 될 그러한 펄스 레이저 증착 (PLD) 또는 더 높은 전력 변환 효율을 허용 원자 층 증착 (ALD)과 같은 저 진공 기반 방법을 참고 할 수있다. 공동의ntrast, 이러한 전기 화학적 증착 (ECD)와 같은 비 진공 합성 방법에 대한 효율이 낮은 남아있다. 그러나, 저비용 태양 전지 것은 진공 외부 헤테로를 합성하는 것이 좋다. 이종 접합을 형성하는 진공없는 확장 방법이보다 적합한 대안이 있지만, 이러한 방법에 의해 고품질의 인터페이스를 생성하기 어려운 남아있다. Cu를 2 본 연구에서 우리는 야외 활용 공간적 원자 층 증착 (AP-SALD) 대기압 불리는 확장 박막 증착 공정이 성장 된 n 형 산화물 태양 전지 O를 계. 기존의 ALD를 통해 AP-SALD의 발전은 이전에, 전구체 공간에서 시간이 아닌 10에서 분리되어 있다는 것입니다. 증착 프로세스 동안, 기판은 전후도 2에 도시 된 바와 같이, 불활성 가스의 채널로 구분하여 전구체 가스 채널을 포함하는 가스 매니 폴드하에 가열 정반에 진동. precurs 운반 질소 가스를ORS 아래 측 방향으로 움직이는 압반을 향해 가스 매니 폴드를 통해 수직으로 흐른다. 도 2에 도시 된 바와 같이, 플래 튼의 진동으로 인해, 기판상의 각 지점은 순차적 산화제와 금속 전구체에 노출된다.이 층에서 층을 성장하는 금속 산화물 막을 수있다. AP-SALD 반응기 설계 및 동작의 상세한 설명은 다른 곳에서 발견 될 수있다. (11, 12)이 방법은 증착 속도 롤 - 투 - 롤 처리와 호환되는 통상적 인 ALD 외부 진공보다 크기 1 ~ 2 명령을 발생할 수 있도록 . AP-SALD 제조 고품질 등각 산화막은 태양 전지 (13)를 저비용 기능 소자에 적용 할 수 AP-SALD 막을 수 플라스틱을 포함한 다양한 기판 상에 (<150 ° C) 저온에서 증착 될 수있다 발광 다이오드 (14) 및 박막 트랜지스터 (15).

사용자 정의 만든 AP-SALD 가스 매니 폴드이 작품에 사용되는 기계적 플래 튼에 배치 된 기판 위에 유지 하였다. 이 가스 유량 기판 매니 폴드 간격 독립적 제어를 허용했다. 50 ㎛의 큰 간격은 기상에서 금속 전구체와 산화제 사이의 상호 혼합 된 결과를 사용 하였다. 따라서, AP-SALD 반응기는 화학 기상 증착 (CVD) 방식으로 작동시켰다. 필름을 더 높은 속도로 성장하고, 여전히 높은 두께 균일 성 및 ALD 박막과 동일한 온도에서 증착 될 때 결정했다 않았기 때문에 이는 ALD 모드에서 동작 유리한 것으로 밝혀졌다. (12) 여기에서, 우리는 아직도 같이 반응기 참조 그것은 다른 AP-SALD 반응기와 같은 기본적인 설계 원칙이있다 때문에 AP-SALD 반응기. 11

우리는 특히 아연, 산화 아연, 산화 마그네슘, 우리의 태양 전지의 n 형 층을 증착하기 위해 반응기를 사용하여 (1-X 아연 마그네슘 X O 16,17). 마그네슘의 INT를 통합O의 ZnO 인해 밴드 테일 thermalization 13 계면 재결합 손실을 감소시키는 것이 중요하다, 전도대가 튜닝 될 수있다. (18, 19)

여기에서는 얻어지는 개선 된 인터페이스에 대해 허용 열 산화 구리, 산화 기판, 따라서 더 태양 전지의 성능에 대한 산화 아연, 산화 아연 마그네슘 산화막을 증착하기위한 조건을 조정하는 방법을 도시한다. 기인의 Cu 2 O 표면에 산화동 (CuO가)의 과도한 형성을 헤테로 접합 계면에서 재결합이 개선의 Cu 2 O 계 태양 전지의 주요 제한 요소의 식별을 가능하게 하였다.

프로토콜

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산화 구리 기판의 1. 준비

  1. 구리 호일의 산화
    1. 아세톤에 초음파 처리에 의해 13mm X 13mm 사각형 청소에 0.127 mm 두께의 구리 호일을 잘라.
    2. 연속로를 통하여 Ar 가스를 흐르게하면서 1000 ° C에 동박을 가열한다. 산화 걸쳐 가스 분석기 노 내의 가스 분위기를 모니터한다. 1000 ° C의 온도에 도달하면, 10,000 ppm의 산소 분압을 구하고, 적어도 2 시간 동안 유지하는 유량 연소실에 산소를 도입. 2 시간 후, 산소를 해제하지만 흐르는 Ar 가스를 유지합니다.
    3. 500 ° C에 노 (Ar 가스가 흐르는 유지) 냉각. 노에서 도가니의 신속한 철수에 의해 산화 된 샘플을 끄다. 빠른을 냉각 탈 이온수로 기판을 찍어.
  2. 구리 2 O의 에칭
    1. 반복적으로인가함으로써 기판의 한쪽면을 에칭묽은 질산 방울 (1 : H 2 O 및 70 % HNO 3 1 혼합물)의 표면으로부터 임의의 구리 산화물을 제거한다. 아무 회색 필름이 구리 2 O 표면에서 볼 수 없을 때까지 에칭 계속합니다. 주의 :이 절차는 퓸 후드에서 수행된다.
    2. 즉시 에칭 후, 탈 이온수의 각 기판을 세척 및 이소프로판올에서 초음파 처리. 공기 총을 건조.
    3. 예금 저항 증발기 내부에 텅스텐 보트에 배치 1g 골드 펠렛을 증발에 의한 구리 2 O 기판의 에칭면에 금의 80 나노 미터. 사용 기본 압력 8 × 10-6 밀리바 4 (A)의 전류는 0.8 Å / 초의 증착 속도를 달성한다.
    4. 표면에 산의 방울을 가하여, 묽은 질산에 기판의 다른 쪽을 에칭. 산 반대편에 황금 필름을 에칭하지 않습니다 있는지 확인하십시오. 섹션 1.2.2에 설명 된대로 헹구고 초음파 처리.
    5. 검은 절연 페인트 기판 커버 (고온 전자를 사용태양 전지의 활성 영역과 같은 약 0.1 cm (2)의 마스킹되지 않은 영역을 남겨 페인트 브러시를 사용하여 멜 ngine). 완전히 마커 펜으로 뒷면에 황금 전극을 커버.

2. 입금 아연 1-X 마그네슘 X O 사용 AP-SALD 반응기

참고 :.. 보증금 아연 1-X 마그네슘 X 코닥이 개발 한 독창적 인 디자인에서 적응 2 O 기판이 작품에서 13, 사용자 정의 만든 AP-SALD 반응기가 사용 된 구리의 마스킹 측에 O 필름은 11, 12 세부 정보 원자로 정의의 참고 문헌에 나와있다. 12.

  1. 세트 업 AP-SALD 시스템을 다음과 같이
    1. Mg의 전구체와 아연 전구체 및 비스 (에틸 시클로 펜타 디에 닐) 마그네슘 디 에틸 아연 (DEZ)를 사용합니다. 이들은 각각 자신의 별도의 유리 버블에 포함 된 액체 전구체이다. 전구체는 자연 발화성하고 공기 또는 물과 접촉해서는 안됩니다. 증착 시스템은 기밀이다.
    2. 아연 산화물 증착, RT에 포함 된 25 ㎖ / 분 (20 ℃)​​에 디 에틸에 질소 가스의 버블 속도를 조절한다. 아연 마그네슘 산화물 증착 (55 ° C로 가열) 비스 (에틸 시클로 펜타 디에 닐) 마그네슘 내지 6 ml / 분, 200 ㎖ / 분에 디 에틸 통해 버블 속도를 설정하여 각각의 전구체 가스의 일부를 조정하는 제어 아연의 1-X 마그네슘 X O.에서 마그네슘의 비율 ZN
    3. 100 ㎖ / 분의 전구체의 금속 혼합물에 대한 질소 캐리어 가스의 유량을 설정한다. 산화제로서 사용 증류수 내지 100 ㎖ / 분에서 버블 질소. 이 증기를 질소 캐리어 가스 / 분 200㎖의 흐르는 희석된다.
    4. 500 ㎖ / 가스 매니 폴드 분으로 질소 가스를 흐른다. 액세스 포인트 - SALD 가스 매니 폴드,이 질소 가스는 네 개의 개별 채널로 분할된다. 각 채널은 공간적으로 그들 사이의 금속 전구체 믹스 채널로부터 두 산화제 채널을 분리하는 역할을한다.
  2. 물 순환을 통해 40 ° C의 온도에서 가스 매니 폴드를 유지한다. (- 150 °의 C (50)) 원하는 온도로 단계 (이동 플래 튼)를 가열한다.
  3. 플래 튼을 제어하는​​ 소프트웨어 원하는 샘플에 머리 거리, 표본의 크기, 플래 튼 속도 (50mm / 초) 및 진동의 수 (주기)를 설정합니다. 산화 아연, 증착 속도 1.1 ㎚ / 초 (또는주기 당) 및 아연 마그네슘 1 X X O 증착 속도는 150 ℃에서 약 0.54 ㎚ / 초이다. 증착 사이클의 전형적인 개수는 200이다.
  4. 400 진동 또는 명확한 두께의 균일 한 필름을 볼 수 있습니다 때까지 유리 슬라이드에 원하는 산화물을 증착.
  5. 필요한 경우, 다음 가스 매니 폴드 아래에 배치 유리 마스크 기판을 배치합니다. 기판 위의 50 μm의 머리 (가스 매니 폴드) 높이를 조정합니다.
  6. Zn이 1-X는 X에게 O에게 먼저 마그네슘 전구체 버블 후 아연 전구체 버블 위해 밸브를 개방함으로써 필름은 다음 MOVI 시작 Mg를 입금소프트웨어에서 "증착 시작"을 클릭하여 가스 매니 폴드에서 플래 튼을 ng를. 단지 가열하면서 산화제의 Cu 2 O, 표면 노출을 방지하기 위해 금속 전구체의 5 진동으로 기판을 스캔 한 후 H 2 O 버블을 연다.
  7. 증착이 완료되면, 가능한 빨리 가열 플래 튼으로부터의 Cu 2 O 기판을 제거하고 상기 금속 전구체의 버블 밸브를 닫는다. 모든 증착 된 산화물 분말을 제거하는 블레이드와 상기 매니 폴드 내의 가스 채널을 청소한다. 2.6에 기술 된 바와 같이 다음의 증착주기를 시작한다.
  8. 끝나면 질소 밸브를 폐쇄하기 전에 30 분 동안 퍼지 시스템.

ITO의 3 스퍼터링

  1. 다음 조건에서 20 스퍼터링 직류 마그네트론에 의해 인듐 주석 산화물 (ITO)을 175 nm의 스퍼터 :. 전력 20 W, 기본 압력 <10-9 밀리바, 아르곤 압력 2.5 파 35 nm의 스퍼터링 속도 / 분은 IT 스퍼터175 nm 두께의 ITO 필름 5 분 O. 그 결과 ITO / ZnO의 / 구리 2 O 이종는 그림 3에 표시됩니다.

Devices (장치) 4. 마무리

  1. 황금 전극을 노출 아세톤 금 전극으로부터 마커 펜을 청소합니다.
  2. 이토과 금 전극에 Ag 페이스트 2 얇은 와이어를 부착하여 전기 접점을 적용합니다.

결과

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23 - 세제곱-O 상 안정성도 21 계시 열역학적 CuO를 실온에서 공기에 산화 구리의 유일한 안정 단계이다. Cu를 2 O, 에칭의 흡수 스펙트럼의 표면에서의 CuO의 존재를 확인하고 열적으로 구리를 광열 편향 스펙트로 스코피 (PDS)로 촬영 한 2 O 기판을 산화 미식 - 서브 밴드 갭의 흡수 측정 할 수있는 고감도의 기술 (24) (그림 4). 두 스펙트럼은 2 eV의 CU (2 O 밴드 갭)에 포화 전에의 CuO의 밴드 갭이 1.4 eV로 일치하게, 상기 흡수를 보였다. 미식 각 기판은 에칭되지 않은 구리 에칭이 기판보다 O의 표면에서의 CuO의 두꺼운 층을 시사 2 eV의 아래 높은 흡수를 가지고 있었다. 그림 4의 삽입은 같은 산화 (미식)의 Cu 2 O 기판에의 CuO의 회색 층을 보여줍니다. 동안배급제 측정에서 알 수 있듯이 아무 회색 필름 에칭 기판 상에 시각적으로 감지 할 수 없었다, 일부의 CuO는 표면에 여전히 존재했다. Cu를 2 O 기판의 표면에 매우 얇은 필름의 CuO의 존재는 X 선 광전자 분광법 (XPS) 19,25으로 확인 하였다. CU를 2 O 표면에 구리 산화물의 존재 때문에, pn 접합에서의 CuO의 존재는 바람직하지 않다, 재결합 센터의 역할을 할 수 있습니다 이종 접합 계면에서 깊은 수준의 트랩 상태 (구리 2+) (18)을 소개합니다.

난방 구리 산화제 (예, 공기 및 습기)의 존재하에 2 O 기판의 CuO의 Cu 2 O로의 산화를 촉진한다. AP-SALD 의해 ZnO의 다결정을 얻기 위해, 기판은 150 ℃로 가열된다. 기판은 증착 동안에 노천 또는 산화제 가스 하에서 고온에서 유지 될 때, CuO를 신속하게 구리에 형성 표면.도 전에, 질소 흐름하에 150 ℃에서 AP-SALD 정반 3 분을 소비 한 후에 에칭의 Cu 2 O 기판의 전자 현미경 (SEM) 이미지를 스캐닝도 5. 복수의 CuO의 outgrowths는 에너지 분산 X 선 분광법 (EDX)에 의해 검증 된 바와 같이 그 조성물의 CuO의 부근 인 상태, 어닐링 된 기판 상에 보일 수있다.

광기 전력 장치는 열 산화 에칭의 Cu 2 O 기판의 상부에 400 초 동안 150 ° C에서 AP-SALD 의해 증착 된 ZnO로 하였다.도 6A는이 표준 장치의 표면을 나타낸다. 하나는 디바이스에 존재하는 다수의 일단이 상기 조작 패널, 꽃 등의 outgrowths을 알 수 있습니다. 이전 EDX와 PDS에 확인 된 바와 같이, 이들의 outgrowths는 구리 산화물을하고 공기와 산화제에 의한 구리 2 O 노출을 발생한다. 표 1 및 그림 7 ( '의 ZnO / 구리 2 O 표준'Curve)이 장치의 상대적으로 낮은 성능을 보여줍니다.

CU를 2 O 표면에서의 CuO의 형성을 방지하기 위해, 에칭, 열 산화의 Cu 2 O 기판상의 AP-SALD하여 ZnO를 증착하기위한 조건을 최적화 하였다. 다음 방법은 CuO를 성장을 최소화하기 위하여 수행되었다 : 증착 온도의 감소 (도 8A); 증착 시간 (도 8b)의 환원; 단지 금속 전구체 및 불활성 채널을 개방 (도 8C)로, 즉 산화제 가스에 노출하지 않고 약간의 진동을 위해 기판 표면을 주사; 그리고 마지막으로, 단지 증착 시작하기 전에 공중에서 벌거 벗은 구리 2 O 기판의 불필요한 가열 회피. Cu를 2 O의 ZnO를 증착의 최적 파라미터가 100 ° C, 100 초 및 5 물이없는주기 것으로 밝혀졌다. 최적화 된 장치의 표면의 CuO의 outgrowt의 무료라고HS는, 같은 그림 6의 (b)에 설명된다. 최적화 된 ZnO / 구리 2 O 장치의 전류 밀도 - 전압 (JV) 특성은도 7의 표준 디바이스와 비교한다. 두 / 구리의 ZnO 표준 최적화 2 O 장치의 광 성능을 표 1에 제시되어있다. 이것은 수 네 상술 한 방법에 따라, 디바이스들의 전력 변환 효율의 6 배의 증가가 달성되었음을 알 수.

상기의 CuO의 환원 및 헤테로 품질 AP-SALD 조건의 최적화의 효과를 규명하기 위해, 외부 양자 효율 (EQE) 측정치는 150 ° C와 100 ° C (도 9)에서 증착 된 ZnO와 장치에서 수행되었다. 두 장치의 EQE 스펙트럼은 475 nm의 파장에서 상기와 유사한 반면, 파장 범위 475 nm의 파장보다 크게 달랐다 의 인터페이스에 가까운 흡수. 단파장 방사선의 경우, 높은 온도에서 제조 된 ZnO와 장치의 EQE 낮은 온도에서 제조 된 ZnO와 상기 장치의 절반 미만이다. 이것은 더 많은 구리 산화물이 증가 된 재조합 헤테로 계면에 가까운 영역으로부터 전하 수집 감소 높은 온도에서 제조 된 ZnO의 / 구리 2 O 인터페이스에 존재하는 것을 의미한다.

mg을 된 ZnO의 전도대 인상 15 상기 재결합을 감소시키기 위해 AP-SALD 된 ZnO 막에 혼입 하였다. 아연 1-X 마그네슘 X O / 구리 2 O 2.2 % 장치 PCE의 결과로 최적화 된 아연 0.8의 Mg 0.2 O 영화로 만들어진 태양 전지, - 구리 2 일에 가장 높은 O 기반의 태양 전지 야외와 함께 이종 접합을 제작 (도 7 및 표 1의 장치의 성능을 참조).

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도 1의 Cu 2 O 계 태양 전지 출판 년도 효율성 (이 도면을 참고로 변형되었다. 8). 마커 인터페이스 진공 또는 대기 (비 진공 상태)로 형성되었는지 여부를 표시하고 라벨의 제조 방법을 나타내는 이종 접합 형성. MSP - 마그네트론 스퍼터링, IBS - 이온 빔 스퍼터링, VAPE - 진공 아크 플라즈마 증착. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 2. AP-SALD 증착 공정의 도식이 (기존의 ALD와 비교) 및 다 성분 금속 황소를 제조하기위한 설정십오. (A) 기존의 ALD (델타 도핑)의 각 전구체 및 퍼지 단계의 순차적 노출 (이 그림은 참고 문헌에서 재현 할 수 있습니다. 11). 이 원고의 맥락에서, M1은 디 에틸 증기 M2 비스 (에틸 시클로 펜타 디에 닐) 마그네슘 증기 및 O1 및 O2 수증기이다. (B) AP-SALD 금속 전구체 혼합물 (공동 주입), 불활성 가스 채널 ( '퍼지'단계에 해당)와 산화제의 연속 노출 (이 그림은 참고 문헌에서 재현 할 수 있습니다. 11). 다른 채널 아래 발진 기판과 공간적으로 불활성 가스 채널에 의해 분리 된 전구체를 보여주는 일반적인 AP-SALD 반응기의 (C) 도식 (이 수치는 참조. 11, 참조 하나의 변형입니다에서 재현 할 수 있습니다. (26)). (D) 원 자간 력 현미경을 갖는 AP-SALD 시스템의 주요 구성 요소의 개요 회로도 (AFM) 사진의 형태를 도시기판 전후 아연 1-X 마그네슘 X O 증착 (이 그림은 참고 문헌에서 재현 할 수 있습니다. 13). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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구리의 ZnO 및 ITO 필름과 기판을 관찰 할 수있다 O 2의 ITO 그림 3. 교차 단면 SEM 이미지 / ZnO의 / 구리 2 O 이종 (이 그림은 참고 문헌에서 재현 할 수 있습니다. 8). 컨 포멀 코팅. 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.

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에칭과 미식 (AS-OXI 그림 4. PDS 스펙트럼 dized)의 Cu 2 O 기판 (이 그림은 참고 문헌에서 수정되었습니다. 8). 인 세트는 에칭 및 에칭되지 구리 산화물 기판의 사진을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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도 5 3 분 동안 공기 중에서 150 ℃에서 어닐링 후 Cu를 2 O 기판 (A) 갓 에칭 및 (B)의 표면의 SEM 이미지 (이 도면은 참조 번호에서 재생되고있다. 8). 인 세트 표시면 EDX으로 얻은 조성물. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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도 6 (A)의 표준 조건 (B) AP-SALD의 ZnO의 최적화 조건 (이 도면은 참조 번호에서 재생되고있다. 8)을 사용하여 제조 된 ZnO / 구리 2 O 태양 전지의 표면의 SEM 이미지. 각종의 outgrowths 될 수 표준 장치에서 본입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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아연 그림 7. 라이트 JV 특성 1-X 마그네슘 X O / 구리 2 O (이 그림은 참고 문헌에서 수정되었습니다. 8). 합작 곡선 태양 전지의 성능 향상을 때를 보여 표준 및 최적화 된 AP-SALD 조건에서 제조 된 태양 전지 아연의 조성 및 AP-SALD 조건 1-X 마그네슘 X O 필름 최적화되어 있습니다.S : //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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도 8의 ZnO / 구리 2 O 태양 전지의 성능에 AP-SALD 파라미터의 효과. 수분의 (A) 및 (B)가 장치의 개방 전압 (V OC는)의 AP-SALD ZnO를 증착 시간과 온도의 영향 (이 도면은 참조 번호에서 재생되고있다. 8), (C) 상관 장치의 V OC는 무료로주기. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 9. EQE의 spectrZnO를 ZnO에 / 구리 2 O 태양 전지는 100 ° C와 150 ° C에서 증착. (이 그림은 참고 문헌에서 재현 할 수 있습니다. 8). 장치의 개방 회로 전압은 범례에 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

태양 전지 증착 온도 ° C 증착 시간, 초 J 사우스 캐롤라이나, mA / cm 2 V의 OC, V FF, % PCE %
ZnO의 / 구리 2 O 표준 (150) (400) 3.7 0.18 (35) 0.23
ZnO의 / 구리 2 O 최적화 (100) 100 7.5 0.49 (40) 1.46
아연 0.8 마그네슘 0.2 / 구리 2 O를 최적화 (150) (100) 6.9 0.65 49 2.20

표 1. 표준 및 최적화 된 AP-SALD 아연 1-X 마그네슘 X O 증착 매개 변수와 가장 잘 대응하는 ITO의 성능 / 아연 1-X 마그네슘 X O / 구리 2 O 태양 전지를 (이 표는 참고 문헌에서 수정되었습니다. 8) . J의 SC - 단락 전류 밀도, FF는 - 인자를 입력합니다.

토론

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프로토콜 내에서 중요한 단계는 CuO가 기판 표면에 산화 구리 O 2에 의해 규정된다. 이러한 마지막 시간 기판은 아연 1-X 마그네슘 X O 증착 전에 공기 중에 지출 최소화 산화 후뿐만 아니라 금 전극을 증착 한 후 임의의 CuO를 제거하기 위해 희석 된 질산의 기판의 에칭 및 증착을 포함 ZN 1-X 마그네슘 X O 구리 2 AP-SALD에 의해 O 기판.

종래의 ALD에 비해 AP-SALD의 장점은 필름의 크기보다 1 ~ 2 오더 인 성장률 진공 밖에 성장할 수 있다는 것이다. 그러나이 경우의 Cu 2 O 기판이 적어도 단지 박막의 CuO 층이 표면에 형성하기에 충분한 증착 전에 승온에서 공기 중에서 산화제에 노출 될 필요가 있다는 것을 의미한다. 이것은 겉보기에 약간의 산화에 민감한 본초에 AP-SALD 방법의 적용을 제한LS. 그러나, 이러한 온도 및 시간 등의 AP-SALD 조건을 최적화 할뿐만 아니라, 공기 및 습기의 Cu 2 O 노출을 최소화함으로써, ZnO의 / 구리 2 O 장치의 변환 효율의 6 배의 증가가 달성되었다 AP-SALD를 사용하여 제조 . 개선은 CuO를 산화 구리로 2 O 구리 이종 접합 태양 전지의 재료로서 산화 따라서 제조 프로토콜을 수정하는 주요 제한 요인이다 이해에서왔다.

완전히 산화 구리의 산화를 방지하기 위해, 기판은 AP-SALD 같이 노천 증착 기술을 채용 할 때 어려울 수 항상 불활성 분위기 또는 진공에서 유지되어야한다. Cu를 2 O의 산화가 대규모 생산 진공 기반 기술 3,18에서 피할 수 있지만,이 문제는 대기 제조 공정에서 최소화 될 수 있다는 것이 중요하다. AP-SALD에서, 기판 표면에 노출 될 수있다헤테로 계면을 형성하기 전에, n 형 산화물의 증착 동안 형성 가스를 이용하여의 CuO의 환원로의 Cu 2 O의 산화 균형을 환원제. 25 환원제가 될 수있는 AP-SALD에 사용 환원 가스 (예를 들어, N은 2 + 5 % H 2 (25)), 또는 증착 이전에 환원 전구체 사이클의 개수, 즉, 물이없는 사이클이 순서에 위로의 CuO를 줄이기와 불활성 가스의 혼합물을 Cu를 2 O의 ZnO의 산화물은 그 표면에 성장하기 시작 직전.

이 연구에서, 표준 프로토콜은 노천 SALD-AP에 의해 pn 접합 형성의 Cu 2 O 처리 및 에칭의 제조 공정을 최적화의 CuO의 형성을 최소화하는 개발되었다. 이 작품의 성공은 저렴하고 확장 가능한 태양 광 장치의 응용 프로그램에 대한 유망한 방법으로 AP-SALD의 가능성을 보여줍니다. 이 기술은 고속 depos 사용될 수있다N- p 형 반도체 금속 산화물의 다양한 ition뿐만 아니라 차단 버퍼 및 플라스틱을 포함 감열 기판 상에 태양 전지 장벽 층.

공개 사항

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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.

감사의 글

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저자는 Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, Rutherford Foundation of New Zealand, Girton College Cambridge의 지원을 인정합니다. 이 작업은 ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 및 EPSRC(under RGS3717)의 자금 지원을 받았습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
동박아보카도 연구 화학물질 LTD T/A 알파 아자르133800.127 mm 두께, 99.9% (금속 기준), 담금화
Rapidox 산소 분석기Rapidox모델 2100
알루미나 보트Almath Crucibles LTD6121203치수 20 mm x 50  mm x 5  mm
금 펠릿KJLCEVMAUXX40G99.99% 순수, 1/8" x 1/8", 그램
DiethylzincAldrich256781≥ 52 wt. % Zn basis
Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesiumStrem Chemicals UK12-05105 g
ITO 타겟GoodFellow Cambridge LimitedLS 427438인듐 산화물/주석 산화물 타겟 (In2O3 90 / SnO2 10). 조건: 핫 프레스. 두께: 2.0  mm ± 0.5 mm. 크기: 35.5  mm x 55.5  mm ± 0.5  mm
VHT 엔진 에나멜 페인트Halfords325019 매우 높은 온도 엔진 에나멜 블랙 페인트
질산 HNO3, ACS 시약 70% Sigma-Aldrich Co Ltd438073-2.5L유해하고 자극성
2% 산소/아르곤 200barBOC Limited225757-LCu 호일 산화용 가스 혼합물, Ar로 희석

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ALDZn1 xMgxOCu2OCu2OZnO Cu2O

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