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Chemistry

घन में सुधार Heterojunction गुणवत्ता Published: July 31, 2016 doi: 10.3791/53501
Automatic Translation
1, 1, 2, 2, 1
1Department of Materials Science and Metallurgy, University of Cambridge, 2Cavendish Laboratory, University of Cambridge

Summary

यहाँ हम synthesizing के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे / घन cuprous ऑक्साइड पर Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे की वायुमंडलीय दबाव स्थानिक परमाणु परत बयान (एपी SALD) के माध्यम से कम तापमान पर खुली हवा में 2 हे heterojunctions। ऐसी उच्च गुणवत्ता conformal धातु आक्साइड इस सस्ते और स्केलेबल विधि द्वारा प्लास्टिक सहित substrates की एक किस्म पर उगाया जा सकता है।

Introduction

Cuprous ऑक्साइड (घन 2 ओ) एक पृथ्वी-प्रचुर मात्रा में गैर विषैले पी प्रकार अर्धचालक पदार्थ 1 है। 2 eV के एक बैंड के अंतर के साथ, cuprous ऑक्साइड heterojunction या मिलकर सौर कोशिकाओं में प्रकाश अवशोषक की भूमिका को पूरा कर सकते हैं। Heterojunction सौर कोशिकाओं में, घन 2 हे ऐसे ZnO 2 और उसके डाल दिया गया रूपों 3,4, गा के रूप में 2 ओ 3 5,6 एक किस्म एन-प्रकार बड़े अंतर बैंड अर्धचालकों और 2 Tio 7 के साथ जोड़ा जा करने के लिए (एक अधिक के लिए जाना जाता है घन 2 हे photovoltaics पर विस्तृत अवलोकन देख रेफरी। 8)। घन 2 हे आधारित heterojunction सौर कोशिकाओं के विकास चित्रा 1, जहां heterojunction synthesizing की विधि प्रत्येक डेटा बिंदु के बगल में संकेत दिया है में प्रस्तुत किया है। एक नोट कर सकते हैं जैसे कि स्पंदित लेजर बयान (PLD) या परमाणु परत बयान (ALD) उच्च शक्ति रूपांतरण क्षमता के लिए अनुमति के रूप में है कि वैक्यूम आधारित विधियों (6.1% 9 तक) प्राप्त किया जा सके। सह मेंntrast, इस तरह के विद्युत बयान (ईसीडी) के रूप में गैर वैक्यूम संश्लेषण तरीकों के लिए क्षमता कम बनी हुई है। हालांकि, कम लागत photovoltaics के लिए यह एक वैक्यूम बाहर heterojunction के संश्लेषण के लिए बेहतर है। एक वैक्यूम मुक्त, heterojunction गठन की स्केलेबल तकनीक के लिए एक अधिक उपयुक्त विकल्प है, यह चुनौती बनी हुई है इस तरह के तरीकों से उच्च गुणवत्ता की एक इंटरफेस का उत्पादन। घन 2 के लिए इस काम में हम एक खुली हवा का उपयोग, स्केलेबल पतली फिल्म बयान प्रक्रिया वायुमंडलीय दबाव स्थानिक परमाणु परत बयान (एपी SALD) नामक विकसित करने के लिए एन-प्रकार आक्साइड हे आधारित सौर कोशिकाओं। पारंपरिक ALD खत्म AP-SALD की उन्नति है कि पूर्व में, व्यापारियों अंतरिक्ष में करने के बजाय समय 10 में अलग हो रहे हैं। बयान प्रक्रिया के दौरान, एक सब्सट्रेट के आगे और पीछे एक गैस कई गुना के रूप में चित्रा 2 में दिखाया गया है जो अग्रदूत गैस, अक्रिय गैस चैनलों द्वारा अलग चैनल शामिल हैं के तहत एक गर्म पट्ट पर झूल रहे हैं। Precurs ले जाने नाइट्रोजन गैसओआरएस laterally चलती पट्ट ओर नीचे गैस कई गुना के माध्यम से खड़ी बहती है। पट्ट के दोलनों के कारण, सब्सट्रेट पर प्रत्येक बिंदु क्रमिक रूप से ऑक्सीडेंट और धातु व्यापारियों के लिए, के रूप में चित्रा 2 में सचित्र संपर्क में है। यह परत दर परत विकसित करने के लिए धातु ऑक्साइड फिल्म की अनुमति देता है। AP-SALD रिएक्टर डिजाइन और ऑपरेशन का एक विस्तृत विवरण कहीं और पाया जा सकता है। 11,12 यह दृष्टिकोण बयान परिमाण के एक से दो आदेशों को घटित करने के लिए तेजी से पारंपरिक ALD और बाहर निर्वात, जो रोल करने वाली रोल प्रसंस्करण के साथ संगत है से की अनुमति देता है । उच्च गुणवत्ता conformal ऑक्साइड AP-SALD द्वारा निर्मित फिल्मों प्लास्टिक सहित substrates की एक किस्म है, जो एपी SALD फिल्मों में सक्षम बनाता है जैसे सौर कोशिकाओं के रूप में 13 कम लागत वाली कार्यात्मक उपकरणों के लिए लागू किया जा करने के लिए पर (<150 डिग्री सेल्सियस) कम तापमान पर जमा किया जा सकता प्रकाश उत्सर्जक डायोड 14 और पतली फिल्म ट्रांजिस्टर 15।

कस्टम मेड AP-SALD गैस कई गुनाइस काम में इस्तेमाल यंत्रवत् सब्सट्रेट पट्ट पर रखा पर बनाए रखा गया था। इस गैस के प्रवाह की दर के सब्सट्रेट-कई गुना रिक्ति स्वतंत्र के नियंत्रण की अनुमति दी। 50 माइक्रोन की एक बड़ी रिक्ति इस्तेमाल किया गया था, जो धातु अग्रदूत और गैस चरण में ऑक्सीडेंट के बीच intermixing में हुई। इसलिए, एपी SALD रिएक्टर रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) मोड में संचालित किया गया था। इस ALD मोड में काम करने से ज्यादा लाभप्रद हो पाया था क्योंकि फिल्मों उच्च मोटाई एकरूपता के साथ एक उच्च दर पर बड़े हो रहे थे, लेकिन अभी भी और जब ALD फिल्मों के रूप में एक ही तापमान पर जमा क्रिस्टलीय थे। 12 के साथ साथ, हम अभी भी रूप में रिएक्टर के लिए देखें एक एपी-SALD रिएक्टर क्योंकि यह अन्य एपी SALD रिएक्टरों के रूप में ही मौलिक डिजाइन सिद्धांतों है। 11

हम विशेष रूप से जिंक ऑक्साइड और जिंक ऑक्साइड मैग्नीशियम में, हमारे सौर कोशिकाओं के लिए एन-प्रकार परत जमा करने के लिए हमारे रिएक्टर में इस्तेमाल किया (Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे 16,17)। मिलीग्राम int शामिलओ ZnO चालन बैंड परिचित होने की अनुमति देता है, जो बैंड-पूंछ thermalization 13 और इंटरफेसियल पुनर्संयोजन की वजह से नुकसान को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है। 18,19

यहाँ हम कैसे thermally ऑक्सीकरण cuprous ऑक्साइड substrates और इसलिए बेहतर सौर सेल प्रदर्शन बेहतर इंटरफ़ेस गुणवत्ता के लिए अनुमति पर जिंक आक्साइड और जस्ता मैग्नीशियम ऑक्साइड फिल्मों जमा प्राप्त किया जा करने के लिए शर्तों ट्यूनिंग दिखा। घन 2 हे सतह पर ताम्रयुक्त ऑक्साइड (CuO) का एक अत्यधिक गठन की वजह से heterojunction इंटरफेस में पुनर्संयोजन: यह सुधार घन 2 हे आधारित सौर कोशिकाओं में सीमित प्रमुख कारक की पहचान के माध्यम से संभव बनाया गया था।

Protocol

1. Cuprous ऑक्साइड Substrates की तैयारी

  1. तांबे पन्नी के ऑक्सीकरण
    1. 13 मिमी x 13 मिमी चौकों और स्वच्छ में एसीटोन में sonicating द्वारा 0.127 मिमी मोटी घन पन्नी कट।
    2. 1,000 डिग्री सेल्सियस के लिए तांबे पन्नी गर्मी जबकि लगातार भट्ठी के माध्यम से गैस एर बह रही है। ऑक्सीकरण भर में एक गैस विश्लेषक के साथ भट्ठी में गैस परिवेश की निगरानी। जब 1,000 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुँच जाता है, 10,000 पीपीएम ऑक्सीजन आंशिक दबाव प्राप्त करने और रखने कि कम से कम 2 घंटे के लिए करने के लिए एक प्रवाह दर पर भट्ठी के लिए ऑक्सीजन का परिचय। 2 घंटे के बाद, ऑक्सीजन बंद कर देते हैं, लेकिन गैस एर बह रखने।
    3. 500 डिग्री सेल्सियस के लिए भट्ठी (Ar गैस बह रखने) शांत हो जाओ। भट्ठी से crucibles के लिए तेजी से वापसी द्वारा ऑक्सीकरण नमूने बुझाने। उन्हें तेजी से ठंडा करने के लिए विआयनीकृत पानी में डुबकी substrates।
  2. घन 2 ओ की नक़्क़ाशी
    1. बार-बार लगाने से substrates के एक तरफ खोदनापतला नाइट्रिक एसिड की एक बूंद (1: एच 2 हे और 70% HNO 3 में से 1 मिश्रण) सतह से किसी भी ताम्रयुक्त ऑक्साइड हटा दें। नक़्क़ाशी तक कोई ग्रे फिल्म घन 2 हे सतह पर दिखाई दे रहा है जारी रखें। चेतावनी: यह प्रक्रिया एक धूआं हुड में किया जाता है।
    2. इसके तत्काल बाद नक़्क़ाशी, विआयनीकृत पानी में प्रत्येक सब्सट्रेट कुल्ला और isopropanol में sonicate। एक हवाई बंदूक के साथ सूखी।
    3. जमा एक 1 ग्राम सोने की गोली एक प्रतिरोध बाष्पीकरण के अंदर एक टंगस्टन नाव में रखा वाष्पन द्वारा घन 2 हे substrates की नक्काशी पक्ष पर सोने की 80 एनएम। उपयोग आधार दबाव 8 x 10 -6 मिलीबार और 4 ए की वर्तमान 0.8 ए / सेकंड की वाष्पीकरण की दर तक पहुंचने के लिए।
    4. सतह पर एसिड की एक बूंद को लागू करने से पतला नाइट्रिक एसिड में substrates के दूसरी ओर खोदना। यकीन एसिड दूसरी तरफ सुनहरा फिल्म खोदना नहीं करता है। कुल्ला और sonicate धारा 1.2.2 में वर्णित है।
    5. एक काले रंग के साथ इन्सुलेट substrates कवर (उच्च तापमान E उपयोगNgine तामचीनी) एक पेंट ब्रश का उपयोग कर, सौर सेल के सक्रिय क्षेत्र के रूप में लगभग 0.1 सेमी 2 के एक बेपर्दा क्षेत्र को छोड़ कर। एक मार्कर पेन पूरी तरह से साथ पीछे की ओर सुनहरा इलेक्ट्रोड को कवर किया।

2. जमा Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे का उपयोग AP-SALD रिएक्टर

नोट:।। जमा Zn 1 एक्स मिलीग्राम X घन की बेपर्दा पक्ष 2 हे substrates 13 इस काम में, एक कस्टम बनाया AP-SALD रिएक्टर इस्तेमाल किया गया था, कोडक द्वारा विकसित मूल डिजाइन से अनुकूलित पर हे फिल्मों 11,12 विवरण रिएक्टर अनुकूलन के रेफरी में दिया जाता है। 12।

  1. सेट-अप AP-SALD प्रणाली इस प्रकार है:
    1. Zn अग्रदूत और बीआईएस (ethylcyclopentadienyl) मिलीग्राम अग्रदूत के रूप में मैग्नीशियम के रूप में diethylzinc (DEZ) का प्रयोग करें। ये तरल व्यापारियों प्रत्येक अपने अलग गिलास bubblers में निहित हैं। व्यापारियों pyrophoric कर रहे हैं और हवा या पानी के साथ संपर्क में कभी नहीं आना चाहिए। बयान प्रणाली गैस तंग है।
    2. जिंक आक्साइड बयान के लिए 25 मिलीग्राम / मिनट, जो आरटी पर निहित है (20 डिग्री सेल्सियस) के लिए diethylzinc के माध्यम से नाइट्रोजन गैस की बुदबुदाती दर को समायोजित। जस्ता मैग्नीशियम आक्साइड बयान के लिए, 6 मिलीग्राम / बीआईएस (ethylcyclopentadienyl) मैग्नीशियम (जो 55 डिग्री सेल्सियस तक गरम किया जाता है) के माध्यम से मिनट और 200 मिलीग्राम / मिनट के लिए diethylzinc के माध्यम से बुदबुदाती दर की स्थापना करके प्रत्येक अग्रदूत के गैस अंश को समायोजित करने के लिए नियंत्रित करने के लिए Zn 1 एक्स मिलीग्राम X ओ में एमजी अनुपात करने के लिए Zn
    3. 100 मिलीग्राम / मिनट के लिए धातु अग्रदूत मिश्रण के लिए नाइट्रोजन वाहक गैस के प्रवाह की दर निर्धारित करें। विआयनीकृत पानी है, जो ऑक्सीडेंट के रूप में कार्यरत है के माध्यम से 100 मिलीग्राम / मिनट पर बुलबुला नाइट्रोजन गैस। यह वाष्प नाइट्रोजन गैस वाहक 200 मिलीग्राम / मिनट पर बहने के साथ पतला है।
    4. 500 मिलीग्राम / गैस कई गुना मिनट में नाइट्रोजन गैस का प्रवाह। AP-SALD गैस कई गुना में, यह नाइट्रोजन गैस के चार अलग-अलग चैनलों के लिए विभाजित है। प्रत्येक चैनल स्थानिक उन दोनों के बीच धातु अग्रदूत मिश्रण चैनल से दो ऑक्सीडेंट चैनलों को अलग करने के लिए कार्य करता है।
    5. पानी घूम के माध्यम से 40 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गैस कई गुना रखें। (- 150 डिग्री सेल्सियस 50) वांछित तापमान के लिए मंच (चलती पट्ट) गर्मी।
    6. वांछित नमूना से सिर दूरी, नमूना आकार, पट्ट गति (50 मिमी / सेकंड) और दोलनों की संख्या सॉफ्टवेयर पट्ट नियंत्रित करने के साथ (चक्र) सेट करें। ZnO जमा दर 1.1 एनएम / सेकंड है (या प्रति चक्र) और Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे जमा दर लगभग 0.54 एनएम / 150 डिग्री सेल्सियस पर सेकंड है। बयान के चक्र का एक विशिष्ट संख्या 200 है।
    7. 400 दोलनों के लिए या जब तक एक स्पष्ट मोटी सजातीय फिल्म देखी जा सकती है, एक गिलास स्लाइड पर वांछित ऑक्साइड जमा।
    8. एक गिलास मुखौटा पर सब्सट्रेट की जगह यदि आवश्यक हो, तो यह गैस कई गुना के तहत जगह है। सब्सट्रेट ऊपर 50 माइक्रोन के लिए सिर (गैस कई गुना) ऊंचाई समायोजित करें।
    9. जमा Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे पहले मिलीग्राम अग्रदूत bubbler, तो Zn अग्रदूत bubbler के लिए वाल्व खोलने के द्वारा फिल्मों, तो movi शुरू"बयान शुरू" सॉफ्टवेयर में क्लिक करके गैस कई गुना के तहत पट्ट एनजी। केवल आदेश ऑक्सीडेंट, जबकि गर्म करने के लिए घन 2 हे सतह जोखिम से बचने के लिए धातु व्यापारियों के 5 दोलनों के साथ सब्सट्रेट स्कैनिंग के बाद एच 2 ओ bubbler खोलें।
    10. जब जमाव समाप्त हो गया है, के रूप में जल्दी संभव के रूप में गर्म पट्ट से घन 2 हे substrates हटाने और धातु व्यापारियों की bubbler वाल्व बंद कर दें। एक ब्लेड के साथ कई गुना में गैस चैनलों साफ किसी भी जमा ऑक्साइड पाउडर हटा दें। 2.6 में वर्णित के रूप में अगले बयान चक्र शुरू।
    11. जब समाप्त हो, नाइट्रोजन वाल्व बंद करने से पहले 30 मिनट के लिए प्रणाली शुद्ध करना।

    3. आईटीओ की sputtering

    1. प्रत्यक्ष वर्तमान magnetron निम्न शर्तों पर 20 sputtering द्वारा इंडियम टिन ऑक्साइड (आईटीओ) के 175 एनएम धूम:। बिजली 20 डब्ल्यू, आधार दबाव <10 -9 मिलीबार, Ar दबाव 2.5 Pa 35 एनएम के एक sputtering दर पर / मिनट, आईटी धूमएक 175 एनएम मोटी आईटीओ फिल्म के लिए 5 मिनट के लिए हे। जिसके परिणामस्वरूप इतो / जेडएनओ / घन 2 हे heterojunction 3 चित्र में दिखाया गया है।

    4. उपकरणों की फिनिशिंग

    1. एसीटोन के साथ सोने के इलेक्ट्रोड से मार्कर पेन साफ ​​सुनहरा इलेक्ट्रोड को बेनकाब करने के लिए।
    2. आईटीओ और Au इलेक्ट्रोड पर एजी पेस्ट के साथ 2 पतले तारों चिपके द्वारा बिजली के संपर्क लागू करें।

Representative Results

23 - thermodynamically, CuO आरटी पर हवा में तांबे ऑक्साइड का केवल स्थिर चरण, के रूप में घन-ओ चरण स्थिरता आरेख 21 का पता चलता है। एक बेहद संवेदनशील तकनीक है जो उप-बैंड अंतराल अवशोषण माप के लिए अनुमति देता है - घन 2 हे, नक्काशी के अवशोषण स्पेक्ट्रा की सतह पर CuO की उपस्थिति सत्यापित करने के लिए और thermally घन ऑक्सीकरण unetched 2 हे substrates photothermal विक्षेपन स्पेक्ट्रोस्कोपी (पीडीएस) के साथ ले जाया गया 24 (चित्रा 4)। दोनों स्पेक्ट्रा 1.4 eV, जो CuO का अंतर बैंड के साथ मेल खाता ऊपर अवशोषण दिखाया, 2 eV (घन 2 हे बैंड अंतराल) पर saturating से पहले। Unetched सब्सट्रेट 2 eV नीचे एक उच्च अवशोषण था, unetched घन 2 हे नक्काशी सब्सट्रेट पर की तुलना की सतह पर CuO का एक मोटा परत का सुझाव दे। चित्रा 4 में इनसेट रूप से ऑक्सीकरण (unetched) घन 2 हे सब्सट्रेट पर CuO की एक ग्रे परत से पता चलता है। जबकिकोई ग्रे फिल्म नक्काशी सब्सट्रेट पर नेत्रहीन पता लगाया जा सकता है, कुछ CuO, अभी भी इसकी सतह पर मौजूद था के रूप में सार्वजनिक वितरण प्रणाली के मापन पता चलता है। घन 2 हे substrates की सतह पर एक बहुत पतली CuO फिल्म की उपस्थिति भी एक्स-रे Photoelectron स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS) 19,25 के साथ की पुष्टि की थी। घन 2 हे सतह पर ताम्रयुक्त ऑक्साइड वर्तमान heterojunction इंटरफेस है कि इसलिए, पी.एन. जंक्शन पर CuO उपस्थिति अवांछनीय है पुनर्संयोजन केन्द्रों के रूप में कार्य कर सकते हैं और है, कम से गहरे स्तर जाल राज्यों (घन 2 +) 18 का परिचय।

ताप घन oxidants (जैसे, हवा और नमी) की उपस्थिति में 2 हे substrates CuO के लिए घन 2 ओ के ऑक्सीकरण की सुविधा। आदेश AP-SALD द्वारा polycrystalline ZnO प्राप्त करने के लिए, substrates 150 डिग्री सेल्सियस तक गर्म कर रहे हैं। के रूप में सब्सट्रेट बयान के दौरान खुली हवा में या ऑक्सीडेंट गैस के तहत ऊंचा तापमान पर आयोजित किया जाता है, CuO जल्दी घन पर रूपों चित्रा 5 इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) एक etched घन 2 हे सब्सट्रेट की छवियों स्कैनिंग से पहले और नाइट्रोजन के प्रवाह के तहत 150 डिग्री सेल्सियस पर एपी SALD पट्ट पर 3 मिनट खर्च करने के बाद पता चलता है। एकाधिक CuO outgrowths annealed सब्सट्रेट पर देखा जा सकता है, के रूप में ऊर्जा फैलानेवाला एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (EDX) द्वारा सत्यापित उनकी संरचना CuO के करीब होने के साथ।

फोटोवोल्टिक उपकरणों ZnO etched thermally ऑक्सीकरण घन 2 हे substrates के शीर्ष पर 400 सेकंड के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एपी SALD द्वारा जमा साथ किए गए थे। चित्रा 6A इस मानक उपकरण की सतह से पता चलता है। एक कई rod- और फूल की तरह outgrowths डिवाइस में मौजूद नोटिस कर सकते हैं। EDX और सार्वजनिक वितरण प्रणाली के साथ पहले की पुष्टि की है, इन outgrowths ताम्रयुक्त ऑक्साइड कर रहे हैं और घटित घन 2 के कारण हे हवा और oxidants के संपर्क में। 1 टेबल और चित्रा 7 ( 'ZnO / घन 2 हे मानक' गurve) इस डिवाइस के अपेक्षाकृत खराब प्रदर्शन प्रदर्शित करता है।

आदेश घन 2 हे सतह पर CuO गठन से बचने के लिए, etched thermally ऑक्सीकरण घन 2 हे substrates पर एपी SALD द्वारा ZnO जमा करने के लिए शर्तों को अनुकूलित किया गया। निम्नलिखित उपाय CuO वृद्धि को कम करने के क्रम में लिया गया: बयान के तापमान में कमी (चित्रा 8A); बयान समय (चित्रा 8B) की कमी; ऑक्सीडेंट गैस के संपर्क में, यानी बिना कुछ दोलनों के लिए सब्सट्रेट सतह स्कैनिंग, केवल धातु व्यापारियों और निष्क्रिय चैनलों खुला (चित्रा 8) के साथ; और अंत में, हवा में नग्न घन 2 हे substrates के अनावश्यक हीटिंग से बचने के सिर्फ बयान के शुरू होने से पहले। घन 2 हे पर ZnO बयान का इष्टतम मानकों को 100 डिग्री सेल्सियस, 100 सेकंड और 5 जल-चक्र से मुक्त होना पाया गया है। अनुकूलित उपकरण की सतह CuO outgrowt से मुक्त किया गयाएच एस, के रूप में चित्रा 6B में प्रदर्शन किया है। अनुकूलित ZnO / घन 2 हे डिवाइस की वर्तमान घनत्व वोल्टेज (जेवी) विशेषता चित्रा 7 में मानक उपकरण के साथ तुलना की जाती है। दोनों मानक और अनुकूलित ZnO / घन 2 हे उपकरणों की फोटोवोल्टिक प्रदर्शन तालिका 1 में प्रस्तुत किया है। यह कर सकते हैं देखा जा सकता है कि चार उपर्युक्त उपायों का पालन करते हुए, उपकरणों की सत्ता परिवर्तन दक्षता में छह गुना वृद्धि हासिल की थी।

आगे CuO की कमी और heterojunction गुणवत्ता पर एपी SALD शर्तों के अनुकूलन के प्रभाव को स्पष्ट करने के लिए, बाहरी क्वांटम दक्षता (EQE) माप 150 डिग्री सेल्सियस और 100 डिग्री सेल्सियस (9 चित्रा) पर जमा ZnO के साथ उपकरणों पर प्रदर्शन किया गया। दो उपकरणों के EQE स्पेक्ट्रा, 475 एनएम ऊपर तरंग दैर्ध्य में समान है, जबकि 475 एनएम, जो तरंग दैर्ध्य की सीमा है नीचे तरंग दैर्ध्य में काफी मतभेद अंतरफलक के करीब अवशोषित। छोटी तरंग दैर्ध्य विकिरण के लिए, उच्च तापमान पर बनाया ZnO के साथ डिवाइस की EQE कम तापमान पर बनाया ZnO के साथ डिवाइस की है कि आधे से भी कम था। यह पता चलता है कि अधिक ताम्रयुक्त ऑक्साइड ZnO / घन 2 हे उच्च तापमान पर बनाया इंटरफेस है, जो इस क्षेत्र में वृद्धि हुई पुनर्संयोजन के कारण heterointerface के करीब से प्रभारी संग्रह के लिए कम में उपस्थित थे।

मिलीग्राम आदेश ZnO के चालन बैंड को बढ़ाने के लिए और पुनर्संयोजन और 15 को कम करने में एपी SALD ZnO फिल्मों में शामिल किया गया था। Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे / घन 2 हे सौर कोशिकाओं अनुकूलित Zn 0.8 मिलीग्राम 0.2 हे फिल्मों के साथ किए गए थे, में 2.2% डिवाइस PCE जिसके परिणामस्वरूप - खुली हवा के साथ घन 2 के लिए तिथि करने के लिए उच्चतम हे आधारित सौर कोशिकाओं heterojunctions गढ़े (7 चित्रा और तालिका 1 में डिवाइस के प्रदर्शन को देखें)।

सामग्री "के लिए: रखने together.within-पेज =" 1 "> आकृति 1
चित्रा 1. घन 2 हे आधारित सौर सेल प्रकाशन का वर्ष से दक्षता (यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 8)। मार्कर से संकेत मिलता है कि क्या इंटरफेस निर्वात में या वातावरण (गैर वैक्यूम) में गठन किया गया था और लेबल की विधि का संकेत heterojunction गठन। एमएसपी - magnetron sputtering, IBS - आयन बीम sputtering, Vape - वैक्यूम आर्क प्लाज्मा वाष्पीकरण। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. एपी SALD बयान प्रक्रिया के योजनाबद्ध (पारंपरिक ALD के साथ तुलना में) और धातु multicomponent बैल के उत्पादन के लिए सेट-अपइडस। (ए) पारंपरिक ALD (डेल्टा डोपिंग) में प्रत्येक अग्रदूत और शुद्ध कदम की अनुक्रमिक जोखिम (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 11)। इस पांडुलिपि के संदर्भ में, एम 1 diethylzinc वाष्प, M2 बीआईएस (ethylcyclopentadienyl) मैग्नीशियम वाष्प, और O1 और O2 जल वाष्प है। (बी) धातु अग्रदूत मिश्रण (सह इंजेक्शन), अक्रिय गैस चैनलों ( 'शुद्ध' कदम के बराबर) और ऑक्सीडेंट AP-SALD में अनुक्रमिक जोखिम (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 11)। (सी) एक सामान्य AP-SALD रिएक्टर, व्यापारियों स्थानिक अक्रिय गैस चैनलों से अलग कर दिया, सब्सट्रेट विभिन्न चैनलों के नीचे डोलती के साथ दिखाने का योजनाबद्ध (यह आंकड़ा रेफरी। 11 है, जो रेफरी में एक से एक संशोधन है से reproduced किया गया है। 26)। (डी) परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी के साथ एक एपी-SALD प्रणाली के महत्वपूर्ण घटकों का अवलोकन योजनाबद्ध (AFM) छवियों की आकृति विज्ञान दिखासब्सट्रेट पहले और बाद में Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे बयान (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 13)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
घन 2 हे ZnO और आईटीओ फिल्मों के साथ सब्सट्रेट मनाया जा सकता है की चित्रा 3. क्रॉस अनुभागीय SEM आईटीओ की छवि / ZnO / घन 2 हे heterojunction (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 8)। Conformal कोटिंग। देखने के लिए यहाँ क्लिक करें यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण।

चित्रा 4
चित्रा 4. पीडीएस नक्काशी और unetched (एएस Oxi के स्पेक्ट्रा dized) घन 2 हे substrates (यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 8)। insets नक्काशी और unetched cuprous ऑक्साइड substrates की तस्वीरें दिखा। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5. 3 मिनट के लिए हवा में एक घन 2 हे सब्सट्रेट जब (ए) हौसले etched और (बी) annealing के बाद 150 डिग्री सेल्सियस पर की सतह के SEM छवियों (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 8)। Insets शो सतह रचना EDX के साथ हासिल कर ली। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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चित्रा 6 (ए) मानक की स्थिति और (बी) एपी SALD ZnO के अनुकूलित शर्तों (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 8) का उपयोग किया ZnO / घन 2 हे सौर कोशिकाओं की सतह के SEM छवियों। विभिन्न outgrowths हो सकता है मानक डिवाइस में देखा जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
Zn के लिए चित्रा 7. प्रकाश जेवी विशेषताओं 1 एक्स मिलीग्राम X हे / घन 2 हे सौर (यह आंकड़ा रेफरी से संशोधित किया गया है। 8)। जेवी घटता सौर सेल प्रदर्शन में सुधार जब प्रदर्शित मानक और अनुकूलित AP-SALD की स्थिति में गढ़े कोशिकाओं Zn की संरचना और एपी SALD शर्तों 1 एक्स मिलीग्राम X हे फिल्मों अनुकूलित कर रहे हैं।एस: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

आंकड़ा 8
8 चित्रा ZnO / घन 2 हे सौर कोशिकाओं के प्रदर्शन पर एपी SALD मापदंडों का प्रभाव। (ए) और (बी) के उपकरणों के खुले सर्किट वोल्टेज (वी ओसी) पर एपी SALD ZnO बयान समय और तापमान के प्रभाव (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 8), (सी) पानी के सहसंबंध उपकरणों के वी आयोजन समिति के साथ मुक्त चक्र। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

9 चित्रा
9 चित्रा EQE SpectrZnO / घन 2 हे ZnO के साथ सौर कोशिकाओं के एक 100 डिग्री सेल्सियस और 150 डिग्री सेल्सियस पर जमा किया। (यह आंकड़ा रेफरी से reproduced किया गया है। 8)। उपकरणों के खुले सर्किट वोल्टेज कथा में संकेत दिया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

सौर सेल बयान के तापमान, डिग्री सेल्सियस बयान समय, एसईसी जम्मू अनुसूचित जाति, मा / 2 सेमी वी OC, वी एफएफ,% PCE,%
ZnO / घन 2 हे स्टैंडर्ड 150 400 3.7 0.18 35 0.23
ZnO / घन 2 हे अनुकूलित 100 100 </ Td> 7.5 0.49 40 1.46
Zn 0.8 मिलीग्राम 0.2 / घन 2 हे अनुकूलित 150 100 6.9 0.65 49 2.20

तालिका 1. मानक और अनुकूलित AP-SALD Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे बयान मापदंडों और सबसे अच्छा इसी आईटीओ के प्रदर्शन / Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे / घन 2 हे सौर कोशिकाओं (इस तालिका में रेफरी से संशोधित किया गया है। 8) । जम्मू अनुसूचित जाति - शॉर्ट सर्किट वर्तमान घनत्व, एफएफ - कारक भरें।

Discussion

प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम CuO सब्सट्रेट सतह ऑक्सीकरण के लिए घन 2 ओ द्वारा निर्धारित की गई हैं। ये पतला नाइट्रिक एसिड में substrates के नक़्क़ाशी ऑक्सीकरण के बाद के रूप में भी स्वर्ण इलेक्ट्रोड के वाष्पीकरण के बाद किसी भी CuO दूर करने के लिए, समय substrates Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे बयान से पहले खुली हवा में खर्च कम करने और अंत में, के बयान में शामिल Zn 1 एक्स मिलीग्राम X हे घन 2 पर हे AP-SALD द्वारा substrates।

पारंपरिक ALD की तुलना में एपी SALD का लाभ यह है कि फिल्मों परिमाण उच्च के आदेश के दो में से एक है कि विकास दर के साथ एक निर्वात के बाहर विकसित किया जा सकता है। बहरहाल, यह संकेत मिलता है कि घन 2 हे substrates कम से कम सिर्फ बयान है, जो पर्याप्त है के लिए एक पतली परत CuO सतह पर फार्म करने से पहले ऊंचा तापमान पर हवा में oxidants को उजागर किया है। यह प्रतीत होता है कि कुछ ऑक्सीकरण के प्रति संवेदनशील मटेरिया के लिए AP-SALD विधि के आवेदन की सीमारास। हालांकि, इस तरह के तापमान और समय के रूप में एपी SALD शर्तों के अनुकूलन, साथ ही हवा और नमी के लिए घन 2 हे जोखिम को कम करके, ZnO / घन 2 हे उपकरणों के रूपांतरण दक्षता में छह गुना वृद्धि एपी SALD का उपयोग किया हासिल की थी । सुधार समझ है कि घन 2 हे CuO ऑक्सीकरण के लिए heterojunction सौर कोशिकाओं में एक सामग्री के रूप में तांबे ऑक्साइड और तदनुसार निर्माण प्रोटोकॉल को संशोधित करने की सीमित प्रमुख कारक है से आया है।

आदेश में पूरी तरह से cuprous ऑक्साइड के ऑक्सीकरण से बचने के लिए, substrates एक आभ्यांतरिक वातावरण में या सब समय है, जो चुनौतीपूर्ण जब ऐसी एपी SALD के रूप में एक खुली हवा में बयान तकनीक को रोजगार हो सकता है निर्वात में रखा जाना चाहिए। घन 2 ओ के ऑक्सीकरण वैक्यूम आधारित तकनीक 3,18, बड़े पैमाने पर निर्माण के लिए टाला जाता है, यह महत्वपूर्ण है कि इस समस्या को वायुमंडलीय निर्माण प्रक्रिया में कम से कम हो सकता है। AP-SALD में, सब्सट्रेट सतह से अवगत कराया जा सकता हैएजेंटों को कम करने heterointerface के गठन से पहले, और एन-प्रकार ऑक्साइड के बयान के दौरान गठन गैस का उपयोग करके CuO की कमी के साथ घन 2 ओ के ऑक्सीकरण संतुलन द्वारा। 25 एजेंट को कम करने AP-SALD में इस्तेमाल किया जा सकता है एक कम करने के लिए गैस (जैसे, एन 2 + 5% एच 2 25), या एक कम करने के अग्रदूत बयान से पहले साथ चक्र की एक संख्या है, यानी, पानी से मुक्त चक्र, क्रम में CuO वापस करने के लिए कम करने के साथ एक निष्क्रिय गैस का मिश्रण घन 2 हे बस से पहले ZnO ऑक्साइड इसकी सतह पर विकसित करने के लिए शुरू होता है।

इस काम में, एक मानक प्रोटोकॉल विकसित किया गया है कि CuO गठन के निर्माण कदम खुली हवा में एपी-SALD द्वारा पी.एन. जंक्शन गठन के लिए घन 2 हे प्रसंस्करण और नक़्क़ाशी से अनुकूलन के कम से कम किया गया है। इस काम की सफलता के सस्ते और स्केलेबल फोटोवोल्टिक उपकरणों में आवेदन के लिए एक आशाजनक विधि के रूप में एपी SALD की क्षमता को दर्शाता है। तकनीक तेजी से depos के लिए इस्तेमाल किया जा सकताएन और पी प्रकार semiconducting धातु आक्साइड की एक किस्म की ition के रूप में अच्छी तरह से अवरुद्ध, बफर और प्लास्टिक सहित गर्मी के प्रति संवेदनशील substrates पर सौर कोशिकाओं में बाधा परतें।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Copper foil Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar 13380 0.127 mm thick, 99.9% (metals basis), annealed
Rapidox Oxygen analyzer Rapidox Model 2100
Alumina boat Almath Crucibles LTD 6121203 Dimensions 20 mm x 50 mm x 5 mm
Gold pellets KJLC EVMAUXX40G 99.99% pure, 1/8" x 1/8", sold by the gram
Diethylzinc Aldrich 256781 ≥52 wt. % Zn basis
Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium Strem Chemicals UK 12-0510 5 g
ITO target GoodFellow Cambridge Limited LS 427438 Indium Oxide/Tin Oxide target (In2O3 90 / SnO2 10). Condition: Hot-pressed. Thickness: 2.0 mm ± 0.5 mm. Size: 35.5 mm x 55.5 mm ± 0.5 mm
VHT engine enamel paint Halfords 325019 very high temperature engine enamel black paint
Nitric acid HNO3, ACS reagent 70%  Sigma-Aldrich Co Ltd 438073-2.5L Harmful, irritant
2% Oxygen/Argon 200 bar BOC Limited 225757-L gas mixture for Cu foil oxidation, to be diluted with Ar

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रसायन विज्ञान अंक 113 Cuprous ऑक्साइड वायुमंडलीय दबाव स्थानिक ALD ZnO / घन अकार्बनिक सौर सेल ZnO इंटरफ़ेस पुनर्संयोजन
घन में सुधार Heterojunction गुणवत्ता<sub&gt; 2</sub&gt; हे आधारित वायुमंडलीय दबाव स्थानिक परमाणु परत के अनुकूलन जमा के माध्यम से सौर कोशिकाओं<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; मिलीग्राम<sub&gt; एक्स</sub&gt; हे
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Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z.,… More

Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z., Sadhanala, A., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited
Zn1-xMgxO. J. Vis. Exp. (113), e53501, doi:10.3791/53501 (2016).

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