Methodenartikel

Verbeterde Heterojunction Kwaliteit in Cu 2 O-gebaseerde zonnecellen door het optimaliseren van de atmosferische druk Ruimtelijke Atomic Layer Afgezet
Zn 1-x Mg x O

DOI:

10.3791/53501

⸱

31 juli 2016

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier presenteren we een protocol voor het synthetiseren Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O heterojunctions in de open lucht bij lage temperatuur via luchtdruk ruimtelijke atomic layer deposition (AP-SALD) van Zn 1-x Mg x O op koperoxide. Dergelijke hoge kwaliteit conforme metaaloxiden kan worden geteeld op een verscheidenheid van substraten, waaronder kunststoffen door deze goedkope en schaalbaar methode.

Samenvatting

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

Atmosferische druk ruimtelijke atomaire laagdeposition (AP-SALD) werd gebruikt om n-type ZnO en Zn1-xMgxO dunne films af te zetten op p-type thermisch geoxideerde Cu2O substraten buiten vacuüm bij lage temperatuur. De prestaties van fotovoltaïsche apparaten met atmosferisch gefabriceerde ZnO/Cu2O heterojunctie waren afhankelijk van de omstandigheden van AP-SALD filmdeposition, namelijk de substraattemperatuur en depositietijd, evenals van de Cu2O substraatblootstelling aan oxiderende agentia voorafgaand aan en tijdens de ZnO depositie. Oppervlakkige Cu2O naar CuO oxidatie werd geïdentificeerd als een beperkende factor voor de kwaliteit van de heterojunctie vanwege recombinatie op de ZnO/Cu2O interface. Optimalisatie van de AP-SALD omstandigheden evenals het weghouden van Cu2O van lucht en vocht om Cu2O oppervlakteoxidatie te minimaliseren, leidde tot verbeterde apparaatprestaties. Een drievoud stijging in de open-circuit spanning (tot 0,65 V) en een tweevoudige stijging in de kortsluitstroomdichtheid produceerde zonnecellen met een record 2,2% energieconversie-efficiëntie (PCE). Deze PCE is de hoogste gerapporteerde voor een Zn1-xMgxO/Cu2O heterojunctie gevormd buiten vacuüm, wat atmosferische druk ruimtelijke ALD als een veelbelovende techniek benadrukt voor goedkope en schaalbare fabricage van Cu2O-gebaseerde fotovoltaïca.

Inleiding

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

Koperoxide (Cu 2 O) is een aarde-rijke niet-toxisch p-type halfgeleidermateriaal 1. Met een band gap van 2 eV, kan koperoxide de rol van licht absorber in heterojunctie of tandem zonnecellen te vervullen. In heterojunctie zonnecellen, Cu 2 O bekend is worden gecombineerd met verschillende n-type grote bandafstand halfgeleiders zoals ZnO 2 en gedoteerde variaties 3,4, GA 2 O 3 5,6 en TiO 2 7 (voor een gedetailleerd overzicht van Cu 2 O fotovoltaïsche zie ref. 8). De ontwikkeling van Cu 2 O basis bij zonnecellen wordt getoond in Figuur 1, waarbij de werkwijze voor het synthetiseren de heterojunctie naast elk gegevenspunt wordt aangegeven. Men kan er rekening mee dat vacuum gebaseerde methoden zoals gepulste laser depositie (PLD) of atomic layer deposition (ALD) toegestaan ​​voor een hogere Power Conversion efficiëntie te bereiken (tot 6,1% 9). in contrast, de efficiëntie voor niet-vacuum synthese methoden, zoals elektrochemische depositie (ECD) zijn laag gebleven. Voor goedkope zonnecellen is het beter om de heterojunctie synthetiseren buiten een vacuüm. Terwijl een vacuüm-vrij, schaalbare techniek heterojunctie formatie is een geschikt alternatief, blijft het een uitdaging om een ​​interface van hoge kwaliteit te produceren door dergelijke werkwijzen. In dit werk maken we gebruik van een open-air, schaalbare dunne film depositie proces genaamd atmosferische druk ruimtelijke atomic layer deposition (AP-SALD) om te groeien n-type oxiden voor Cu 2 O-gebaseerde zonnecellen. De voortgang van AP-SALD boven conventionele ALD is dat in het eerste, voorlopers ruimtelijk gescheiden plaats van in de tijd 10. Tijdens de afzetting van een substraat oscilleert heen en weer op een verhitte plaat onder een gasverdeler die precursorgas kanalen gescheiden door kanalen inert gas bevat zoals getoond in figuur 2. De stikstof die de precursors stroomt verticaal door het gas spruitstuk naar beneden richting de zijdelings bewegende glasplaat. Door de trillingen van de plaat, is elk punt op het substraat achtereenvolgens blootgesteld aan het oxidatiemiddel en metaalvoorlopers, zie figuur 2. Hierdoor kan de metaaloxidefilm te groeien laag voor laag. Een gedetailleerde beschrijving van AP-SALD reactor ontwerp en de exploitatie kan elders worden gevonden. 11,12 Deze aanpak maakt het mogelijk de depositie op 1-2 ordes van grootte sneller dan conventionele ALD en buiten vacuüm, die compatibel is met roll-to-roll processing optreden . Hoogwaardige conforme oxide films die AP-SALD kunnen worden gedeponeerd bij lage temperaturen (<150 ° C) op een verscheidenheid van substraten zoals kunststoffen, die AP-SALD films mogelijk maakt toepassing goedkope functionele inrichtingen zoals zonnecellen 13 , light emitting diodes 14 en dunne-film transistoren 15.

De op maat gemaakte AP-SALD gas manifoldgebruikt in dit werk werd mechanisch gehandhaafd over het substraat geplaatst op de glasplaat. Hierdoor kon de controle van het substraat-verdeelstuk afstand onafhankelijk van de gasstromen. Een grote afstand van 50 urn werd gebruikt, waardoor menging tussen de metaalprecursor en oxidant in de gasfase. Daarom werd het AP-SALD reactor gebruikt in chemische dampafzetting (CVD) modus. Dit bleek gunstig ten opzichte operating in ALD modus omdat de films met een hogere snelheid met een hoge uniformiteit van dikte werden gekweekt, maar en waren kristallijne wanneer gedeponeerd bij dezelfde temperaturen ALD films. 12 Hierin we nog naar de reactor een AP-SALD reactor, omdat het dezelfde fundamentele ontwerpprincipes als andere AP-SALD reactoren. 11

We gebruikten de reactor om de n-type laag voor onze zonnecellen deponeren, met name zinkoxide en magnesiumoxide (1 Zn-Mg x x O 16,17). Integratie van Mg into ZnO kan de geleidingsband te stemmen, wat belangrijk is voor de verliezen door band-tail thermalisatie 13 interface- recombinatie. 18,19

Hier laten we zien hoe het afstemmen van de voorwaarden voor het deponeren zinkoxide en magnesiumoxide films op thermisch geoxideerde koperoxide substraten toegestaan ​​voor een verbeterde interface en dus betere cel solar te verkrijgen. Deze verbetering is mogelijk gemaakt door de identificatie van de belangrijkste beperkende factor in Cu 2 O zonnecellen: recombinatie bij de heterojunctie-interface door een overmatige vorming van koperoxide (CuO) op de Cu 2 O oppervlak.

Protocol

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

1. Bereiding van koperoxide Substrates

  1. Oxidatie van koperfolie
    1. Snijd 0,127 mm dikke Cu-folie in 13 mm x 13 mm pleinen en schoon door sonificeren in aceton.
    2. Verwarm koperfolie tot 1000 ° C, terwijl continu stromend Ar-gas door de oven. Controleer de omgevingsgas in de oven met een gasanalysator gehele oxidatie. Wanneer de temperatuur van 1000 ° C wordt bereikt, voeren zuurstof aan de oven bij een debiet 10.000 ppm partiële zuurstofdruk verkrijgen en houden die ten minste 2 uur. Na 2 uur, zet de zuurstof, maar houdt de Ar-gas stroomt.
    3. Afkoelen de oven tot 500 ° C (houd de Ar gas stroomt). Quench de geoxideerde monsters door een snelle terugtrekking van de smeltkroezen uit de oven. Dompel de substraten in gedeïoniseerd water om ze sneller te koelen.
  2. Etsen van Cu 2 O
    1. Etsen één zijde van de substraten door herhaaldelijk toepasseneen druppel verdund salpeterzuur (1: 1 mengsel van H2O en 70% HNO 3) één koperoxide verwijderen van het oppervlak. Doorgaan etsen tot er geen grijze film zichtbaar is op de Cu 2 O oppervlak. LET OP: Deze procedure wordt uitgevoerd in een zuurkast.
    2. Onmiddellijk na het etsen, spoelen elk substraat in gedemineraliseerd water en ultrasone trillingen in isopropanol. Droog met een luchtpistool.
    3. Borg 80 nm goud op de geëtste zijde van de Cu 2 O substraten door het verdampen van een 1 g goud pellet in een wolfraam boot in een weerstand verdamper. Gebruik base druk 8 x 10 -6 mbar en de stroom van 4 A om de verdamping van 0,8 A / sec te bereiken.
    4. Etsen andere zijde van het substraat in verdund salpeterzuur door een druppel zuur op het oppervlak. Controleer het zuur niet de gouden film etsen aan de andere kant. Spoel en ultrasone trillingen zoals beschreven in paragraaf 1.2.2.
    5. Bedek de substraten met een zwarte isolerende verf (gebruik van hoge temperatuur engine email) met behulp van een kwast, waardoor ongemaskeerde gebied van ongeveer 0,1 cm 2 als de actieve zone van de zonnecel. Bedek de gouden elektrode op de achterzijde met een marker pen volledig.

2. Deponeren Zn 1-x Mg x O Met behulp van AP-SALD Reactor

Let op:.. Deposit Zn 1-x Mg x O films op de gemaskeerde kant van Cu 2 O substraten 13 In dit werk, werd een op maat gemaakte AP-SALD reactor gebruikt, aangepast van het originele ontwerp is ontwikkeld door Kodak 11,12 Details van de reactor voorbeeld worden gegeven in Ref. 12.

  1. Set-up van de AP-SALD systeem als volgt:
    1. Gebruik diethylzink (DEZ) als precursor Zn en bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium als Mg precursor. Dit zijn vloeibare voorlopers elk in hun eigen glazen Bubblers. De voorlopers zijn pyrofore en mag nooit in contact komen met lucht of water. De afzetting systeem gasdicht.
    2. Voor zinkoxide depositie passen bruisend snelheid van stikstofgas via diethylzink tot 25 ml / min, dat aanwezig is bij kamertemperatuur (20 ° C). Zink magnesiumoxide afzetting, pas de gasfractie van elke precursor door het borrelen prijs via de diethylzink tot 6 ml / min en 200 ml / min door de bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium (die wordt verhit tot 55 ° C) te besturen Zn met Mg Zn verhouding in het 1-x x Mg O.
    3. Stel de stroomsnelheid van het dragergas stikstof naar het metaal precursor mengsel tot 100 ml / min. Bubble stikstofgas bij 100 ml / min door gedeïoniseerd water, dat wordt gebruikt als oxidatiemiddel. Deze damp wordt verdund met stikstof dragergas stroomsnelheid van 200 ml / min.
    4. Stroom stikstofgas bij 500 ml / min naar de gasverdeler. In de AP-SALD gas spruitstuk, is dit stikstofgas gesplitst om vier afzonderlijke kanalen. Elk kanaal dient voor het ruimtelijk scheiden de twee kanalen van de oxidant metaalprecursor mixkanaal daartussen.
  2. Houd het gas spruitstuk bij een temperatuur van 40 ° C via circulerende water. Verwarm het werkvlak (bewegende drukcilinder) op de gewenste temperatuur (50-150 ° C).
  3. Stel de gewenste sample-to-head afstand monstergrootte, snelheid drukplaat (50 mm / sec) en het aantal trillingen (cycli) met de software regelen van de plaat. De ZnO depositiesnelheid 1,1 nm / sec (of per cyclus) en de Zn 1-x x O Mg afzettingssnelheid is ongeveer 0,54 nm / s bij 150 ° C. Een typische aantal afzetting cycli is 200.
  4. Stort het gewenste oxide op een glasplaatje 400 oscillaties of tot een heldere homogene dikke film te zien.
  5. Plaats het substraat op een glazen masker indien nodig, plaats deze dan onder het gas spruitstuk. Pas de kop (gas spruitstuk) hoogte tot 50 pm boven het substraat.
  6. Borg de Zn 1-x Mg x O films door eerst de kleppen te openen voor de Mg voorloper bubbler, dan is de Zn voorloper bubbler, dan beginnen moving de plaat onder het gas spruitstuk door te klikken op "start deposition" in de software. Open de H 2 O bubbler na het scannen van het substraat met 5 oscillaties van metaalvoorlopers om Cu 2 O belichtingsoppervlak het oxidatiemiddel terwijl verwarmde voorkomen.
  7. Wanneer de afzetting is voltooid, verwijdert de Cu 2 O substraten van de verhitte plaat zo snel mogelijk en het opvangvat kleppen van de metaalvoorlopers sluiten. Reinig de gaskanalen in het spruitstuk met een mes om eventuele afgezette oxide poeder te verwijderen. Start de volgende opdampcyclus zoals beschreven in 2.6.
  8. Wanneer u klaar bent, zuiveren het systeem gedurende 30 minuten voor het sluiten van de stikstof kleppen.

3. Sputteren van ITO

  1. Sputteren 175 nm van indiumtinoxide (ITO) door gelijkstroom magnetron sputteren 20 aan de volgende voorwaarden:. Vermogen 20 W, base druk <10 -9 mbar, Ar druk 2,5 Pa Bij een sputteren snelheid van 35 nm / min, sputteren ITO 5 min bij 175 nm dikke ITO-film. De resulterende ITO / ZnO / Cu 2 O heterojunctie wordt getoond in figuur 3.

4. Afwerking van de apparaten

  1. Maak de marker pen uit de gouden elektrode met aceton om de gouden elektrode bloot te leggen.
  2. Solliciteer elektrische contacten door steken 2 dunne draden met Ag pasta op de ITO en Au elektroden.

Resultaten

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

Thermodynamisch, CuO de enige stabiele fase van koperoxide in lucht bij kamertemperatuur, als de Cu-O fase stabiliteitsdiagram openbaart 21-23. Om de aanwezigheid van CuO op het oppervlak van Cu 2 O, absorptiespectra van de geëtste verifiëren en ongeëtst thermisch geoxideerde Cu 2 O substraten werden met fotothermische deflectie spectroscopie (PDS) - een zeer gevoelige techniek die zorgt voor sub-band gap absorptiemeting 24 (Figuur 4). Beide spectra vertoonde absorpties boven 1,4 eV, die samenvalt met de band gap van CuO, voor het verzadigen van 2 eV (Cu 2 O band gap). De ongeëtst substraat had een grotere absorptie dan 2 eV, hetgeen een dikkere laag CuO op het oppervlak van ongeëtst Cu 2 O dan op het geëtste substraat. De inzet in figuur 4 toont een grijze laag CuO op de as-geoxideerde (ongeëtst) Cu 2 O substraat. Terwijlgeen grijs film kan visueel worden gedetecteerd op het geëtste substraat was een CuO nog aanwezig op het oppervlak, als PDS metingen suggereert. De aanwezigheid van een zeer dunne CuO film op het oppervlak van Cu 2 O substraten werd bevestigd met röntgen foto-elektron spectroscopie (XPS) 19,25. Koperoxide aanwezig op het oppervlak Cu 2 O introduceert diep niveau houden toestanden (Cu2 +) 18 in de heterojunctie interface die kan fungeren als recombinatie centra en derhalve CuO aanwezig aan de pn-overgang is ongewenst.

Verwarming Cu 2 O substraten in de aanwezigheid van oxidanten (bijvoorbeeld, lucht en water) bevordert de oxidatie van Cu 2 O tot CuO. Om polykristallijn ZnO verkrijgen door AP-SALD de substraten verwarmd tot 150 ° C. Als het substraat tijdens de afzetting wordt gehouden bij verhoogde temperatuur in de open lucht of onder oxiderende gas, CuO vormt snel ter Cu 2 O oppervlak. Figuur 5 toont scanning elektronenmicroscopie (SEM) foto van een geëtste Cu 2 O substraat voor en na 3 min op de AP-SALD plaat bij 150 ° C onder een stikstofstroom. CuO meerdere uitlopers te zien op de gegloeide substraat met de samenstelling dicht bij die van CuO bevestigd door energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX).

Zonnecellen gemaakt met ZnO AP-SALD gedeponeerd bij 150 ° C gedurende 400 sec bovenop de geëtste thermisch geoxideerde Cu 2 O substraten. Figuur 6A toont het oppervlak van dit standaardapparaat. Men kan opmerken tal van staaf- en flower-achtige uitwassen aanwezig is in het apparaat. Zoals eerder met EDX en PDS bevestigd, deze uitwassen zijn cuprioxide en optreden als gevolg van Cu 2 O blootstelling aan lucht en oxiderende stoffen. Tabel 1 en Figuur 7 (ZnO / Cu 2 O standaard 'cUrve) aantonen dat zij relatief slechte prestaties van dit apparaat.

Om CuO formatie op het Cu 2 O oppervlak voorkomen, zijn de voorwaarden voor het deponeren van ZnO door AP-SALD op de geëtste thermisch geoxideerde Cu 2 O substraten geoptimaliseerd. De volgende maatregelen werden genomen om CuO groei te minimaliseren: vermindering van de depositie temperatuur (figuur 8A); vermindering van de depositie tijd (figuur 8B); scannen van het substraatoppervlak gedurende enkele oscillaties zonder blootstelling aan de oxidant gas, dat wil zeggen met slechts metaalvoorlopers en inert kanalen openen (figuur 8C); en tot slot, het vermijden van onnodige opwarming van naakte Cu 2 O substraten lucht net voorafgaand aan afzetting. De optimale parameters ZnO depositie op Cu 2 O bleken 100 ° C, 100 sec en 5 watervrije cycli. Het oppervlak van de geoptimaliseerde apparaat vrij was van CuO outgrowths, zoals getoond in figuur 6B. De stroomdichtheid-voltage (JV) karakteristiek van de geoptimaliseerde ZnO / Cu 2 O inrichting wordt vergeleken met de standaard inrichting in figuur 7. De fotovoltaïsche eigenschappen van zowel standaard als geoptimaliseerde ZnO / Cu 2 O inrichtingen wordt weergegeven in Tabel 1. Het kan blijkt dat door de vier bovengenoemde maatregelen, een zesvoudige toename in kracht omzettingsrendement van de apparaten bereikt.

Om het effect van optimalisatie van AP-SALD voorwaarden voor de vermindering van CuO en hetero kwaliteit Meer specifiek werden externe kwantumefficiëntie (EQE) metingen op apparaten met ZnO gedeponeerd bij 150 ° C en 100 ° C (Figuur 9). EQE de spectra van de twee apparaten, terwijl soortgelijke bij golflengten boven 475 nm, verschilden aanzienlijk bij golflengten beneden 475 nm, hetgeen het golflengtegebied s geabsorbeerd in de buurt van de interface. Voor de kortere golflengtestraling, het EQE van het apparaat met ZnO tegen hogere temperatuur was minder dan de helft van de inrichting met ZnO gemaakt bij lagere temperatuur. Dit suggereert dat meer koperoxide bij het ​​ZnO / Cu 2 O interface tegen hogere temperaturen, waarbij incassomethodes teruggebracht van het gebied nabij de heterointerface gevolg van verhoogde recombinatie was.

Mg werd opgenomen in AP-SALD ZnO films om de geleidingsband van ZnO verhogen en recombinatie verder te 15 verminderen. Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O zonnecellen zijn gemaakt met de geoptimaliseerde zn 0,8 mg 0,2 O films, wat resulteert in 2,2% apparaat PCE - de hoogste tot nu toe voor Cu 2 O-gebaseerde zonnecellen met een open-air gefabriceerd heterojunctions (zie apparaatprestatie in figuur 7 en tabel 1).

content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> figure-results-1
Figuur 1. Cu 2 O-gebaseerde zonnecel rendement op jaar van publicatie (Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van Ref. 8). Markers aangeven of de interface werd gevormd in vacuüm of in de atmosfeer (niet-vacuüm) en labels geven aan de wijze van heterojunctie formatie. MSP - magnetron sputteren, IBS - ion beam sputteren, VAPE - vacuum arc plasma verdamping. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2. Schematische voorstelling van AP-SALD depositie-proces (in vergelijking met conventionele ALD) en set-up voor de productie van uit meerdere componenten metal oxides. (A) Opeenvolgende blootstelling van elke precursor en zuivering stap in de conventionele ALD (delta-doping) (Dit cijfer is gereproduceerd van Ref. 11). In het kader van dit manuscript, M1 is diethylzink damp, M2 bis (ethylcyclopentadienyl) magnesium damp en O1 en O2 waterdamp. (B) Opeenvolgende blootstelling van metaal precursor mengsel (co-injectie), inert gas kanalen (gelijk aan stap 'purge') en oxidant in AP-SALD (Dit cijfer is gereproduceerd van Ref. 11). (C) Schematische voorstelling van een algemene AP-SALD reactor, die de voorlopers ruimtelijk gescheiden inert gas kanalen, waarbij het ​​substraat geoscilleerd onder de verschillende kanalen (Dit cijfer is overgenomen uit Ref. 11, dat een modificatie van de ene in Ref. 26). (D) Overzicht schema van de belangrijkste componenten van een AP-SALD systeem atomic force microscopie (AFM) beelden die de morfologie van desubstraat voor en na Zn 1-x Mg x O depositie (Dit cijfer is gereproduceerd van Ref. 13). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3. Cross-sectionele SEM beeld van ITO / ZnO / Cu 2 O heterojunctie (Dit cijfer is gereproduceerd van Ref. 8). Conforme coating van Cu 2 O substraat met ZnO en ITO-films kunnen worden waargenomen. Klik hier om te bekijken een grotere versie van deze figuur.

figure-results-4
Figuur 4. PDS spectra geëtste en ongeëtst (als-oxi dized) Cu 2 O substraten (Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van Ref. 8). De inzetstukken tonen foto's van de geëtste en ongeëtst koperoxide substraten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5. SEM beelden van het oppervlak van een Cu 2 O substraat wanneer (A) vers geëtst en (B) na gloeien bij 150 ° C in lucht gedurende 3 min (Deze figuur is overgenomen uit Ref. 8). Insets toon oppervlak samenstelling opgedaan met EDX. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

501 / 53501fig6.jpg "/>
Figuur 6. SEM beelden van het oppervlak van ZnO / Cu 2 O zonnecellen gemaakt met (A) standaardomstandigheden en (B) geoptimaliseerde condities van AP-SALD ZnO (Deze figuur is overgenomen uit Ref. 8). Verschillende uitwassen kan gezien in de standaard inrichting. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-6
Figuur 7. Light JV karakteristieken voor Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O zonnecellen gefabriceerd bij standaard en geoptimaliseerd AP-SALD omstandigheden (Dit cijfer is gewijzigd ten opzichte van Ref. 8). De JV rondingen demonstreren zonne verbetering cel prestaties wanneer de samenstelling en AP-SALD omstandigheden van de Zn 1-x x O Mg films worden geoptimaliseerd.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-7
Figuur 8. Het effect van AP-SALD parameters op de prestaties van ZnO / Cu 2 O zonnecellen. (A) en (B) het effect van AP-SALD ZnO depositie tijd en temperatuur op de open-circuit voltage (V oc) van de inrichtingen (Dit cijfer is overgenomen uit Ref. 8), (C) correlatie van water- gratis fietsen met de V oc van de apparaten. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-8
Figuur 9. EQE spectreen ZnO / Cu 2 O zonnecellen met ZnO gedeponeerd bij 100 ° C en 150 ° C. (Dit cijfer is gereproduceerd van Ref. 8). Open-circuit spanning van de apparaten is aangegeven in de legenda. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Zonnecel Depositie temperatuur, ° C Afzetting tijd, sec J sc, mA / cm2 V oc, V FF,% PCE,%
ZnO / Cu 2 O Standaard 150 400 3.7 0.18 35 0.23
ZnO / Cu 2 O Geoptimaliseerde 100 100 7.5 0.49 40 1.46
Zn 0,8 0,2 Mg / Cu 2 O Geoptimaliseerde 150 100 6.9 0.65 49 2.20

Tabel 1. Standard en geoptimaliseerd AP-SALD Zn 1-x Mg x O depositie parameters en de prestaties van de beste overeenkomstige ITO / Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O zonnecellen (Deze tabel is gewijzigd ten opzichte van Ref. 8) . J SC - kortsluitstroom dichtheid, FF - vul factor.

Discussie

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

Kritische stappen in het protocol worden bepaald door de Cu 2 O tot CuO substraatoppervlak oxidatie. Deze omvatten etsen van de substraten in verdund salpeterzuur één CuO verwijderen nadat oxidatie en na verdamping van de gouden elektrode, het minimaliseren van de tijd substraten te brengen in de open lucht voor de Zn 1-x Mg x O depositie en uiteindelijk depositie van zn 1-x Mg x O op Cu 2 O substraten door AP-SALD.

Het voordeel van AP-SALD vergelijking met conventionele ALD is dat films buiten een vacuüm met een groeisnelheid die 1-2 ordes van grootte hoger kan worden gekweekt. Dit impliceert echter dat de Cu 2 O substraten moeten worden blootgesteld aan oxidatiemiddelen in lucht bij verhoogde temperatuur tenminste net vóór de afzetting, wat voldoende is voor een dunne laag CuO te vormen op het oppervlak. Dit beperkt schijnbaar de toepassing van de AP-SALD methode ook aan oxidatiegevoelige materials. Echter, door het optimaliseren van AP-SALD zoals temperatuur en tijd, en het minimaliseren Cu 2 O blootstelling aan lucht en vocht, een zesvoudige toename van het omzettingsrendement van ZnO / Cu 2 O apparaten gemaakt met AP-SALD behaald . De verbetering kwam uit het besef dat Cu 2 O tot CuO oxidatie is de belangrijkste beperkende factor koperoxide als materiaal bij zonnecellen en dienovereenkomstig aanpassen van de fabricage protocol.

Om oxidatie van koperoxide volledig te vermijden, de substraten in een inerte atmosfeer of in vacuum hele tijd, die moeilijk kan worden bij gebruik van een open-air neerslagtechniek zoals AP-SALD gehouden worden. Terwijl de oxidatie van Cu 2 O vermeden vacuüm gebaseerde technieken 3,18, voor grootschalige productie, is het belangrijk dat dit probleem kan worden geminimaliseerd atmosferische fabricageprocessen. AP-SALD, kan het substraatoppervlak worden blootgesteldreductiemiddelen voor de vorming van de heterointerface en door het balanceren van de oxidatie van Cu 2 O met geringere CuO met vormgas tijdens de afzetting van het n-type oxide. 25 Het reductiemiddel wordt gebruikt in AP-SALD kan een mengsel van een inert gas met een reducerend gas (bijvoorbeeld N2 + 5% H2 25), of een aantal cycli met een reducerende voorloper voor de afzetting, dwz watervrije cycli om terug te verminderen CuO naar cu 2 O net voor de ZnO oxide begint te groeien op het oppervlak.

In dit werk, heeft een standaard protocol ontwikkeld dat CuO vorming optimaliseren fabricage stappen van Cu 2 O-verwerking en etsen naar pn overgang vorming door AP-SALD in de open lucht minimaliseert. Het succes van dit werk toont het potentieel van de AP-SALD als een veelbelovende methode voor toepassing in goedkope en schaalbaar zonnecellen. De techniek kan worden gebruikt voor snelle DEPOSvulle van diverse n- en p-type halfgeleidend metaaloxide alsmede het afschermen, buffer en barrièrelagen in zonnecellen op warmtegevoelige substraten zoals kunststoffen.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

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

De auteurs erkennen de steun van de Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, de Rutherford Foundation van Nieuw-Zeeland, Girton College Cambridge. Dit werk is gefinancierd door ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 en door de EPSRC (onder RGS3717).

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
KoperfolieAvocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar133800,127 mm dik, 99,9% (op metaalbasis), gegloeid
Rapidox Zuurstof analyzerRapidoxModel 2100
Alumina bootAlmath Crucibles LTD6121203Afmetingen 20 mm x 50 mm x 5 mm
Goud pelletsKJLCEVMAUXX40G99,99% puur, 1/8" x 1/8", verkocht per gram
DiethylzincAldrich256781≥52 wt. % Zn basis
Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesiumStrem Chemicals UK12-05105 g
ITO doelwitGoodFellow Cambridge LimitedLS 427438Indium Oxide/Tin Oxide doelwit (In2O3 90 / SnO2 10). Conditie: Heet geperst. Dikte: 2,0 mm ± 0,5 mm. Maat: 35,5 mm x 55,5 mm ± 0,5 mm
VHT motor glazuurverfHalfords325019zeer hoge temperatuur motor glazuur zwarte verf
Salpeterzuur HNO3, ACS reagens 70% Sigma-Aldrich Co Ltd438073-2,5LSchadelijk, irriterend
2% Zuurstof/Argon 200 barBOC Limited225757-Lgasmengsel voor Cu folie oxidatie, te verdunnen met Ar

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Meyer, B. K., et al. Binary copper oxide semiconductors: From materials towards devices. Phys. Status Solidi (B). 249 (8), 1487-1509 (2012).
  2. Mittiga, A., Salza, E., Sarto, F., Tucci, M., Vasanthi, R. Heterojunction solar cell with 2% efficiency based on a Cu2O substrate. Appl. Phys. Lett. 88 (16), 163502(2006).
  3. Minami, T., Miyata, T., Nishi, Y. Cu2O-based heterojunction solar cells with an Al-doped ZnO/oxide semiconductor/thermally oxidized Cu2O sheet structure. Solar Energy. 105, 206-217 (2014).
  4. Duan, Z., Du Pasquier, A., Lu, Y., Xu, Y., Garfunkel, E. Effects of Mg composition on open circuit voltage of Cu2O-MgxZn1−xO heterojunction solar cells. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 96, 1-6 (2011).
  5. Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. High-efficiency Cu2O-based heterojunction solar cells fabricated using a Ga2O3 thin film as n-type layer. Appl. Phys. Express. 6 (4), 044101(2013).
  6. Lee, Y. S., et al. Atomic layer deposited gallium oxide buffer layer enables 1.2 v open-circuit voltage in cuprous oxide solar cells. Adv. Mater. 26 (27), 4704-4710 (2014).
  7. Pavan, M., et al. TiO2/Cu2O all-oxide heterojunction solar cells produced by spray pyrolysis. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 132, 549-556 (2015).
  8. Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z., Sadhanala, A., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Fabrication of ZnO/Cu2O heterojunctions in atmospheric conditions: Improved interface quality and solar cell performance. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 135, 43-48 (2015).
  9. Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. Heterojunction solar cell with 6% efficiency based on an n-type aluminum-gallium-oxide thin film and p-type sodium-doped Cu2O sheet. Appl. Phys. Express. 8, 022301(2015).
  10. Munoz-Rojas, D., MacManus-Driscoll, J. Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition: A new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics. Mater. Horiz. , (2014).
  11. Hoye, R. L. Z., et al. Research Update: Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition of ZnO thin films: Reactors, doping, and devices. APL Mat. 3 (4), 040701(2015).
  12. Hoye, R. L. Z., Muñoz-Rojas, D., Musselman, K. P., Vaynzof, Y., MacManus-Driscoll, J. L. Synthesis and Modeling of Uniform Complex Metal Oxides by Close-Proximity Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 10684-10694 (2015).
  13. Hoye, R. L. Z., et al. Improved open-circuit voltage in ZnO-PbSe quantum dot solar cells by understanding and reducing losses arising from the ZnO conduction band tail. Adv. Energy Mat. 4 (8), 1301544(2014).
  14. Hoye, R. L. Z., et al. Enhanced Performance in Fluorene-Free Organometal Halide Perovskite Light-Emitting Diodes using Tunable, Low Electron Affinity Oxide Electron Injectors. Adv. Mater. 27, 1414-1419 (2014).
  15. Hoye, R. L. Z., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. Research Update: Doping ZnO and TiO2 for solar cells. APL Mat. 1 (6), 060701(2013).
  16. Ohtomo, A., et al. MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy. Appl. Phys. Lett. 72 (19), 2466-2468 (1998).
  17. Su, S. C., et al. Valence band offset of ZnO4H-SiC heterojunction measured by x-ray photoelectron spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 92 (19), 1-4 (2008).
  18. Lee, S. W., et al. Improved Cu2O-based solar cells using atomic layer deposition to control the Cu oxidation state at the p-n junction. Adv. Energy Mat. 4 (11), 1301916(2014).
  19. Brandt, R. E., et al. Band offsets of n-type electron-selective contacts on cuprous oxide (Cu2O) for photovoltaics. Appl. Phys. Lett. 105 (26), 263901(2014).
  20. Hakimi, A. Magnetism and spin transport studies on indium tin oxide. , University of Cambridge. Doctoral Thesis, Department of Materials Science and Metallurgy http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/239351 (2011).
  21. Biccari, F. Defects and doping in Cu2O. , University of Rome, Department of Physics. Doctoral Thesis http://server2.phys.uniroma1.it/DipWeb/dottorato/DOTT_FISICA/MENU/03DOTTORANDI/TesiFin22/Biccari.pdf (2009).
  22. Schmidt-Whitley, R., Martinez-Clemente, M., Revcolevschi, A. Growth and microstructural control of single crystal cuprous oxide Cu2O. J. Cryst. Growth. 23 (2), 113-120 (1974).
  23. Laughlin, D. E., Hono, K. Predominance phase diagram for the Cu-O2 system. Physical Metallurgy. 1, 219(2014).
  24. Kronemeijer, A. J., et al. Two-dimensional carrier distribution in top-gate polymer field-effect transistors: correlation between width of density of localized states and Urbach energy. Adv. Mater. 26 (5), 728-733 (2014).
  25. Hoye, R. L. Z., et al. Perspective: Maintaining surface-phase purity is key to efficient open air fabricated cuprous oxide solar cells. APL Mat. 3, 020901(2015).
  26. Poodt, P., et al. Spatial atomic layer deposition: A route towards further industrialization of atomic layer deposition. J. Vac. Sci. Technol., A. 30 (1), 010802(2012).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Ruimtelijke ALD bij atmosferische drukZn1 xMgxO depositieCu2O heterojunctiezonnecelprestatiesopenklemspanningkortsluitstroomenergieconversie effici ntieCu2O oppervlakteoxidatieZnO Cu2O interfacedunnefilm depositie

Gerelateerde artikelen