Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu₂O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona
Zn_1-xMg_xO

Tutaj prezentujemy protokół syntezy heterozłączy Zn_1-xMg_xO/Cu₂O na wolnym powietrzu w niskiej temperaturze za pomocą przestrzennego osadzania warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) Zn_1-xMg_xO na tlenku miedzi. Tak wysokiej jakości tlenki metali konforemnych mogą być hodowane na różnych podłożach, w tym na tworzywach sztucznych, za pomocą tej taniej i skalowalnej metody.

Ogólnym celem tej procedury jest uzyskanie wysokiej jakości granicy faz w heterozłączach tlenku i tlenku miedziawego syntetyzowanych poza próżnią. Osiąga się to poprzez przestrzenne osadzanie warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym lub AP-SALD warstw tlenku na termicznie utlenionym tlenku miedziawym. Atmosferyczny przestrzenny ALD to technika druku tlenkowego, która pozwala na osadzanie konforemnych warstw tlenkowych z precyzyjną kontrolą grubości w ich własnym, podwójnie kompatybilnym procesie pod ciśnieniem atmosferycznym i w niskiej temperaturze.

Nasz przestrzenny system ALD do pomiaru ciśnienia atmosferycznego jest idealny do szybkiej syntezy wysokiej jakości, jednorodnych, krystalicznych, wieloskładnikowych tlenków metali dla elektroniki, jak wykazano w tej pracy dla tlenku i magnezu. Najpierw pokrój folię miedzianą o grubości 0,127 milimetra na kwadraty o wymiarach 13 na 13 milimetrów i wyczyść przez sonikację w acetonie. Osusz kwadraty folii miedzianej pistoletem pneumatycznym, aby usunąć resztki acetonu.

Następnie umieść wysuszone podłoża w aluminiowym tyglu i umieść tygiel w piecu. Podgrzej kwadraty z folii miedzianej do 1 000 stopni Celsjusza przy ciągłym przepływie argonu. Monitoruj temperaturę gazu w piecu za pomocą analizatora gazów przez cały czas utleniania.

Po osiągnięciu temperatury 1 000 stopni Celsjusza wprowadź tlen do pieca z natężeniem przepływu, aby uzyskać ciśnienie parcjalne tlenu 10 000 części na milion i utrzymuj przez co najmniej dwie godziny. Po dwóch godzinach wyłącz dopływ tlenu. Gdy przepływa argon, schłodzić piec do 500 stopni Celsjusza.

Utlenione podłoża należy rozdrobnić poprzez szybkie wyjęcie tygli z pieca. Następnie zanurz je w dejonizowanej wodzie, aby ostygły. Następnie wytraw jedną stronę podłoży, wielokrotnie nakładając kroplę rozcieńczonego kwasu azotowego, aby usunąć tlenek miedzi z powierzchni.

Kontynuuj trawienie, aż na powierzchni tlenku miedzi nie będzie widoczny szary film. Natychmiast po wytrawieniu wypłucz każde podłoże w wodzie dejonizowanej i sonikuj w izopropanolu, a następnie wysusz podłoża pistoletem pneumatycznym. Po osadzeniu złota na wytrawionej stronie podłoży, wytrawić drugą stronę podłoży w rozcieńczonym kwasie azotowym, nakładając kroplę kwasu na powierzchnię, uważając, aby nie wytrawić złotej elektrody po drugiej stronie.

Po spłukaniu i wysuszeniu podłoży należy je pokryć czarną farbą izolacyjną za pomocą pędzla, pozostawiając niezamaskowany obszar o powierzchni około 0,1 centymetra kwadratowego jako obszar aktywny ogniwa słonecznego. Przykryj złotą elektrodę z tyłu markerem. Po ustawieniu reaktora AP-SALD dostosuj szybkość bulgotania przez prekursor dietylowego do 6 mililitrów na minutę i 200 mililitrów na minutę przez prekursor magnezu, aby zdeponować tlenek i magnezu.

Następnie ustaw natężenie przepływu gazu nośnego azotu dla mieszaniny prekursorów metali na 100 mililitrów na minutę i przepuszczaj azot przez wodę dejonizowaną, która służy jako utleniacz, rozcieńczoną gazowym azotem płynącym z prędkością 200 mililitrów na minutę. Teraz przepływaj azot z prędkością 500 mililitrów na minutę do kolektora gazowego. Utrzymuj kolektor gazowy w temperaturze 40 stopni Celsjusza za pośrednictwem krążącej wody.

Następnie podgrzej scenę lub ruchomą płytę dociskową do żądanej temperatury. Ustaw wielkość próbki, prędkość płyty i liczbę oscylacji za pomocą oprogramowania sterującego płytą. Umieść żądany tlenek na szkiełku podstawowym na 400 oscylacji lub do momentu, gdy będzie widoczny przezroczysty, gruby, jednorodny film.

Po osadzeniu umieść subtrate na szklanej masce i umieść go pod kolektorem gazowym. Ustaw wysokość głowicy lub kolektora gazowego na 50 mikrometrów nad podłożem. Zdeponuj folie tlenku i magnezu, otwierając najpierw zawór bełkotki prekursora magnezu, a następnie zawór bełkotki prekursora.

Następnie rozpocznij przesuwanie płyty dociskowej pod kolektorem gazowym, klikając przycisk Rozpocznij osadzanie w oprogramowaniu. Bębniek wodny należy otworzyć dopiero po zeskanowaniu podłoża pięcioma oscylacjami prekursorów metali, aby uniknąć narażenia powierzchni tlenku miedzi na utleniacz podczas podgrzewania. Po zakończeniu osadzania należy jak najszybciej usunąć podłoża z podgrzanej płyty dociskowej i zamknąć zawory bełkotkowe prekursorów metalowych.

Oczyść kanały gazowe w kolektorze za pomocą ostrza, aby usunąć wszelkie osadzające się proszek tlenkowy. Ważne jest, aby zminimalizować czas, jaki wytrawione podłoża z tlenku miedzi spędzają na wolnym powietrzu na podgrzanej płycie, ponieważ wzrost tlenku miedziawego na powierzchni jest przyspieszany wraz z temperaturą. Po rozpyleniu tlenku indu cyny na podłożach, usuń marker ze złotej elektrody za pomocą acetonu, aby odsłonić elektrodę.

Na koniec przyłóż styki elektryczne, przyklejając dwa cienkie druty z pastą srebrną do elektrod tlenku indu i cyny i złota. Widma ugięcia fototermicznego podłoży z tlenku miedzi trawionych i nienetowanych wykazują absorpcję powyżej 1,4 elektronowoltów przed nasyceniem przy dwóch elektronowoltach, co można przypisać obecności tlenku miedziawego na powierzchni podłoża. Podłoże bez sieci ma wyższą absorpcję poniżej dwóch elektronowoltów, co sugeruje grubszą warstwę tlenku miedzi na powierzchni.

Obecność wyrostków tlenku miedzi na podłożach z tlenku miedzi zweryfikowano za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii. Obraz SEM standardowej powierzchni ogniwa fotowoltaicznego pokazuje wyrostki tlenku miedzi powstałe w wyniku wystawienia tlenku miedziawego na działanie powietrza i utleniaczy. Natomiast powierzchnia zoptymalizowanego urządzenia jest wolna od wyrostków tlenku miedzi.

Sześciokrotny wzrost wydajności urządzenia osiągnięto dzięki optymalizacji warunków osadzania tlenku. Urządzenia ze zoptymalizowanymi warstwami tlenku i magnezu uzyskały jeszcze wyższą sprawność o 2,2 procent. Zewnętrzne widma wydajności kwantowej obu urządzeń różnią się poniżej 475 nanometrów, co jest zakresem długości fal pochłanianych w pobliżu interfejsu.

Zewnętrzna wydajność kwantowa heterozłącza wykonanego w wyższej temperaturze jest o ponad połowę mniejsza niż w przypadku heterozłącza o niższej temperaturze, co sugeruje niższą jakość interfejsu ze względu na większą ilość tlenku miedzi. Optymalizacja warunków wzrostu tlenku przez atmosferyczny ALD dla termicznie utlenionego tlenku miedziawego pozwoliła na poprawę jakości interfejsu heterozłączy i wydajności ogniw słonecznych. Tę samą strategię optymalizacji można zastosować do elektrochemicznie osadzanych ogniw słonecznych z tlenku miedzi.

Atmosferycznie osadziliśmy krystaliczny tlenek i magnezu na tlenku miedzi, aby zwiększyć napięcie obwodu otwartego w heterozłączowych ogniwach słonecznych. Praca ta wykazała najwyższą do tej pory wydajność wynoszącą 2,2 procent dla heterozłączy tlenku miedzi uzyskanych poza próżnią.