Name: Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu2O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona Zn1-xMgxO (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-07-31T13:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Poznaj metodę AP-SALD do syntezy heterozłączy Zn₁₋ₓMgₓO/Cu₂O w atmosferze ciśnienia atmosferycznego. Technika ta umożliwia uzyskanie wysokiej jakości interfejsów i sześciokrotny wzrost sprawności ogniw fotowoltaicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują za wsparcie Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, Rutherford Foundation of New Zealand, Girton College Cambridge. Prace te zostały sfinansowane przez ERBN Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 oraz przez EPSRC (w ramach RGS3717).

1. Przygotowanie substratów z tlenku miedziawego
<ol>
	<li>Utlenianie folii miedzianej
	<ol>
		<li>Pociąć folię Cu o grubości 0,127 mm na kwadraty o wymiarach 13 mm x 13 mm i oczyścić przez sonikację w acetonie.</li>
		<li>Podgrzej folię miedzianą do 1 000 °C, stale przepływając gaz Ar przez piec. Monitoruj temperaturę gazu w piecu za pomocą analizatora gazów przez cały czas utleniania. Po osiągnięciu temperatury 1 000 °C wprowadź tlen do pieca z natężeniem przepływu, aby uzyskać ciśnienie parcjalne tlenu 10 000 ppm i utrzymuj je przez co najmniej 2 godziny. Po 2 godzinach wyłącz tlen, ale utrzymuj przepływ gazu Ar.</li>
		<li>Schłodzić piec do temperatury 500 °C (utrzymać przepływ gazu Ar). Utlenione próbki należy schłodzić poprzez szybkie wyjęcie tygli z pieca. Zanurz podłoża w wodzie dejonizowanej, aby szybciej je schłodzić.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wytrawianie Cu2O
	<ol>
		<li>Wytrawić jedną stronę podłoży, kilkakrotnie nakładając kroplę rozcieńczonego kwasu azotowego (mieszanina 1:1H2Oi 70% HNO3) w celu usunięcia tlenku miedzi z powierzchni. Kontynuuj wytrawianie, aż na powierzchni Cu2O nie będzie widoczny szary film. UWAGA: Ta procedura jest wykonywana w dygestorium.</li>
		<li>Natychmiast po wytrawieniu wypłucz każde podłoże w wodzie dejonizowanej i poddaj sonizacji w izopropanolu. Wysuszyć za pomocą pistoletu pneumatycznego.</li>
		<li>Osadzać 80 nm złota na wytrawionej stronie substratów Cu2O, odparowując 1 g złotego granulatu umieszczonego w wolframowej łodzi wewnątrz parownika oporowego. Użyj ciśnienia podstawowego 8 x 10-6 mbar i prądu 4 A, aby osiągnąć szybkość parowania 0,8 A/s.</li>
		<li>Wytrawić drugą stronę podłoży w rozcieńczonym kwasie azotowym, nakładając kroplę kwasu na powierzchnię. Upewnij się, że kwas nie wytrawia złotego filmu po drugiej stronie. Spłukać i poddać sonikacji zgodnie z opisem w sekcji 1.2.2.</li>
		<li>Pokryj podłoża czarną farbą izolacyjną (użyj wysokotemperaturowej emalii silnikowej) za pomocą pędzla, pozostawiając niezamaskowany obszar około 0,1cm2 jako obszar aktywny ogniwa słonecznego. Całkowicie zakryj złotą elektrodę z tyłu markerem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Osadzanie Zn1-xMgxO za pomocą reaktora AP-SALD
Uwaga: Folie Zn1-xMgxO należy umieścić na niezamaskowanej stronie podłoży Cu2O. 13 W pracach tych wykorzystano wykonany na zamówienie reaktor AP-SALD, zaadaptowany na podstawie oryginalnego projektu opracowanego przez firmę Kodak. 11,12 Szczegóły dotyczące personalizacji reaktora znajdują się w ref. 12.
<ol>
	<li>Skonfiguruj system AP-SALD w następujący sposób:
	<ol>
		<li>Stosować dietylcynk (DEZ) jako prekursor Zn i bis(etylocyklopentadienylo)magnez jako prekursor Mg. Są to płynne prekursory, z których każdy znajduje się w oddzielnych szklanych bełkotkach. Prekursory są piroforyczne i nigdy nie powinny mieć kontaktu z powietrzem ani wodą. System osadzania jest gazoszczelny.</li>
		<li>W przypadku osadzania tlenku należy dostosować szybkość bulgotania azotu gazowego przez dietylcynk do 25 ml/min, który jest zawarty w temperaturze pokojowej (20 °C). W przypadku osadzania tlenku i magnezu należy dostosować frakcję gazową każdego prekursora, ustawiając szybkość bulgotania przez dietylcynk na 6 ml/min i 200 ml/min przez bis(etylocyklopentadienylo)magnez (który jest podgrzewany do 55 °C) w celu kontroli stosunku Zn do Mg w Zn1-xMgxO.</li>
		<li>Ustawić natężenie przepływu gazowego nośnika azotu dla mieszaniny prekursorów metali na 100 ml/min. Azot gazowy z pęcherzykami 100 ml/min przez wodę dejonizowaną, która jest stosowana jako utleniacz. Para ta jest rozcieńczana gazowym nośnikiem azotu płynącym z prędkością 200 ml/min.</li>
		<li>Przepływ azotu gazowego z prędkością 500 ml/min do kolektora gazowego. W kolektorze gazowym AP-SALD ten gazowy azot jest rozdzielany na cztery oddzielne kanały. Każdy kanał służy do przestrzennego oddzielenia dwóch kanałów utleniacza od kanału mieszania prekursorów metali między nimi.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Utrzymuj kolektor gazowy w temperaturze 40 °C za pośrednictwem krążącej wody. Podgrzej stolik (ruchoma płyta dociskowa) do żądanej temperatury (50 - 150 °C).</li>
	<li>Ustaw żądaną odległość od próbki do głowicy, wielkość próbki, prędkość płyty (50 mm/s) i liczbę oscylacji (cykli) za pomocą oprogramowania sterującego płytą. Szybkość stapiania ZnO wynosi 1,1 nm/s (lub na cykl), a szybkość stapiania Zn1-xMgxO wynosi około 0,54 nm/s w temperaturze 150 °C. Typowa liczba cykli osadzania wynosi 200.</li>
	<li>Umieść żądany tlenek na szkiełku podstawowym na 400 oscylacji lub do momentu, gdy będzie widoczny przezroczysty, gruby, jednorodny film.</li>
	<li>W razie potrzeby umieść podłoże na szklanej masce, a następnie umieść je pod kolektorem gazowym. Wyreguluj wysokość głowicy (kolektora gazowego) na 50 μm nad podłożem.</li>
	<li>Umieść folie Zn1-xMgxO, najpierw otwierając zawory bełkotki prekursorowej Mg, następnie bełkotki prekursorowej Zen, a następnie rozpocznij przesuwanie płyty dociskowej pod kolektorem gazowym, klikając "rozpocznij osadzanie" w oprogramowaniu. Otwórzcie bełkotkę H2O dopiero po zeskanowaniu podłoża 5 oscylacjami prekursorów metali, aby uniknąć narażenia powierzchni Cu2O na działanie utleniacza podczas podgrzewania.</li>
	<li>Po zakończeniu osadzania należy jak najszybciej usunąć podłoża Cu2O 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. Rozpocząć następny cykl osadzania zgodnie z opisem w ppkt 2.6.</li>
	<li>Po zakończeniu należy przepłukać system przez 30 minut przed zamknięciem zaworów azotu.</li>
</ol>
3. Rozpylanie ITO
<ol>
	<li>Napylanie 175 nm tlenku indu i cyny (ITO) przez rozpylanie magnetronem prądu stałego20 w następujących warunkach: moc 20 W, ciśnienie podstawowe <10-9 mbar, ciśnienie Ar 2,5 Pa. Przy szybkości rozpylania 35 nm/min, napylaj ITO przez 5 minut, aby uzyskać folię ITO o grubości 175 nm. Otrzymane heterozłącze ITO/ZnO/Cu2O pokazano na rysunku 3.</li>
</ol>
4. Wykończenie urządzeń
<ol>
	<li>Oczyść marker ze złotej elektrody acetonem, aby odsłonić złotą elektrodę.</li>
	<li>Nałożyć styki elektryczne, przyklejając 2 cienkie druty z pastą Ag do elektrod ITO i Au.</li>
</ol>

<ol><li>Meyer, B. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Binary+copper+oxide+semiconductors%3A+From+materials+towards+devices%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Status+Solidi+%28B%29%22%5BJournal%5D)">Binary copper oxide semiconductors: From materials towards devices.</a> Phys. Status Solidi (B). 249 (8), 1487-1509 (2012).</li>
<li>Mittiga, A., Salza, E., Sarto, F., Tucci, M., Vasanthi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heterojunction+solar+cell+with+2%25+efficiency+based+on+a+Cu2O+substrate%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Heterojunction solar cell with 2% efficiency based on a Cu2O substrate.</a> Appl. Phys. Lett. 88 (16), 163502(2006).</li>
<li>Minami, T., Miyata, T., Nishi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cu2O-based+heterojunction+solar+cells+with+an+Al-doped+ZnO%2Foxide+semiconductor%2Fthermally+oxidized+Cu2O+sheet+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy%22%5BJournal%5D)">Cu2O-based heterojunction solar cells with an Al-doped ZnO/oxide semiconductor/thermally oxidized Cu2O sheet structure.</a> Solar Energy. 105, 206-217 (2014).</li>
<li>Duan, Z., Du Pasquier, A., Lu, Y., Xu, Y., Garfunkel, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+Mg+composition+on+open+circuit+voltage+of+Cu2O-MgxZn1%E2%88%92xO+heterojunction+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Sol.+Energ.+Mat.+Sol.+C%22%5BJournal%5D)">Effects of Mg composition on open circuit voltage of Cu2O-MgxZn1−xO heterojunction solar cells.</a> Sol. Energ. Mat. Sol. C. 96, 1-6 (2011).</li>
<li>Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-efficiency+Cu2O-based+heterojunction+solar+cells+fabricated+using+a+Ga2O3+thin+film+as+n-type+layer%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Express%22%5BJournal%5D)">High-efficiency Cu2O-based heterojunction solar cells fabricated using a Ga2O3 thin film as n-type layer.</a> Appl. Phys. Express. 6 (4), 044101(2013).</li>
<li>Lee, Y. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Atomic+layer+deposited+gallium+oxide+buffer+layer+enables+1.2+v+open-circuit+voltage+in+cuprous+oxide+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Atomic layer deposited gallium oxide buffer layer enables 1.2 v open-circuit voltage in cuprous oxide solar cells.</a> Adv. Mater. 26 (27), 4704-4710 (2014).</li>
<li>Pavan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TiO2%2FCu2O+all-oxide+heterojunction+solar+cells+produced+by+spray+pyrolysis%5BTitle%5D)+AND+%22Sol.+Energ.+Mat.+Sol.+C%22%5BJournal%5D)">TiO2/Cu2O all-oxide heterojunction solar cells produced by spray pyrolysis.</a> Sol. Energ. Mat. Sol. C. 132, 549-556 (2015).</li>
<li>Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z., Sadhanala, A., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+ZnO%2FCu2O+heterojunctions+in+atmospheric+conditions%3A+Improved+interface+quality+and+solar+cell+performance%5BTitle%5D)+AND+%22Sol.+Energ.+Mat.+Sol.+C%22%5BJournal%5D)">Fabrication of ZnO/Cu2O heterojunctions in atmospheric conditions: Improved interface quality and solar cell performance.</a> Sol. Energ. Mat. Sol. C. 135, 43-48 (2015).</li>
<li>Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heterojunction+solar+cell+with+6%25+efficiency+based+on+an+n-type+aluminum-gallium-oxide+thin+film+and+p-type+sodium-doped+Cu2O+sheet%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Express%22%5BJournal%5D)">Heterojunction solar cell with 6% efficiency based on an n-type aluminum-gallium-oxide thin film and p-type sodium-doped Cu2O sheet.</a> Appl. Phys. Express. 8, 022301(2015).</li>
<li>Munoz-Rojas, D., MacManus-Driscoll, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+Atmospheric+Atomic+Layer+Deposition%3A+A+new+laboratory+and+industrial+tool+for+low-cost+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Mater.+Horiz%22%5BJournal%5D)">Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition: A new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics.</a> Mater. Horiz. , (2014).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+Update%3A+Atmospheric+pressure+spatial+atomic+layer+deposition+of+ZnO+thin+films%3A+Reactors%2C+doping%2C+and+devices%5BTitle%5D)+AND+%22APL+Mat%22%5BJournal%5D)">Research Update: Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition of ZnO thin films: Reactors, doping, and devices.</a> APL Mat. 3 (4), 040701(2015).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., Muñoz-Rojas, D., Musselman, K. P., Vaynzof, Y., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+and+Modeling+of+Uniform+Complex+Metal+Oxides+by+Close-Proximity+Atmospheric+Pressure+Chemical+Vapor+Deposition%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Interfaces%22%5BJournal%5D)">Synthesis and Modeling of Uniform Complex Metal Oxides by Close-Proximity Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 10684-10694 (2015).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+open-circuit+voltage+in+ZnO-PbSe+quantum+dot+solar+cells+by+understanding+and+reducing+losses+arising+from+the+ZnO+conduction+band+tail%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Energy+Mat%22%5BJournal%5D)">Improved open-circuit voltage in ZnO-PbSe quantum dot solar cells by understanding and reducing losses arising from the ZnO conduction band tail.</a> Adv. Energy Mat. 4 (8), 1301544(2014).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enhanced+Performance+in+Fluorene-Free+Organometal+Halide+Perovskite+Light-Emitting+Diodes+using+Tunable%2C+Low+Electron+Affinity+Oxide+Electron+Injectors%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Enhanced Performance in Fluorene-Free Organometal Halide Perovskite Light-Emitting Diodes using Tunable, Low Electron Affinity Oxide Electron Injectors.</a> Adv. Mater. 27, 1414-1419 (2014).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Research+Update%3A+Doping+ZnO+and+TiO2+for+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22APL+Mat%22%5BJournal%5D)">Research Update: Doping ZnO and TiO2 for solar cells.</a> APL Mat. 1 (6), 060701(2013).</li>
<li>Ohtomo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((MgxZn1-xO+as+a+II-VI+widegap+semiconductor+alloy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy.</a> Appl. Phys. Lett. 72 (19), 2466-2468 (1998).</li>
<li>Su, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Valence+band+offset+of+ZnO4H-SiC+heterojunction+measured+by+x-ray+photoelectron+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Valence band offset of ZnO4H-SiC heterojunction measured by x-ray photoelectron spectroscopy.</a> Appl. Phys. Lett. 92 (19), 1-4 (2008).</li>
<li>Lee, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+Cu2O-based+solar+cells+using+atomic+layer+deposition+to+control+the+Cu+oxidation+state+at+the+p-n+junction%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Energy+Mat%22%5BJournal%5D)">Improved Cu2O-based solar cells using atomic layer deposition to control the Cu oxidation state at the p-n junction.</a> Adv. Energy Mat. 4 (11), 1301916(2014).</li>
<li>Brandt, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Band+offsets+of+n-type+electron-selective+contacts+on+cuprous+oxide+%28Cu2O%29+for+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Band offsets of n-type electron-selective contacts on cuprous oxide (Cu2O) for photovoltaics.</a> Appl. Phys. Lett. 105 (26), 263901(2014).</li>
<li>Hakimi, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Magnetism+and+spin+transport+studies+on+indium+tin+oxide%22">Magnetism and spin transport studies on indium tin oxide</a>. , University of Cambridge. Doctoral Thesis, Department of Materials Science and Metallurgy
 <a target="_blank" href="http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/239351">http://www.dspace.cam.ac.uk/handle/1810/239351</a> (2011).</li>
<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
 <a target="_blank" href="http://server2.phys.uniroma1.it/DipWeb/dottorato/DOTT_FISICA/MENU/03DOTTORANDI/TesiFin22/Biccari.pdf">http://server2.phys.uniroma1.it/DipWeb/dottorato/DOTT_FISICA/MENU/03DOTTORANDI/TesiFin22/Biccari.pdf</a> (2009).</li>
<li>Schmidt-Whitley, R., Martinez-Clemente, M., Revcolevschi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+and+microstructural+control+of+single+crystal+cuprous+oxide+Cu2O%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Cryst.+Growth%22%5BJournal%5D)">Growth and microstructural control of single crystal cuprous oxide Cu2O.</a> J. Cryst. Growth. 23 (2), 113-120 (1974).</li>
<li>Laughlin, D. E., Hono, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Predominance+phase+diagram+for+the+Cu-O2+system%5BTitle%5D)+AND+%22Physical+Metallurgy%22%5BJournal%5D)">Predominance phase diagram for the Cu-O2 system.</a> Physical Metallurgy. 1, 219(2014).</li>
<li>Kronemeijer, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-dimensional+carrier+distribution+in+top-gate+polymer+field-effect+transistors%3A+correlation+between+width+of+density+of+localized+states+and+Urbach+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Two-dimensional carrier distribution in top-gate polymer field-effect transistors: correlation between width of density of localized states and Urbach energy.</a> Adv. Mater. 26 (5), 728-733 (2014).</li>
<li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perspective%3A+Maintaining+surface-phase+purity+is+key+to+efficient+open+air+fabricated+cuprous+oxide+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22APL+Mat%22%5BJournal%5D)">Perspective: Maintaining surface-phase purity is key to efficient open air fabricated cuprous oxide solar cells.</a> APL Mat. 3, 020901(2015).</li>
<li>Poodt, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatial+atomic+layer+deposition%3A+A+route+towards+further+industrialization+of+atomic+layer+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Sci.+Technol.%2C+A%22%5BJournal%5D)">Spatial atomic layer deposition: A route towards further industrialization of atomic layer deposition.</a> J. Vac. Sci. Technol., A. 30 (1), 010802(2012).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Krytyczne etapy w ramach protokołu są określone przez utlenianie powierzchni podłożaCu2O do CuO. Obejmują one wytrawianie substratów w rozcieńczonym kwasie azotowym w celu usunięcia CuO po utlenieniu, a także po odparowaniu złotej elektrody, zminimalizowanie czasu spędzanego przez podłoża na wolnym powietrzu przed osadzaniem Zn1-xMgxO i wreszcie osadzanie Zn1-xMgxO na podłożach Cu2O za pomocą AP-SALD.
Zaletą AP-SALD w porównaniu z konwencjonalnym ALD jest to, że folie można uprawiać poza próżnią z szybkością wzrostu o jeden do dwóch rzędów wielkości wyższą. Oznacza to jednak, że substratyCu2O muszą być wystawione na działanie utleniaczy w powietrzu o podwyższonej temperaturze co najmniej tuż przed osadzaniem, co jest wystarczające, aby na powierzchni utworzyła się cienka warstwa CuO. Wydaje się, że ogranicza to zastosowanie metody AP-SALD do niektórych materiałów wrażliwych na utlenianie. Jednak dzięki optymalizacji warunków AP-SALD, takich jak temperatura i czas, a także zminimalizowaniu narażeniaCu2O na powietrze i wilgoć, osiągnięto sześciokrotny wzrost wydajności konwersji urządzeń ZnO/Cu2O wykonanych przy użyciu AP-SALD. Poprawa wynikała ze zrozumienia, że utlenianieCu2O do CuO jest głównym czynnikiem ograniczającym tlenek miedzi jako materiału w heterozłączowych ogniwach słonecznych i odpowiedniej modyfikacji protokołu wytwarzania.
Aby całkowicie uniknąć utleniania tlenku miedziawego, podłoża muszą być utrzymywane przez cały czas w atmosferze obojętnej lub w próżni, co może być wyzwaniem w przypadku stosowania techniki osadzania na wolnym powietrzu, takiej jak AP-SALD. Podczas gdy w technikach opartych na próżni unika się utlenianiaCu2O3,18, w przypadku produkcji na dużą skalę ważne jest, aby problem ten można zminimalizować w procesach wytwarzania w atmosferze. W AP-SALD powierzchnia podłoża może być wystawiona na działanie czynników redukujących przed utworzeniem heterointerfejsu oraz poprzez zrównoważenie utleniania Cu2O z redukcją CuO poprzez zastosowanie gazu formującego podczas osadzania się tlenku typu n. 25 Czynnikiem redukującym stosowanym w AP-SALD może być mieszanina gazu obojętnego z gazem redukującym (np. N2 + 5% H225) lub kilka cykli z prekursorem redukującym przed osadzaniem, tj. cykle bez wody, w celu zredukowania CuO z powrotem do Cu2O tuż przed tym, jak tlenek ZnO zacznie rosnąć na swojej powierzchni.
W ramach tej pracy opracowano standardowy protokół, który minimalizuje tworzenie CuO, optymalizując etapy wytwarzania od przetwarzaniaitrawienia Cu 2 O do tworzenia złącza p-n przez AP-SALD na wolnym powietrzu. Sukces tych prac pokazuje potencjał AP-SALD jako obiecującej metody do zastosowania w tanich i skalowalnych urządzeniach fotowoltaicznych. Technika ta może być stosowana do szybkiego osadzania różnych półprzewodnikowych tlenków metali typu n i p, a także do warstw blokujących, buforowych i barierowych w ogniwach słonecznych na podłożach wrażliwych na ciepło, w tym tworzywa sztuczne.

Tlenek miedziowy (Cu2O) jest nietoksycznym materiałem półprzewodnikowym typu pwystępującym w dużych ilościach 1. Dzięki przerwie energetycznej 2 eV, tlenek miedzi może spełniać rolę absorbera światła w heterozłączowych lub tandemowych ogniwach słonecznych. W heterozłączowych ogniwach słonecznych wiadomo, że Cu2O jest sparowany z różnymi półprzewodnikami o dużej przerwie energetycznej typu n, takimi jak ZnO2 i jego domieszkowane odmiany3,4, Ga2O35,6 i TiO27 (aby uzyskać bardziej szczegółowy przegląd fotowoltaiki Cu2O, patrz ref.8). Rozwój heterozłączowych ogniw słonecznych na bazie Cu2O przedstawiono na rysunku 1, gdzie przy każdym punkcie danych wskazano sposób syntezy heterozłącza. Można zauważyć, że metody oparte na próżni, takie jak impulsowe osadzanie laserowe (PLD) lub osadzanie warstw atomowych (ALD), pozwoliły na osiągnięcie wyższej sprawności konwersji energii (do 6,1%9). Z kolei skuteczność metod syntezy niepróżniowej, takich jak osadzanie elektrochemiczne (ECD), pozostała niska. Jednak w przypadku tanich ogniw fotowoltaicznych lepiej jest zsyntetyzować heterozłącze poza próżnią. Chociaż wolna od próżni, skalowalna technika tworzenia heterozłączy jest bardziej odpowiednią alternatywą, uzyskanie wysokiej jakości interfejsu za pomocą takich metod pozostaje wyzwaniem. W tej pracy wykorzystujemy otwarty, skalowalny proces osadzania cienkowarstwowego zwany osadzaniem przestrzennej warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) do hodowli tlenków typu n dla ogniw słonecznych na bazie Cu2O. Postęp AP-SALD w stosunku do konwencjonalnego ALD polega na tym, że w pierwszym z nich prekursory są rozdzielane w przestrzeni, a nie w czasie10. Podczas procesu osadzania substrat oscyluje w przód iw tył na podgrzanej płycie pod kolektorem gazowym, który zawiera kanały gazu prekursorowego oddzielone kanałami gazu obojętnego, jak pokazano na rysunku 2. Gazowy azot przenoszący prekursory przepływa pionowo przez kolektor gazowy w dół w kierunku poruszającej się bocznie płyty. Ze względu na oscylacje płyty, każdy punkt na podłożu jest sekwencyjnie wystawiany na działanie utleniacza i prekursorów metali, jak pokazano na rysunku 2. Dzięki temu warstwa tlenku metalu może rosnąć warstwa po warstwie. Szczegółowy opis budowy i działania reaktora AP-SALD można znaleźć w innym miejscu. 11,12 Takie podejście pozwala na osadzanie o jeden do dwóch rzędów wielkości szybciej niż konwencjonalne ALD i próżnia zewnętrzna, która jest kompatybilna z przetwarzaniem typu roll-to-roll. Wysokiej jakości warstwy tlenków konforemnych wytwarzane przez AP-SALD mogą być osadzane w niskich temperaturach (<150 °C) na różnych podłożach, w tym na tworzywach sztucznych, co umożliwia nakładanie folii AP-SALD na tanie urządzenia funkcjonalne, takie jak ogniwa słoneczne13, diody elektroluminescencyjne14 i tranzystory cienkowarstwowe15.
Wykonany na zamówienie kolektor gazowy AP-SALD użyty w tej pracy był mechanicznie konserwowany na podłożu umieszczonym na płycie. Pozwoliło to na sterowanie odstępami między substratem a kolektorem niezależnie od natężenia przepływu gazu. Zastosowano duży odstęp wynoszący 50 μm, co spowodowało wymieszanie się prekursora metalu z utleniaczem w fazie gazowej. W związku z tym reaktor AP-SALD pracował w trybie chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Okazało się, że jest to korzystne w porównaniu z pracą w trybie ALD, ponieważ folie były hodowane w szybszym tempie, ale nadal z dużą jednorodnością grubości i były krystaliczne, gdy były osadzane w tych samych temperaturach co folie ALD. 12 W niniejszym dokumencie nadal odnosimy się do reaktora AP-SALD, ponieważ opiera się on na tych samych podstawowych zasadach konstrukcyjnych, co inne reaktory AP-SALD. 11
Użyliśmy naszego reaktora do osadzenia warstwy typu n dla naszych ogniw słonecznych, w szczególności tlenku i tlenku i magnezu (Zn1-xMgxO16,17). Włączenie Mg do ZnO pozwala na dostrojenie pasma przewodzenia, co jest ważne dla zmniejszenia strat spowodowanych termalizacją pasma-ogona13 i rekombinacją międzyfazową. Rozdział 18,19
Tutaj pokazujemy, jak dostosowanie warunków osadzania warstw tlenku i tlenku magnezu na termicznie utlenionych podłożach z tlenku miedziawego pozwoliło na poprawę jakości interfejsu, a tym samym uzyskanie lepszej wydajności ogniw słonecznych. Poprawa ta była możliwa dzięki zidentyfikowaniu głównego czynnika ograniczającego w ogniwach słonecznych na bazieCu2O: rekombinacji na granicy heterozłączy spowodowanej nadmiernym tworzeniem się tlenku miedzi (CuO) na powierzchniCu2O.

<table><tbody><tr><td>Folia miedziana</td><td>Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar</td><td>13380</td><td>o grubości 0,127 mm, 99,9% (na bazie metali), wyżarzana</td></tr><tr><td>Rapidox Analizator tlenu</td><td>Rapidox</td><td>Model 2100</td><td></td></tr><tr><td>Łódź z tlenku glinu</td><td>Almath Crucibles LTD</td><td>6121203</td><td>Wymiary 20 mm x 50&nbsp; mm x 5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Złoty granulat</td><td>KJLC</td><td>EVMAUXX40G</td><td>99,99% czystego, 1/8" x 1/8", sprzedawany przez gram</td></tr><tr><td>Diethylzinc</td><td>Aldrich</td><td>256781</td><td>&ge; 52 % wag. % Zn w bazie</td></tr><tr><td>Bis(etylocyklopentadienylo)magnez</td><td>Strem Chemicals UK</td><td>12-0510</td><td>5 g</td></tr><tr><td>cel ITO</td><td>GoodFellow Cambridge Limited</td><td>LS 427438</td><td>cel tlenku indu/tlenku cyny (In2O3 90 / SnO2 10). Stan: Prasowany na gorąco. Grubość: 2,0&nbsp; mm &#177; 0,5&nbsp;mm. Rozmiar: 35,5&nbsp; mm x 55,5&nbsp; mm &#177; 0,5&nbsp; mm</td></tr><tr><td>Farba emaliowana silnika VHT</td><td>Halfords</td><td>325019</td><td>bardzo wysokotemperaturowa farba emaliowana silnikowa</td></tr><tr><td>Kwas azotowy HNO3, odczynnik ACS 70%&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich Co Ltd</td><td>438073-2.5L</td><td>Szkodliwy, drażniący</td></tr><tr><td>2% tlenu/argonu 200 bar</td><td>BOC Limited</td><td>225757-L</td><td>mieszanina gazów do utleniania folii Cu, do rozcieńczenia Ar</td></tr></tbody></table>

poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie cu2o poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego przestrzenna warstwa atomowa osadzona zn1-xmgxo

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Osadzanie przestrzennej warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) zostało użyte do osadzania cienkich warstw ZnO i Zn1-xMgxO typu p na termicznie utlenionych podłożachCu2O typu p poza próżnią w niskiej temperaturze. Wydajność urządzeń fotowoltaicznych z atmosferycznie wytworzonym heterozłączem ZnO/Cu2O była uzależniona od warunków osadzania folii AP-SALD, tj. temperatury podłoża i czasu osadzania, a także od narażenia podłoża Cu2O na czynniki utleniające przed i w trakcie osadzania ZnO. Powierzchowne utlenianieCu2O do CuO zidentyfikowano jako czynnik ograniczający jakość heterozłączy ze względu na rekombinację na granicy faz ZnO/Cu2O. Optymalizacja warunków AP-SALD, a także utrzymywanieCu2O z dala od powietrza i wilgoci w celu zminimalizowania utleniania powierzchniCu2O doprowadziły do poprawy wydajności urządzenia. Trzykrotny wzrost napięcia w obwodzie otwartym (do 0,65 V) i dwukrotny wzrost gęstości prądu zwarciowego pozwoliły wyprodukować ogniwa słoneczne o rekordowej sprawności konwersji energii (PCE) na poziomie 2,2%. Ten PCE jest najwyższym odnotowanym dla heterozłącza Zn1-xMgxO/Cu2O utworzonego poza próżnią, co podkreśla ciśnienie atmosferyczne przestrzenne ALD jako obiecującą technikę niedrogiego i skalowalnego wytwarzania ogniw fotowoltaicznych na bazieCu2O.

Z punktu widzenia termodynamiki CuO jest jedyną stabilną fazą tlenku miedzi w powietrzu w RT, co wykazuje diagram stabilności faz Cu-O21-23. Aby zweryfikować obecność CuO na powierzchni Cu2O, zmierzono widma absorpcyjne trawionych i nietrawionych termicznie utlenionych podłoży Cu2O za pomocą spektroskopii odchylenia fototermalnego (PDS) — wysoce czułej techniki umożliwiającej pomiar absorpcji poniżej przerwy energetycznej24 (Rysunek 4). Oba widma wykazały absorpcję powyżej 1,4 eV, co pokrywa się z przerwą energetyczną CuO, przed nasyceniem przy 2 eV (przerwa energetyczna Cu2O). Podłoże nietrawione wykazało wyższą absorpcję poniżej 2 eV, co sugeruje obecność grubszej warstwy CuO na powierzchni nietrawionego Cu2O niż na podłożu trawionym. Wstawka na Rysunku 4 przedstawia szarą warstwę CuO na utlenionym (nietrawionym) podłożu Cu2O. Chociaż na trawionym podłożu nie stwierdzono wizualnie obecności szarego filmu, pomiary PDS sugerują, że na jego powierzchni wciąż znajduje się pewna ilość CuO. Obecność bardzo cienkiego filmu CuO na powierzchni podłoży Cu2O została również potwierdzona za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS)19,25. Tlenek miedzi(II) obecny na powierzchni Cu2O wprowadza głębokie poziomy pułapkowe (Cu2+)18 na interfejsie heterozłącza, które mogą działać jako centra rekombinacji, w związku z czym obecność CuO na złączu p-n jest niepożądana.
Ogrzewanie podłoży Cu2O w obecności utleniaczy (np. powietrza i wilgoci) ułatwia utlenianie Cu2O do CuO. W celu otrzymania polikrystalicznego ZnO metodą AP-SALD, podłoża są podgrzewane do 150 °C. Ponieważ podłoże jest utrzymywane w podwyższonej temperaturze na otwartym powietrzu lub w strumieniu gazu utleniającego podczas osadzania, na powierzchni Cu2O szybko tworzy się CuO. Rysunek 5 przedstawia obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (SEM) trawionego podłoża Cu2O przed i po 3 min podgrzewania na płycie AP-SALD w temperaturze 150 °C w strumieniu azotu. Na wyżarzonym podłożu widoczne są liczne narośla CuO, których skład jest zbliżony do składu CuO, co potwierdzono za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDX).
Urządzenia fotowoltaiczne wykonano z ZnO osadzonego metodą AP-SALD w temperaturze 150 °C przez 400 sec na powierzchni trawionych, termicznie utlenionych podłoży Cu2O. Rysunek 6A przedstawia powierzchnię takiego standardowego urządzenia. Można zauważyć liczne wykwity w formie prętów i kwiatów obecne w urządzeniu. Jak potwierdzono wcześniej za pomocą EDX i PDS, wykwity te są tlenkiem miedzi(II) i powstają w wyniku ekspozycji Cu2O na powietrze i utleniacze. Tabela 1 oraz Rysunek 7 (krzywa „ZnO/Cu2O standard”) wykazują stosunkowo słabe parametry pracy tego urządzenia.
Aby uniknąć tworzenia się CuO na powierzchni Cu2O, zoptymalizowano warunki osadzania ZnO metodą AP-SALD na trawionych, termicznie utlenionych podłożach z Cu2O. W celu zminimalizowania wzrostu CuO podjęto następujące kroki: obniżenie temperatury osadzania (Rysunek 8A); skrócenie czasu osadzania (Rysunek 8B); skanowanie powierzchni podłoża przez kilka oscylacji bez narażania na gaz utleniający, t.j. przy otwartych kanałach tylko dla prekursorów metali i gazu obojętnego (Rysunek 8C); oraz wreszcie unikanie niepotrzebnego nagrzewania odsłoniętych podłoży Cu2O w powietrzu bezpośrednio przed rozpoczęciem osadzania. Optymalne parametry osadzania ZnO na Cu2O ustalono na 100 °C, 100 s i 5 cykli bezwodnych. Powierzchnia zoptymalizowanego urządzenia była wolna od narośli CuO, co wykazano na Rysunku 6B. Charakterystyka gęstości prądu względem napięcia (J-V) zoptymalizowanego urządzenia ZnO/Cu2O została porównana z urządzeniem standardowym na Rysunku 7. Wydajność fotowoltaiczna obu urządzeń ZnO/Cu2O (standardowego i zoptymalizowanego) przedstawiono w Tabeli 1. Widać, że dzięki zastosowaniu czterech wspomnianych wyżej środków uzyskano sześciokrotny wzrost sprawności konwersji energii urządzeń.
Aby dokładniej wyjaśnić wpływ optymalizacji warunków AP-SALD na redukcję CuO i jakość heterozłącza, przeprowadzono pomiary zewnętrznej wydajności kwantowej (EQE) dla urządzeń z ZnO osadzanym w temperaturach 150 °C oraz 100 °C (Rysunek 9). Widma EQE obu urządzeń, choć podobne dla długości fal powyżej 475 nm, różniły się znacząco dla długości fal poniżej 475 nm, co stanowi zakres długości fal absorbowanych w pobliżu interfejsu. W przypadku promieniowania o krótszej długości fali, EQE urządzenia z ZnO wytworzonym w wyższej temperaturze była mniejsza niż połowa wartości EQE urządzenia z ZnO wytworzonym w niższej temperaturze. Sugeruje to, że na interfejsie ZnO/Cu2O wytworzonym w wyższej temperaturze obecne było więcej tlenku miedzi(II), co ograniczyło zbieranie ładunków z obszaru bliskiego heterointerfejsu z powodu zwiększonej rekombinacji.
Mg włączono do powłok ZnO otrzymanych metodą AP-SALD w celu podniesienia pasma przewodnictwa ZnO i dalszej redukcji rekombinacji15. Ogniwa słoneczne Zn1-xMgxO/Cu2O wykonano z optymalnych powłok Zn0.8Mg0.2O, co pozwoliło uzyskać sprawność PCE urządzenia na poziomie 2,2% — jest to najwyższy wynik do tej pory dla ogniw słonecznych opartych na Cu2O z heterozłączami wytworzonymi w warunkach otoczenia (wydajność urządzenia przedstawiono na Rysunku 7 oraz w Tabeli 1).
<img alt="Wykres PCE w zależności od roku publikacji; metody próżniowe/bezpróżniowe; analiza danych dotyczących wydajności fotowoltaicznej." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Wydajność ogniw słonecznych opartych na Cu2O w zależności od roku publikacji (Rysunek zmodyfikowany na podstawie ref.8). Znaczniki wskazują, czy interfejs został utworzony w próżni, czy w atmosferze (bez próżni), a etykiety określają metodę formowania heterozłącza. MSP – napylanie magnetronowe, IBS – napylanie wiązką jonową, VAPE – próżniowe odparowanie łukowe w plazmie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat osadzania warstw atomowych (ALD); cykle prekursorów chemicznych; konfiguracja kolektora gazowego AP-SALD." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Schemat procesu osadzania AP-SALD (w porównaniu z konwencjonalnym ALD) oraz układu do wytwarzania wieloskładnikowych tlenków metali. (A) Sekwencyjna ekspozycja każdego prekursora i etap oczyszczania w konwencjonalnym ALD (delta-doping) (Rysunek został powielony z Ref. 11). W kontekście niniejszego opracowania M1 to opary diethylcynku, M2 opary bis(etylocykloppentadienylu)magnezu, a O1 i O2 to para wodna. (B) Sekwencyjna ekspozycja mieszaniny prekursorów metali (współwtryskiwanie), kanałów gazu obojętnego (odpowiednik etapu „oczyszczania”) i utleniacza w AP-SALD (Rysunek został powielony z Ref. 11). (C) Schemat ogólnego reaktora AP-SALD, przedstawiający prekursory rozdzielone przestrzennie kanałami gazu obojętnego, z podłożem oscylującym pod różnymi kanałami (Rysunek został powielony z Ref.11, który jest modyfikacją schematu z Ref.26). (D) Schemat ogólny ważnych komponentów systemu AP-SALD wraz z obrazami z mikroskopii sił atomowych (AFM) pokazującymi morfologię podłoża przed i po osadzaniu Zn1-xMgxO (Rysunek został powielony z Ref. 13). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obraz SEM w przekroju, warstwy ITO/ZnO/Cu2O, nanostruktura filmu, badania nad inżynierią materiałową." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig3.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3. Obraz SEM w przekroju heterozłącza ITO/ZnO/Cu2O (Rycina została powielona z Ref.8). Można zaobserwować konformalną powłokę podłoża Cu2O z filmami ZnO i ITO. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres absorbancji w funkcji energii; absorpcja CuO w trawionym i nietrawionym Cu2O; właściwości optyczne." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig4.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Widma PDS trawionych i nietrawionych (utlenionych) podłoży Cu2O (rycina zmodyfikowana na podstawie Ref.8). Wstawki przedstawiają fotografie trawionego i nietrawionego tlenku miedzi(I). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza mikroskopowa, skład Cu-O, obraz SEM, badanie materiałów, charakterystyka powierzchni." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig5.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 5"> 
Rycina 5. Obrazy SEM powierzchni podłoża Cu2O (A) bezpośrednio po trawieniu oraz (B) po wyżarzaniu w powietrzu w temperaturze 150 °C przez 3 min (Rycina została powielona z ref.8). Wstawki przedstawiają skład powierzchni uzyskany za pomocą EDX. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Obrazy z mikroskopii elektronowej skaningowej (SEM) pokazujące teksturę powierzchni materiału w skali 10 µm." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig6.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 6"> 
Rysunek 6. Obrazy SEM powierzchni ogniw słonecznych ZnO/Cu2O wykonanych w (A) warunkach standardowych i (B) zoptymalizowanych warunkach AP-SALD ZnO (Rysunek został powielony z Ref.8). W urządzeniu wykonanym w warunkach standardowych widoczne są różne narośla. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres gęstości prądu w funkcji napięcia przedstawiający wyniki optymalizacji ZnO/Cu2O w eksperymentach z ogniwami słonecznymi." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig7.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7. Charakterystyki J-V przy oświetleniu dla ogniw słonecznych Zn1-xMgxO/Cu2O wykonanych w standardowych i zoptymalizowanych warunkach AP-SALD (Rysunek zmodyfikowano na podstawie Ref.8).Krzywe J-V wykazują poprawę wydajności ogniw słonecznych po optymalizacji składu i warunków AP-SALD warstw Zn1-xMgxO. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wyniki osadzania tlenku cynku; Voc w zależności od czasu, temperatury i liczby cykli; wykres analizy danych." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig8.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 8"> 
Rycina 8. Wpływ parametrów AP-SALD na wydajność ogniw słonecznych ZnO/Cu2O. (A) oraz (B) Wpływ czasu i temperatury osadzania ZnO metodą AP-SALD na napięcie obwodu otwartego (Voc) urządzeń (rycina została powielona z Ref.8), (C) korelacja cykli bezwodnych z Voc urządzeń. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres EQE w funkcji długości fali, analiza fotowoltaiczna, zależna od temperatury, dwa zestawy danych (100°C, 150°C)." src="/files/ftp_upload/53501/53501fig9.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 9"> 
Rycina 9. Widma EQE ogniw słonecznych ZnO/Cu2O z ZnO osadzonym w temperaturze 100 °C i 150 °C. (Rycina została powielona z Ref.8). Napięcie obwodu otwartego urządzeń jest wskazane w legendzie. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig9large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.</a>
<table fo:keep-together.within-page="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Ogniwo słoneczne</td>
			<td>Temperatura osadzania, °C</td>
			<td>Czas osadzania, sec</td>
			<td>Jsc, mA/cm2</td>
			<td>Voc, V</td>
			<td>FF, %</td>
			<td>PCE, %</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ZnO/Cu2O 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/Cu2O Optimized</td>
			<td>100</td>
			<td>100</td>
			<td>7.5</td>
			<td>0.49</td>
			<td>40</td>
			<td>1.46</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zn0.8Mg0.2/Cu2O Optimized</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>
Tabela 1. Standardowe i zoptymalizowane parametry osadzania AP-SALD Zn1-xMgxO oraz wydajność najlepszych odpowiadających im ogniw słonecznych ITO/Zn1-xMgxO/Cu2O (tabela została zmodyfikowana na podstawie Ref.8). JSC- gęstość prądu zwarcia, FF - współczynnik wypełnienia.

Tutaj prezentujemy protokół syntezy heterozłączy Zn1-xMgxO/Cu2O na wolnym powietrzu w niskiej temperaturze za pomocą przestrzennego osadzania warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) Zn1-xMgxO 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.

Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu2O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona Zn1-xMgxO

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 ...

Ogólnym celem tej procedury jest uzyskanie wysokiej jakości złącza w heterozłączach tlenku cynku i tlenku miedzi(I) syntetyzowanych poza próżnią. Osiąga się to poprzez przestrzenne osadzanie warstw atomowych przy ciśnieniu atmosferycznym (AP-SALD) filmów tlenku cynku na termicznie utlenionym tlenku miedzi(I). Przestrzenne ALD przy ciśnieniu atmosferycznym jest techniką drukowania tlenków, która umożliwia osadzanie konformalnych filmów tlenkowych z precyzyjną kontrolą grubości w ramach własnego, kompatybilnego procesu podwójnego, zachodzącego przy ciśnieniu atmosferycznym i niskiej temperaturze.Nasz system przestrzennej ALD pracujący pod ciśnieniem atmosferycznym jest idealny do szybkiej syntezy wysokiej jakości, jednorodnych, krystalicznych, wieloskładnikowych tlenków metali do zastosowań w elektronice, co zostało zademonstrowane w niniejszej pracy w przypadku tlenku cynku i magnezu. Najpierw należy wyciąć z miedzianej folii o grubości 0,127 mm kwadraty o wymiarach 13 na 13 mm i oczyścić je poprzez sonikację w acetonie. Kwadraty miedzianej folii należy osuszyć pistoletem z powietrzem, aby usunąć pozostałości acetonu.Następnie wysuszone podłoża umieść w tyglu aluminiowym, a tygiel włóż do pieca. Podgrzej kwadraty z folii miedzianej do 1 000 °C w ciągłym przepływie argonu. Przez cały czas trwania utleniania monitoruj atmosferę gazową w piecu za pomocą analizatora gazów.Po osiągnięciu temperatury 1 000 °C, wprowadź tlen do pieca z przepływem zapewniającym ciśnienie parcjalne tlenu na poziomie 10 000 ppm i utrzymuj ten stan przez co najmniej dwie godziny. Po dwóch godzinach wyłącz przepływ tlenu. Przy zachowaniu przepływu argonu schłodź piec do 500 °C.Utlenione podłoża należy gwałtownie schłodzić poprzez szybkie wyjęcie tygli z pieca. Następnie należy zanurzyć je w wodzie dejonizowanej w celu ochłodzenia. W kolejnym kroku jedną stronę podłoży trawimy, wielokrotnie nakładając kroplę rozcieńczonego kwasu azotowego, aby usunąć tlenek miedzi(II) z powierzchni.Kontynuuj trawienie, aż na powierzchni tlenku miedzi nie będzie widocznej szarej warstwy. Bezpośrednio po trawieniu opłucz każdy podłoże w wodzie dejonizowanej i poddaj sonikacji w izopropanolu, a następnie osusz podłoża pistoletem z sprężonym powietrzem. Po naniesieniu złota na trawioną stronę podłoży, wytraw drugą stronę podłoży w rozcieńczonym kwasie azotowym, nakładając kroplę kwasu na powierzchnię, dbając o to, aby nie wytrawić elektrody złotej po drugiej stronie.Po wypłukaniu i osuszeniu podłoży, pokryć je czarną farbą izolacyjną za pomocą pędzla, pozostawiając niezamaskowany obszar o wielkości około 0,1 cm² jako obszar aktywny ogniwa słonecznego. Elektrodę złotą na tylnej stronie pokryć markerem. Po przygotowaniu reaktora AP-SALD, ustawić szybkość bąbelkowania przez prekursor diethyl zinc na 6 ml/min oraz przez prekursor magnezu na 200 ml/min, aby osadzić tlenek cynku i magnezu.Następnie ustaw natężenie przepływu azotu jako gazu nośnego dla mieszaniny prekursorów metali na 100 milliliters per minute i przepuszczaj azot przez wodę dejonizowaną, która pełni rolę utleniacza, rozcieńczoną azotem płynącym z prędkością 200 milliliters per minute. Teraz skieruj przepływ azotu o natężeniu 500 milliliters per minute do kolektora gazów. Utrzymuj temperaturę kolektora gazów na poziomie 40 degrees Celsius za pomocą obiegu wody.Następnie podgrzej stół lub ruchomą płytę do żądanej temperatury. Za pomocą oprogramowania sterującego płytą ustaw rozmiar próbki, prędkość płyty oraz liczbę oscylacji. Nanieś wybrany tlenek na szkiełko przedmiotowe przez 400 oscylacji lub do momentu uzyskania przejrzystego, grubego i jednorodnego filmu.Po osadzaniu umieść podłoże na szklanej masce i ustaw je pod rozdzielaczem gazów. Dostosuj wysokość głowicy, czyli rozdzielacza gazów, do 50 micrometers powyżej podłoża. Osadź filmy tlenku cynku i magnezu, otwierając najpierw zawór bąbelkowanego prekursora magnezu, a następnie zawór bąbelkowanego prekursora cynku.Następnie, klikając Start Deposition w oprogramowaniu, rozpocznij przesuwanie stołu pod rozdzielacz gazów. Otwórz bulbator wody dopiero po przeskanowaniu podłoża pięcioma oscylacjami prekursorów metali, aby uniknąć narażenia powierzchni tlenku miedzi(I) na działanie utleniacza podczas podgrzewania. Po zakończeniu osadzania jak najszybciej zdejmij podłoża z podgrzewanego stołu i zamknij zawory bulbatorów prekursorów metali.Oczyść kanały gazowe w kolektorze za pomocą ostrza, aby usunąć wszelki osadzony proszek tlenku. Ważne jest, aby zminimalizować czas przebywania trawionych podłoży z tlenku miedzi(I) na otwartym powietrzu na podgrzanym stole, ponieważ wzrost tlenku miedzi(I) na powierzchni przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury. Po napyleniu tlenku indu i cyny na podłoża, usuń marker z elektrody złotej za pomocą acetonu, aby odsłonić elektrodę.Na koniec należy nanieść kontakty elektryczne, przyklejając dwa cienkie druty za pomocą pasty srebrowej do elektrod z tlenku indu i cyny oraz złota. Widma fototermalnego odchylenia trawionych i nietrawionych podłoży z tlenku miedzi(I) wykazują absorpcję powyżej 1.4 eV przed nasyceniem przy 2 eV, co można przypisać obecności tlenku miedzi(I) na powierzchni podłoża. Podłoże nietrawione wykazuje wyższą absorpcję poniżej 2 eV, co sugeruje obecność grubszej warstwy tlenku miedzi(II) na powierzchni.Obecność narośli tlenku miedzi(II) na podłożach z tlenku miedzi(I) została zweryfikowana za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z detekcją energii (EDX). Obraz SEM powierzchni standardowego ogniwa fotowoltaicznego pokazuje narośla tlenku miedzi(II) powstałe w wyniku narażenia tlenku miedzi(I) na działanie powietrza i utleniaczy. W przeciwieństwie do niego, powierzchnia zoptymalizowanego urządzenia jest wolna od narośli tlenku miedzi(II).Sześciokrotny wzrost wydajności urządzenia osiągnięto dzięki optymalizacji warunków osadzania tlenku cynku. Urządzenia z optymalizowanymi warstwami tlenku cynku i magnezu wykazały jeszcze wyższą wydajność na poziomie 2,2 procent. Widma zewnętrznej wydajności kwantowej obu urządzeń różnią się poniżej 475 nanometrów, co stanowi zakres długości fal pochłanianych w pobliżu interfejsu.Zewnętrzna wydajność kwantowa heterozłącza wykonanego w wyższej temperaturze jest mniejsza niż połowa wydajności heterozłącza wykonanego w niższej temperaturze, co sugeruje gorszą jakość interfejsu ze względu na większą ilość tlenku miedzi(II). Optymalizacja warunków wzrostu tlenku cynku metodą ALD ciśnieniowego dla termicznie utlenionego tlenku miedzi(I) pozwoliła na poprawę jakości interfejsu heterozłącza oraz sprawności ogniwa słonecznego. Tę samą strategię optymalizacji można zastosować do ogniw słonecznych z tlenkiem miedzi(I) osadzonym elektrochemicznie.Metodą osadzania z fazy gazowej naniesiono krystaliczny tlenek cynku i magnezu na tlenek miedzi, aby zwiększyć napięcie obwodu otwartego w ogniwach słonecznych z heterozłączeniem. W niniejszej pracy zgłoszono najwyższą do tej pory sprawność na poziomie 2,2% dla heterozłączy z tlenku miedzi(I) otrzymanych poza próżnią.

improved-heterojunction-quality-cu2o-based-solar-cells-through

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

W tej pracy opisujemy zastosowanie techniki tomografii atomowo-sondowej do badania granic ziaren warstwy absorbera w ogniwie słonecznym CIGS. Przedstawiono tu również nowatorskie podejście do przygotowania końcówek sondy atomowej zawierających pożądaną granicę ziaren o znanej strukturze.

Badania tomografii sondy atomowej na granicach ziaren Cu(In,Ga)Se2

Metoda dla w pełni drukowalnych, wolnych od fulerenów, wysoce stabilnych, masowo-heterozłączowych ogniw słonecznych opartych na alkoholanach Ti jako akceptorze elektronów i produkcji polimeru oddając elektrony jest opisana tutaj. Ponadto opisano metodę kontrolowania morfologii warstwy fotoaktywnej poprzez masowość molekularną jednostek Ti-alkoxidian.

Kontrola morfologii dla w pełni drukowalnych organiczno-nieorganicznych ogniw słonecznych z heterozłączami masowymi na bazie tytanowo-alkoksydowego i polimeru półprzewodnikowego

Tutaj prezentujemy protokół syntezy prekursorów CH3NH 3 I i CH3NH 3Br oraz późniejszego tworzenia bezotworkowych, ciągłych cienkich warstw CH3NH3PbI3-xBrx do zastosowania w wysokowydajnych ogniwach słonecznych i innych urządzeniach optoelektronicznych.

Proces niskociśnieniowego roztworu wspomaganego parą wodną do przestrajalnych warstw perowskitowych z halogenku metyloamonowo-ołowiowego bez otworków

Zaprojektowano i zbudowano dwie konfiguracje 'Combined Stress test with in situ', które pozwalają na monitorowanie w czasie rzeczywistym przyspieszonej degradacji ogniw słonecznych i modułów. Konfiguracje te pozwalają na jednoczesne wykorzystanie wilgotności, temperatury, odchyleń elektrycznych i oświetlenia jako niezależnie kontrolowanych czynników stresowych. Przedstawiono konfiguracje i różne przeprowadzone eksperymenty.

In Situ Monitorowanie przyspieszonej degradacji wydajności ogniw i modułów słonecznych: studium przypadku ogniw słonecznych Cu(In,Ga)Se2

Ten manuskrypt opisuje, jak zaprojektować i wyprodukować wydajne odwrócone ogniwa słoneczne SMPV1:PC71BM z nanoprętami ZnO (NR) hodowanymi na wysokiej jakości warstwie nasiennej ZnO domieszkowanej Alem (AZO). Dobrze ustawione, zorientowane pionowo NR ZnO wykazują wysokie właściwości krystaliczne. Sprawność konwersji energii ogniw słonecznych może osiągnąć 6,01%.

Dobrze wyrównane pionowo zorientowane układy nanoprętów ZnO i ich zastosowanie w odwróconych małocząsteczkowych ogniwach słonecznych

Osiągnięcie wysokiej jakości styków Schottky'ego jest niezbędne do osiągnięcia efektywnej modulacji bramki w tranzystorach polowych o heterostrukturze (HFET). Przedstawiono metodologię wytwarzania i charakterystykę diod Schottky'ego na zn-polarnych heterostrukturach BeMgZnO/ZnO z dwuwymiarowym gazem elektronowym o dużej gęstości (2DEG), hodowanymi metodą epitaksji wiązki molekularnej wspomaganej plazmą na matrycach GaN.

Wytwarzanie diod Schottky'ego na zn-polarnej heterostrukturze BeMgZnO/ZnO wyhodowanej metodą epitaksji molekularnej wspomaganej plazmą

Tutaj prezentujemy protokół do opracowania wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si o wysokiej żywotności nośnika mniejszościowego Si.

Opracowywanie wysokowydajnych heterozłączowych ogniw słonecznych GaP/Si

Ta praca opisuje kompletny proces produkcji cienkich absorberów tellurku kadmu/tellurku selenu/tellurku kadmu dla zwiększenia wydajności. Proces wykorzystuje zautomatyzowany system próżniowy in-line do osadzania sublimacyjnego w bliskiej przestrzeni, który jest skalowalny, od produkcji urządzeń badawczych o małej powierzchni, a także modułów na dużą skalę.

Ultracienkie ogniwa słoneczne CdSeTe/CdTe osadzane sublimacyjnie w bliskiej przestrzeni dla zwiększenia gęstości prądu zwarciowego i fotoluminescencji

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

Przedstawiono technikę syntezy umożliwiającą przygotowanie ZnCoS/ZnCdS reagującego na światło widzialne z fotokatalizatorem o podwójnej strukturze krystalicznej oraz technikę testowania reakcji fotoredoksowej jego aktywności fotokatalitycznej i selektywności w ewolucji H2 oraz produkcji benzaldehydu.

Synteza i oceny wydajności ZnCoS/ZnCdS z podwójną strukturą krystaliczną dla wielofunkcyjnej fotokatalizy redoks w zastosowaniach energetycznych

Poznaj metodę AP-SALD do syntezy heterozłączy Zn₁₋ₓMgₓO/Cu₂O w atmosferze ciśnienia atmosferycznego. Technika ta umożliwia uzyskanie wysokiej jakości interfejsów i sześciokrotny wzrost sprawności ogniw fotowoltaicznych.

Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu2O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona Zn1-xMgxO (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów