Melhoria da Qualidade Heterojunction em Cu 2 O baseados em células solares através da optimização da Pressão atmosférica Camada Espacial Atomic Depositado Zn X-1 Mg x ó

Resumo

Aqui apresentamos um protocolo para a síntese de Zn _1-x Mg _x O / Cu ₂ O heterojunções em ao ar livre a baixa temperatura através de pressão atmosférica espacial de deposição de camadas atômicas (AP-SALD) de Zn _1-x Mg _x O em óxido de cobre. Tais óxidos metálicos isolantes de elevada qualidade podem ser cultivadas numa variedade de substratos, incluindo plásticos por este método barato e escalável.

Resumo

A deposição espacial da camada atômica da pressão atmosférica (AP-SALD) foi usada para depositar filmes finos de ZnO e Zn_1-xMg_xO do tipo n em substratos de₂O oxidados termicamente do tipo p fora do vácuo a baixa temperatura. O desempenho de dispositivos fotovoltaicos com heterojunção ZnO/₂O fabricada atmosfericamente foi dependente das condições de deposição do filme AP-SALD, ou seja, a temperatura do substrato e o tempo de deposição, bem como da exposição do substrato₂O a agentes oxidantes antes e durante a deposição de ZnO. A oxidação superficial de₂O a CuO foi identificada como um fator limitante para a qualidade da heterojunção devido à recombinação na interface ZnO/₂O. A otimização das condições de AP-SALD, bem como manter o₂O longe do ar e da umidade, a fim de minimizar a oxidação da superfície do₂O, levou a um melhor desempenho do dispositivo. Um aumento de três vezes na tensão de circuito aberto (até 0,65 V) e um aumento de duas vezes na densidade de corrente de curto-circuito produziram células solares com uma eficiência de conversão de energia (PCE) recorde de 2,2%. Este PCE é o mais alto relatado para uma heterojunção Zn_1-xMg_xO/₂O formada fora do vácuo, o que destaca a ALD espacial da pressão atmosférica como uma técnica promissora para a fabricação barata e escalável de fotovoltaicos baseados em₂O.

Introdução

Óxido de cobre (Cu ₂ O) é um tipo de material semicondutor p terra abundante non-toxic ^1. Com um gap de 2 eV, óxido de cobre pode cumprir o papel de absorvedor de luz no heterojunção ou em tandem células solares. Em células solares de heterojunção, Cu ₂ O é conhecido por ser emparelhado com uma variedade de tipo n grandes semicondutores de hiato, tais como ZnO ² e suas variações dopados ^3,4, Ga ₂ O ₃ ^5,6 e TiO ₂ ⁷ (Para um mais visão detalhada sobre Cu ₂ O fotovoltaica ver Ref. ^8). O desenvolvimento de _Cu2O células solares heterojunção baseado está apresentada na Figura 1, em que o método de síntese do heterojun�o está indicada ao lado de cada ponto de dados. Pode-se notar que os métodos de vácuo com base, tais como a deposição pulsada laser (PLD) ou deposição de camadas atômicas (ALD) permitido para a eficiência de conversão de energia mais elevados a serem alcançados (até 6,1% ^9). em contrast, as eficiências para métodos de síntese não-vácuo, como a deposição eletroquímica (ECD) mantiveram-se baixos. No entanto, para sistemas fotovoltaicos de baixo custo, é melhor para sintetizar o heterojun�o fora de um vácuo. Embora uma técnica de vácuo-livre, escalável de formação heterojun�o é uma alternativa mais adequada, continua a ser um desafio para a produção de uma interface de alta qualidade através de tais métodos. Óxidos Neste trabalho utilizamos um ao ar livre, escalável processo fina deposição de filmes chamada pressão atmosférica deposição de camadas atômicas espacial (AP-SALD) a crescer N-Type para Cu ₂ células solares O-base. O avanço da AP-SALD sobre ALD convencional é que, na primeira, precursores são separados no espaço em vez de no tempo ^10. Durante o processo de deposição, um substrato oscila para trás e para a frente sobre uma placa aquecida sob um colector de gás que contém canais de gás precursores separados por canais de gás inerte, tal como mostrado na Figura 2. O gás de azoto que os precursRUP corre verticalmente através do colector de gás para baixo para o cilindro lateralmente em movimento. Devido às oscilações da placa de impressão, cada ponto sobre o substrato é sequencialmente exposta ao oxidante e metais precursores, tal como ilustrado na Figura 2. Isto permite que o filme de óxido de metal para crescer camada por camada. Uma descrição detalhada do desenho do reactor AP-SALD e a operação pode ser encontrada em outras posições ^11,12. Esta abordagem permite a deposição de ocorrer uma a duas ordens de grandeza mais rápida do que a ALD convencional e de vácuo do lado de fora, o que é compatível com o processamento de rolo-a-rolo . Alta qualidade filmes de óxido conformada produzidos por AP-SALD podem ser depositadas a baixas temperaturas (<150 ° C) sobre uma variedade de substratos, incluindo plásticos, que permite filmes AP-Sald para ser aplicada a dispositivos funcionais de baixo custo, tais como células solares ¹³ , diodos emissores de luz ¹⁴ e transistores de película fina ^15.

O colector de gás AP-SALD feita sob encomendautilizado neste trabalho foi mecanicamente mantido ao longo do substrato colocado no tambor. Isto permitiu o controle do espaçamento independente substrato colector dos caudais de gás. Um grande espaçamento de 50 mm foi utilizado, o que resultou em intermistura entre o precursor de metal e o oxidante na fase gasosa. Portanto, o reactor de AP-SALD foi operado em modo de deposição de vapor químico (CVD). Esta verificou-se ser vantajoso em relação operacional no modo de ALD porque os filmes foram cultivadas a uma taxa mais elevada, mas ainda com a uniformidade de espessura elevada e foram cristalina quando depositados às mesmas temperaturas como películas ALD. ¹² Nisto, que ainda se referem ao reactor como um reator AP-sALD porque tem os mesmos princípios fundamentais do projeto como outros reactores AP-sald. ¹¹

Utilizamos o nosso reator para depositar a camada de n-tipo para as nossas células solares, em particular óxido de zinco e óxido de magnésio zinco (Zn _1-x Mg _x O ^16,17). Incorporando Mg into ZnO permite que a banda de condução para ser sintonizado, o que é importante para reduzir as perdas por estabilização térmica band-tail ¹³ e recombinação interfacial. ^18,19

Aqui, mostramos como o ajuste das condições de deposição de filmes de óxido de magnésio e óxido de zinco de zinco sobre substratos de óxido cuproso termicamente oxidados desejados para melhorar a qualidade da interface e, portanto, melhor o desempenho da célula solar para ser obtido. Esta melhoria foi possível devido a identificação do factor limitativo importante na _Cu2O células solares baseados: recombinação na interface heterojun�o devido a uma excessiva formação de óxido cúprico (CuO) em _H2O a superfície de Cu.

Protocolo

1. Preparação de cobre Óxido Substratos

1. Oxidação de folha de cobre
   1. Corte 0,127 mm de espessura folha de Cu em 13 mm x 13 mm quadrados e limpas por ultrassons em acetona.
   2. Aqueça uma película de cobre a 1.000 ° C, enquanto fluindo continuamente gás Ar através do forno. Monitorar o ambiente de gás no forno com um analisador de gás em toda a oxidação. Quando a temperatura de 1000 ° C é atingida, introduzir oxigénio no forno, com um caudal para obter a pressão parcial de 10.000 ppm de oxigénio e manter aquele durante pelo menos 2 h. Após 2 horas, desligue o oxigênio, mas manter o gás Ar fluindo.
   3. Arrefecer o forno a 500 ° C (manter o gás Ar fluindo). Saciar as amostras oxidadas pela retirada rápida dos cadinhos do forno. Mergulhe os substratos em água deionizada para resfriá-los mais rápido.
2. Etching de _Cu2O
   1. Etch um lado dos substratos por aplicação repetidauma gota de ácido nítrico diluído (1: mistura de H ₂ O e 70% HNO ₃ 1) para remover qualquer óxido cúprico a partir da superfície. Continue gravando até que nenhum filme cinza é visível na superfície de Cu ₂ O. CUIDADO: Este procedimento é realizado numa hotte.
   2. Imediatamente após o condicionamento, lavar cada substrato em água deionizada e sonicate em isopropanol. Seque com uma pistola de ar.
   3. Depósito de 80 nm de ouro para o lado gravado de os substratos Cu ₂ O por evaporação de um 1 g de sedimento de ouro colocado num barco de tungsténio para dentro de um evaporador de resistência. A utilização de pressão de base 8 x 10 ^-6 mbar e corrente de 4 A para atingir a taxa de evaporação de 0,8 Â / seg.
   4. Etch do outro lado dos substratos em ácido nítrico diluído através da aplicação de uma gota de ácido sobre a superfície. Verifique se o ácido não gravar o filme de ouro do outro lado. Enxaguar e sonicate como descrito no ponto 1.2.2.
   5. Cobrir os substratos com uma tinta preta de isolamento (usar alta temperatura eesmalte ngine) usando um pincel de tinta, deixando uma área sem máscara de aproximadamente 0,1 ^cm2 de área activa da célula solar. Cobrir o eletrodo de ouro na parte de trás com uma caneta marcador completamente.

2. Depositar Zn _1-x Mg _x O Usando Reactor AP-SALD

Nota:.. Depósito Zn _1-x Mg _x S filmes sobre o lado sem máscara de Cu ₂ O substratos ¹³ Neste trabalho, foi utilizado um reator AP-SALD feitos sob medida, adaptado a partir do projeto original desenvolvido pela Kodak ^11,12 Detalhes da personalização reactor são dadas em Ref. 12.

1. Defina-se o sistema AP-SALD como se segue:
   1. Use dietilzinco (DEZ) como o precursor e cloreto de bis (ethylcyclopentadienyl) de magnésio o precursor de Zn como Mg. Estes precursores são cada líquidos contidos nos seus borbulhadores de vidro separados. Os precursores são pyrophoric e nunca deverá entrar em contacto com o ar ou a água. O sistema de deposição é estanque aos gases.
   2. Para a deposição de óxido de zinco, ajustar a taxa de borbulhamento de azoto gasoso através do dietilzinco a 25 ml / min, o que está contido à TA (20 ° C). Para a deposição do óxido de magnésio de zinco, ajustar a fracção de gás de cada precursor ajustando a taxa de borbulhamento através do dietilzinco para 6 ml / min e 200 mL / min através do magnésio de bis (ethylcyclopentadienyl) (que é aquecida a 55 ° C) para controlar a Zn a razão Mg a Zn em _1-x Mg _X O.
   3. Definir a taxa de fluxo do gás portador azoto, durante a mistura do precursor do metal a 100 ml / min. Bolha azoto gasoso a 100 mL / min através de água desionizada, que é empregado como oxidante. Este vapor é diluído com gás transportador de azoto com um caudal de 200 ml / min.
   4. O caudal de gás de azoto a 500 ml / min para o colector de gás. No colector de gás AP-SALD, este gás de azoto é dividida para quatro canais separados. Cada canal serve para separar espacialmente os dois canais de oxidantes a partir do canal de mistura precursor de metal entre eles.
2. Manter o colector de gás a uma temperatura de 40 ° C por meio de água de circulação. Aquece-se a fase (placa móvel) à temperatura desejada (50 - 150 ° C).
3. Defina as desejadas amostra-de-cabeça a distância, tamanho da amostra, velocidade de impressão (50 mm / seg) e número de oscilações (ciclos) com o software que controla a placa. A taxa de deposição de ZnO é de 1,1 nm / seg (ou por ciclo) e a _1-X de Mg _X o velocidade de deposição de Zn é de cerca de 0,54 nm / seg a 150 ° C. Um número típico de ciclos de deposição é 200.
4. Depositar o óxido desejado em uma lâmina de vidro de 400 oscilações ou até que uma película de espessura homogénea clara pode ser visto.
5. Coloque o substrato em uma máscara de vidro, se necessário, em seguida, colocá-lo sob o distribuidor de gás. Ajuste a altura da cabeça (colector de gás) para 50 mm acima do substrato.
6. Depositar o Zn _1-x Mg _x O filmes de primeira abertura das válvulas para o bubbler precursor Mg, em seguida, o precursor bubbler Zn, em seguida, iniciar moving as cilindro sob o distribuidor de gás, clicando em "começar a deposição" no software. Abra o O borbulhador de H ₂ somente depois da digitalização do substrato com 5 oscilações de precursores de metal, a fim de evitar exposição Cu ₂ O oxidante à superfície enquanto aquecida.
7. Quando a deposição estiver terminado, remover os substratos ₂ O Cu a partir do platen aquecido tão rapidamente quanto possível e fechar as válvulas de borbulhadores dos precursores metálicos. Limpar os canais de gás no tubo de distribuição com uma lâmina para remover qualquer pó de óxido depositado. Iniciar o próximo ciclo de deposição, como descrito em 2.6.
8. Quando terminar, purgar o sistema durante 30 minutos antes de fechar as válvulas de nitrogênio.

3. Sputtering de ITO

1. Sputter 175 nm de óxido de índio-estanho (ITO) por Magnetron pulverização catódica de corrente contínua ²⁰ nas seguintes condições:. Potência de 20 W, pressão de base <10 ^-9 mbar, a pressão Ar de 2,5 Pa a uma taxa de pulverização de 35 nm / min, por pulverização catódica de TIO por 5 min para um filme de ITO de espessura 175 nm. O resultante ITO / ZnO / _Cu2O heterojun�o é mostrado na Figura 3.

4. Finalização dos Dispositivos

1. Limpar a caneta marcador a partir do eléctrodo de ouro com acetona para expor o eléctrodo de ouro.
2. Aplicar contatos elétricos furando 2 fios finos com pasta Ag sobre os eléctrodos de ITO e Au.

Resultados

Termodinamicamente, CuO é a única fase estável de óxido de cobre em ar a temperatura ambiente, como o diagrama de estabilidade de fase de Cu-O revela ^21-23. Para verificar a presença de CuO sobre a superfície de _Cu2O, espectros de absorção da gravado e unetched termicamente oxidada _Cu2O substratos foram tiradas com espectroscopia fototérmico deflexão (PDS) - uma técnica altamente sensível que permite a medição de absorção lacuna sub-banda ²⁴ (Figura 4). Ambos os espectros apresentaram absorção acima de 1,4 eV, que coincide com a abertura da faixa de CuO, antes de saturar a 2 eV (Cu ₂ gap O band). O substrato unetched tinham uma absorção superior inferior a 2 eV, sugerindo uma camada mais espessa de CuO sobre a superfície de Cu unetched ₂ O do que sobre o substrato gravado. O gráfico inserido na figura 4 mostra uma camada de cinza de CuO sobre a (unetched) _Cu2O como substrato oxidado. Enquantonenhum filme cinza pode ser detectado visualmente sobre o substrato gravado, alguns CuO foi ainda presentes na sua superfície, como as medições PDS sugere. A presença de uma película muito fina de CuO sobre a superfície de _Cu2O substratos também foi confirmada com espectroscopia de fotoelectrão de raios-X (XPS) ^19,25. Óxido cúprico presente na superfície da ₂ O Cu introduz estados nível profundo armadilha (Cu ^{2+) 18} na interface heterojun�o que podem actuar como centros de recombinação e, portanto, a presença de CuO na junção pn é indesejável.

Aquecimento _Cu2O substratos na presença de oxidantes (por exemplo, ar e humidade) facilita a oxidação de _Cu2O a CuO. A fim de obter ZnO policristalino pela AP-SALD, os substratos são aquecidos a 150 ° C. À medida que o substrato é mantido a uma temperatura elevada no ar livre ou ao abrigo do gás oxidante durante a deposição, CuO forma rapidamente na Cu _{A Figura 5 mostra imagens microscopia electrónica de varrimento (SEM) de uma causticado Cu2O substrato antes e depois de passar 3 min na platina AP-SALD a 150 ° C sob o fluxo de azoto. Várias excrescências CuO pode ser visto sobre o substrato recozido, com a sua composição ser próxima da de CuO como verificado por espectroscopia de raios X de energia dispersiva (EDX).}

Dispositivos fotovoltaicos foram feitas com ZnO depositados por AP-SALD a 150 ° C durante 400 segundos no topo dos substratos gravados ₂ O Cu termicamente oxidados. A Figura 6A mostra a superfície deste dispositivo padrão. Pode-se notar inúmeros rod- e excrescências flor-como presentes no dispositivo. Como confirmado anteriormente com EDX e PDS, essas excrescências são o óxido de cobre e ocorrem devido ao Cu ₂ O exposição ao ar e oxidantes. Tabela 1 e Figura 7 ( 'ZnO / Cu ₂ O padrão' curve) demonstram o desempenho relativamente fraco deste dispositivo.

A fim de evitar a formação de CuO sobre a superfície S de Cu _2, as condições para a deposição de ZnO por AP-SALD sobre os substratos gravados ₂ O Cu termicamente oxidados foram optimizados. As seguintes medidas foram tomadas a fim de minimizar o crescimento CuO: redução da temperatura de deposição (Figura 8A); redução do tempo de deposição (Figura 8B); digitalizar a superfície do substrato para algumas oscilações sem exposição ao gás oxidante, ou seja, com apenas precursores metálicos e inertes canais abertos (Figura 8C); e, finalmente, evitar aquecimento desnecessário de nus _Cu2O em substratos de ar imediatamente antes do início da deposição. Foram encontrados os parâmetros ideais de deposição de ZnO em Cu ₂ O para ser de 100 ° C, 100 seg e 5 ciclos livres de água. A superfície do dispositivo optimizado estava livre de CuO outgrowtHs, como é demonstrado na Figura 6B. A característica de densidade de corrente-tensão (EC) do dispositivo ₂ O ZnO / Cu optimizado é comparado com o dispositivo padrão na Figura 7. O desempenho fotovoltaica de ambos os ₂ ó dispositivos padrão e optimizadas ZnO / Cu é apresentada na Tabela 1. Pode ser visto que, seguindo as quatro medidas acima mencionadas, um aumento de seis vezes na eficiência de conversão de energia dos dispositivos foi conseguida.

Para melhor elucidar o efeito de optimização das condições de AP-Sald na redução de CuO e a qualidade heterojun�o, a eficiência quântica externa (EQE) medições foram realizadas em dispositivos com ZnO depositados a 150 ° C e 100 ° C (Figura 9). Os espectros EQE dos dois dispositivos, embora semelhante a comprimentos de onda acima de 475 nm, diferiram significativamente em comprimentos de onda abaixo de 475 nm, o que é a gama de comprimento de onda s absorvida perto da interface. Para a radiação de comprimento de onda mais curto, a EQE do dispositivo com ZnO feitas à temperatura mais elevada foi a menos de metade da do dispositivo com ZnO feita a temperaturas mais baixas. Isto sugere que o óxido cúprico mais estava presente na interface ₂ O ZnO / Cu feitas à temperatura mais elevada, o que reduziu de recolha de carga a partir da região perto do heterointerface devido ao aumento da recombinação.

Mg foi incorporada filmes AP-SALD ZnO, a fim de elevar a banda de condução de ZnO e para reduzir ainda mais a recombinação ^15. Zn _1-x Mg _x O / Cu ₂ O células solares foram feitos com as otimizados Zn _0,8 mg _0,2 O filmes, resultando em 2,2% PCE dispositivo - células solares baseadas em O mais alto até o momento para Cu ₂ com ao ar livre fabricados heterojunções (ver o desempenho do dispositivo na Figura 7 e Tabela 1).

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Figura 1. Cu ₂ eficiência baseada-O célula solar por ano de publicação (Esta figura foi modificado a partir de Ref. ^8). Os marcadores indicam se a interface foi formado em vácuo ou em atmosfera (não-vácuo) e etiquetas indicam o método de formação heterojunction. MSP - pulverização catódica, IBS - ion beam pulverização catódica, VAPE - vácuo evaporação plasma arco. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2. Representação esquemática do processo de deposição AP-SALD (em comparação com ALD convencional) e set-up para a produção de boi de metal multicomponenteides. (A) a exposição seqüencial de cada etapa precursor e purga em ALD convencional (delta-doping) (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^11). No contexto deste manuscrito, M1 é o vapor de dietilzinco, vapor de magnésio M2 bis (ethylcyclopentadienyl) e O1 e O2 vapor de água. (B) a exposição seqüencial da mistura de precursor de metal (co-injecção), canais de gás inerte (equivalente a passo 'purga') e oxidante na AP-SALD (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^11). (C) Representação esquemática de um reactor de AP-SALD geral, que mostra os precursores espacialmente separadas por canais de gás inerte, com o substrato oscila sob os diferentes canais (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^11, que é uma modificação de um na Ref. ^26). (D) Visão esquemática dos componentes importantes de um sistema de AP-SALD com microscopia de força atômica (AFM) imagens mostrando a morfologia dosubstrato antes e depois de Zn _1-x Mg _x O deposição (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^13). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Imagem transversal SEM de ITO / ZnO / Cu ₂ O heterojunction (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^8). A cobertura conforme do Cu ₂ O pode ser observado substrato com filmes de ZnO e Ito. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4. PDS espectros de gravado e unetched (as-oxi dized) Cu ₂ O substratos (Este valor foi modificado a partir de Ref. ^8). As inserções mostram fotografias dos substratos óxido de cobre gravadas e unetched. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5. imagens de SEM da superfície de um substrato de _Cu2O quando (A) recém-gravado e (B), após o recozimento a 150 ° C em ar durante 3 minutos (este valor foi reproduzida de Ref. ⁸⁾ mostram superfície inserções. composição adquiridos com EDX. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 6. imagens de SEM da superfície de / _Cu2O células solares de ZnO feita usando (a) as condições padrão e (B) condições optimizadas de AP-SALD ZnO (este valor foi reproduzida de Ref. ^8). Vários excrescências pode ser visto no dispositivo padrão. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7. características Luz JV para Zn _1-x Mg _x O / Cu ₂ O células solares fabricados em condições AP-Sald padrão e otimizados (Este valor foi modificado a partir de Ref. ^8). As curvas JV demonstrar a melhoria solar de desempenho celular quando as condições de composição e AP-sald do Zn _1-x Mg _x S filmes são otimizados.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8. O efeito de parâmetros AP-Sald sobre o desempenho de ZnO / _Cu2O células solares. (A) e (B) o efeito de meio AP-SALD ZnO tempo de deposição e da temperatura sobre a tensão de circuito aberto (V _OC) dos dispositivos (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^8), (C) correlação de água ciclos livres com o _oc V dos dispositivos. por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura spectr 9. EQEum de ZnO / _Cu2O células solares com ZnO depositados a 100 ° C e 150 ° C. (Esta figura foi reproduzida de Ref. ^8). Tensão de circuito aberto dos dispositivos é indicado na legenda. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Célula solar	Deposição temperatura, ° C	Tempo de deposição, sec	J sc, mA / cm 2	V oc, V	FF,%	PCE,%
ZnO / Cu 2 O Padrão	150	400	3.7	0,18	35	0,23
ZnO / Cu2O Optimized	100	100	7,5	0,49	40	1,46
Zn 0,8 Mg 0,2 / Cu 2 O Optimized	150	100	6.9	0,65	49	2.20

Tabela 1. Padrão e otimizado AP-SALD Zn _1-x Mg _x O deposição parâmetros e desempenho dos melhores ITO correspondente / Zn _1-x Mg _x O / Cu ₂ O células solares (Este quadro foi modificado a partir de Ref. ⁸⁾ . J _SC - circuito densidade de corrente de curto, FF - fator de preenchimento.

Discussão

As etapas críticas no âmbito do protocolo são estipulados pela Cu ₂ O para CuO oxidação da superfície do substrato. Estes incluem condicionamento dos substratos em ácido nítrico diluído para remover qualquer CuO depois de oxidação, bem como após a evaporação do eléctrodo de ouro, minimizando os substratos tempo gasto no ar _livre, antes de _1-x Mg deposição Zn _X O e, finalmente, a deposição de Zn _1-x Mg _x O sobre Cu ₂ O substratos por AP-SALD.

A vantagem de AP-SALD comparação com ALD convencional é que os filmes podem ser cultivadas fora de um vácuo com uma taxa de crescimento que é uma a duas ordens de grandeza mais elevada. No entanto, isto implica que os substratos _Cu2O tem que ser exposto a oxidantes no ar a uma temperatura elevada, pelo menos, um pouco antes da deposição, a qual é suficiente para uma camada fina para formar CuO sobre a superfície. Isto aparentemente limita a aplicação do método de AP-SALD para alguns materia sensível à oxidaçãols. Contudo, por optimização das condições de AP-Sald, tais como temperatura e tempo, bem como minimizar a exposição _Cu2O ao ar e à humidade, um aumento de seis vezes na eficiência de conversão de ZnO / _Cu2O dispositivos feitos usando AP-SALD foi conseguida . A melhora veio o entendimento de que Cu ₂ O à oxidação CuO é o principal fator limitante de óxido de cobre como um material em células solares de heterojunção e modificar o protocolo de fabricação em conformidade.

A fim de evitar completamente a oxidação do óxido cuproso, os substratos têm que ser mantidos numa atmosfera inerte ou no vácuo todo o tempo, o que pode ser difícil quando se utiliza uma técnica de deposição ao ar livre tais como AP-SALD. Enquanto a oxidação de _Cu2O é evitada em técnicas baseadas ^3,18 vácuo, para a fabricação em grande escala, é importante que este problema pode ser minimizado em processos de fabricação atmosféricas. Em PA-SALD, a superfície do substrato pode ser exposto aagentes redutores, antes da formação do heterointerface, e mediante o equilíbrio da oxidação do _Cu2O com a redução de CuO usando gás de formação durante a deposição do óxido de N-tipo ^25. O agente redutor utilizado em AP-SALD pode ser um mistura de um gás inerte com um gás redutor (por exemplo, _N2 + 5% de H ₂ ^25), ou um número de ciclos com um precursor de redução antes da deposição, isto é, ciclos isentos de água, de modo a reduzir CuO volta para _Cu2O pouco antes do óxido de ZnO começa a crescer na sua superfície.

Neste trabalho, um protocolo padrão foi desenvolvida que minimiza a formação de CuO otimizando etapas de fabricação de Cu ₂ de processamento O e condicionamento para a formação de junção pn pela AP-SALD em ao ar livre. O sucesso do presente trabalho demonstra o potencial de AP-SALD como um método promissor para aplicação em dispositivos fotovoltaicos baratos e escalonáveis. A técnica pode ser usada para DEPOS rápidassição de uma variedade de óxidos de metal semicondutor n- e do tipo p, bem como o bloqueio, o tampão e as camadas de barreira em células solares em substratos sensíveis ao calor, incluindo plásticos.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Folha de cobre	Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar	13380	0,127 mm de espessura, 99,9% (base de metais), recozido
Analisador de oxigênio Rapidox		Modelo 2100
Barco de alumina	Almath Crucibles LTD	6121203	Dimensões 20 mm x 50  mm x 5  mm
Pellets de ouro	KJLC	EVMAUXX40G	99,99% puros, 1/8" x 1/8", vendidos pelo grama
Dietilzinco	Aldrich	256781	≥ 52 % em peso de Zn base
Bis (etilciclopentadienil) magnésio	Strem Chemicals UK	12-0510	5 g
ITO alvo	GoodFellow Cambridge Limited	LS 427438	Alvo de óxido de índio / óxido de estanho (In2O3 90 / SnO2 10). Condição: Prensado a quente. Espessura: 2.0  mm ± 0,5 mm. Tamanho: 35.5  mm x 55,5  mm ± 0,5  mm
VHT tinta esmalte para motor	Halfords	325019	tinta preta de esmalte para motor de temperatura muito alta
Ácido nítrico HNO3, ACS reagente 70%	Sigma-Aldrich Co Ltd	438073-2.5L	Nocivo, irritante
2% Oxigênio/Argônio 200 bar	BOC Limited	225757-L	mistura gasosa para oxidação de folha de, a ser diluída com Ar