Методическая статья

Улучшение качества Гетеропереход в Cu 2 O на основе солнечных батарей за счет оптимизации атмосферного давления пространственного атомного слоя Деп
Zn 1-х Mg х O

DOI:

10.3791/53501

⸱

31 июля 2016 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы приводим протокол для синтеза Zn 1-х Mg х O / Cu 2 O гетеропереходов в открытом воздухе при низкой температуре с помощью атмосферного давления пространственного осаждения атомных слоев (AP-SÅLD) из Zn 1-х Mg х O на закиси меди. Такие высококачественные конформные оксиды металлов можно выращивать на различных подложках, включая пластмассы от этого дешевого и масштабируемого метода.

Аннотация

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

Пространственное осаждение атомного слоя атмосферного давления (AP-SALD) использовалось для осаждения тонких пленок ZnO n-типа и Zn1-xMgxO на термически окисленные подложки Cu2O p-типа вне вакуума при низкой температуре. Эксплуатационные характеристики фотоэлектрических устройств с атмосферно изготовленным гетеропереходом ZnO/Cu2O зависели от условий осаждения пленки AP-SALD, а именно от температуры подложки и времени осаждения, а также от воздействия окислителей на подложку Cu2O до и во время осаждения ZnO. Поверхностное окисление Cu2O в CuO было идентифицировано как ограничивающий фактор качества гетеропереходов из-за рекомбинации на границе раздела ZnO/Cu2O. Оптимизация условий AP-SALD, а также удержание Cu2 O вдалиот воздуха и влаги с целью минимизации поверхностного окисления Cu2O привели к повышению производительности устройства. Трехкратное увеличение напряжения холостого хода (до 0,65 В) и двукратное увеличение плотности тока короткого замыкания позволили получить солнечные элементы с рекордной эффективностью преобразования энергии (PCE) в 2,2%. Этот PCE является самым высоким для гетероперехода Zn1-xMgxO/Cu2O, образованного вне вакуума, что подчеркивает пространственное ALD атмосферного давления как перспективный метод для недорогого и масштабируемого производства фотоэлектрических элементов на основе Cu2O.

Введение

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

Оксид меди (Cu 2 O) представляет собой землю обильный нетоксичный р-типа полупроводникового материала 1. С шириной запрещенной зоны 2 эВ, закись меди может выполнять роль поглотителя света в гетеропереходной или тандемных солнечных элементов. В гетеропереходной солнечных батарей, Cu 2 O , как известно, в паре с целым рядом п-типа большой ширины запрещенной зоны полупроводников , таких как ZnO 2 и его вариации, легированные 3,4 Ga 2 O 3 5,6 и TiO 2 7 (Для более подробный обзор на Cu 2 O фотоэлектрической см. 8). Развитие Cu 2 O на основе гетероперехода солнечных элементов представлена ​​на рисунке 1, где метод синтеза гетеро- указывается рядом с каждой точкой данных. Можно отметить , что на основе вакуумных методов , таких как импульсное лазерное осаждение (PLD) или молекулярного наслаивания (ALD) , разрешенных для более высокой эффективности преобразования мощности должна быть достигнута (до 6,1% 9). В сотрудничествеntrast, к.п.д. для методов синтеза невакуумными таких как электрохимического осаждения (ECD) остаются низкими. Тем не менее, для недорогих фотогальванических лучше синтезировать гетеропереход вне вакуума. В то время как вакуум-свободный, масштабируемая методика формирования гетероперехода является более подходящей альтернативой, остается сложной задачей для создания интерфейса высокого качества с помощью таких методов. Оксиды В этой работе мы используем под открытым небом, масштабируемый процесс осаждение тонких пленок называется атмосферное давление пространственного атомного осаждения слоя (AP-SALD) расти N-типа для Cu 2 O на основе солнечных батарей. Продвижение AP-SÅLD по сравнению с обычными ALD является то , что в первом случае , предшественники разделены в пространстве , а не во времени 10. Во время процесса осаждения подложку осциллирует назад и вперед на нагретом валике под газовым коллектором , который содержит каналы предшественники газа , отделенного от инертных газовых каналов, как показано на рисунке 2. Газообразный азот , транспортирующего precursОРР протекает вертикально через газовый коллектор вниз в направлении в поперечном направлении подвижной плиты. Из - за колебаний валике, каждая точка на подложке последовательно подвергается воздействию окислительных и металлических предшественников, как это показано на фиг.2. Это позволяет пленки из оксида металла , чтобы расти слой за слоем. Подробное описание AP-SÅLD проектирования и эксплуатации реактора можно найти в другом месте. 11,12 Такой подход позволяет осаждение происходит от одного до двух порядков быстрее , чем обычные ALD и вне вакуума, который совместим с обработкой с рулона на рулон , Оксидных пленок конформный высокого качества производства AP-SÅLD могут быть осаждены при низких температурах (<150 ° С) на различные подложки , включая пластмассы, что позволяет AP-SÅLD фильмы , которые будут применены к недорогих функциональных устройств , таких как солнечные батареи 13 , светоизлучающие диоды 14 и тонкопленочные транзисторы 15.

Выполненное на заказ газовый коллектор AP-SALDВ работе использованы механически поддерживается над подложкой, находящегося на столе. Это позволило контролировать подложки-многообразие расстояния независимо от скорости потока газа. Использовали большое расстояние 50 мкм, что привело к перемешиванию между металлическим предшественником и окислителя в газовой фазе. Таким образом, реактор AP-SALD работал в режиме химического осаждения из паровой фазы (CVD). Это было установлено, что предпочтительно более , работающих в режиме ALD , так как пленки были выращены на более высокой скорости, но по- прежнему с высокой равномерностью по толщине и были кристаллическими , при осаждении на тех же температурах, ALD пленок. 12 При этом мы по- прежнему относятся к реактору , как реактор AP-SALD , потому что он имеет те же принципы , основные конструкции , как других реакторов AP-SÅLD. 11

Мы использовали наш реактор для осаждения п-типа слой для наших солнечных элементов, в частности , оксид цинка и оксид цинка магния (Zn 1-х Mg х O 16,17). Включение Mg IntO ZnO позволяет зоны проводимости быть настроены, что важно для снижения потерь из - за полосы хвоста термализации 13 и межфазного рекомбинации. 18,19

Здесь мы покажем, как настраивать условия для осаждения оксида цинка и цинка магния пленок оксида на термически окисленных подложках оксида одновалентной позволило улучшить качество интерфейса и, следовательно, более высокую производительность солнечных батарей, которые будут получены. Это улучшение стало возможным благодаря идентификации основных факторов, сдерживающих Cu 2 O на основе солнечных элементов: рекомбинации на границе раздела гетероперехода из - за чрезмерного образования оксида меди (CuO) на 2 O поверхности Cu.

Протокол

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

1. Получение оксида меди подложках

  1. Окисление медной фольги
    1. Вырезать 0,127 мм толщиной Cu фольги в 13 мм х 13 мм квадратов и чистых от обработки ультразвуком в ацетоне.
    2. Нагревают медной фольги до 1000 ° С при непрерывном потоке газа Ar через печь. Монитор окружающего газа в печи с газовым анализатором на протяжении окисления. Когда температура 1000 ° C достигается, вводить кислород в печь со скоростью потока, чтобы получить парциальное давление 10000 частей на миллион кислорода и держать, что в течение по крайней мере 2 часов. Через 2 часа выключить кислород, но держать газ Ar течет.
    3. Охладить печь до 500 ° С (держать газ Ar течет). Quench окисленных образцов путем быстрого вывода тиглей из печи. Dip субстратов в деионизированную воду, чтобы охладить их быстрее.
  2. Травление Cu 2 O
    1. Протравить одну сторону подложки путем многократного применениякаплю разбавленной азотной кислоты (1: 1 смесь H 2 O и 70% HNO 3) , чтобы удалить любой оксида двухвалентной меди с поверхности. Продолжить травления , пока не серая пленка не видна на поверхности Cu 2 O. ВНИМАНИЕ: Эта процедура выполняется в вытяжном шкафу.
    2. Сразу же после травления, промойте каждую подложку пленкой в ​​деионизированной воде, и разрушать ультразвуком в изопропаноле. Высушите воздушным пистолетом.
    3. Депозит 80 нм золота на протравленной стороне Cu 2 O подложки при испарении 1 г золота осадок помещают в вольфрамовой лодочке внутри сопротивления испарителя. Используйте базовое давление 8 × 10 -6 мбар и тока 4 А , чтобы достичь скорости испарения 0,8 А / сек.
    4. Протравите другую сторону подложки в разбавленной азотной кислоте путем нанесения капли кислоты на поверхность. Убедитесь, что кислота не разъедает золотой пленки на другой стороне. Промыть и гомогенат, как описано в разделе 1.2.2.
    5. Покрытие подложек с черной изоляционной краской (используйте высокотемпературную еngine эмаль) с помощью кисти, оставляя немаскированные площадь около 0,1 см 2 в качестве активной области солнечного элемента. Накройте золотой электрод на задней стороне с маркером полностью.

2. Депонирование Zn 1-х Mg х O Использование AP-SALD реактор

Примечание:.. Депозит Zn 1-х Mg х O пленок на немаскированный стороне Cu 2 O подложки 13 В данной работе был использован реактор на заказ AP-SALD, адаптированный от оригинального дизайна , разработанного Kodak 11,12 Подробнее реакторного настройки приведены в работе. 12.

  1. Настройка системы AP-SÅLD следующим образом:
    1. Используйте диэтилцинк (ДЕЗ) в качестве предшественника и бис (этилциклопентадиенил) магния Zn в качестве предшественника Mg. Они представляют собой жидкие предшественники каждый, содержащиеся в их отдельных стеклянных барботерах. Предшественники являются пирофорное и никогда не должны вступать в контакт с воздухом или водой. Система осаждения газонепроницаемой.
    2. Для осаждения оксида цинка, регулировать пузырящейся скорость газообразного азота через диэтилцинка до 25 мл / мин, который содержится при комнатной температуре (20 ° C). Для цинка осаждения оксида магния, регулировать газовую фракцию каждого предшественника путем установки скорости барботирования через диэтилцинка до 6 мл / мин и 200 мл / мин через бис (этилциклопентадиенил) магний (который нагревается до 55 ° С) для передачи управляющей информации Zn соотношение Mg в Zn 1-х Mg х О.
    3. Установка скорости потока газа-носителя азота для смеси предшественника металла до 100 мл / мин. Пузырь газообразный азот со скоростью 100 мл / мин через деионизированная вода, которая используется в качестве окислителя. Этот пар разбавляют носителем газообразного азота при 200 мл / мин.
    4. Поток газообразного азота со скоростью 500 мл / мин для газового коллектора. В газовом коллекторе АР-SÅLD, этот газообразный азот разделен на четыре отдельных канала. Каждый канал служит для пространственного разделения двух окислительных каналов из канала предшественника металла среднее между ними.
    5. Держите газовый коллектор при температуре 40 ° С с помощью циркулирующей воды. Нагрейте этап (перемещение стекла экспонирования) до требуемой температуры (50 - 150 ° C).
    6. Установите нужные образцы к голове расстояния, размер образца, скорость валика (50 мм / сек) и число колебаний (циклов) с программным обеспечением, контролирующим валиком. Скорость осаждения ZnO составляет 1,1 нм / с (или за один цикл) и Zn 1-х Mg х O осаждения Скорость составляет примерно 0,54 нм / с при 150 ° С. Типичное число циклов осаждения 200.
    7. Депозит желаемого оксида на стекле для 400 колебаний или до получения прозрачного толщиной однородную пленку можно увидеть.
    8. Поместите подложку на стеклянную маску, если требуется, а затем поместить его под газовым коллектором. Отрегулируйте головку (газовый коллектор) Высота до 50 мкм над подложкой.
    9. ЗАЛОГ Zn 1-х Mg х O пленки сначала путем открытия клапанов для предшественника барботер Mg, тогда предшественник барботер Zn, а затем начать MOVIнг оригиналодержателе под газовым коллектором, нажав кнопку "начать осаждение" в программном обеспечении. Открыть O барботер Н 2 только после сканирования подложки с 5 колебаний металлических предшественников, чтобы избежать Cu 2 O поверхности контакта с окислителем при нагревании.
    10. Когда осаждение завершено, удалите 2 O подложки Cu от нагретой плиты настолько быстро , насколько это возможно , и закрыть барботер клапаны металлических предшественников. Очистите каналы газа в коллекторе с лезвием, чтобы удалить осажденный порошок оксида. Начало следующего цикла осаждения, как это описано в пункте 2.6.
    11. По окончании продувки системы в течение 30 минут перед закрытием клапанов азота.

    3. Распыление ITO

    1. Ионно - плазменным напылением 175 нм оксида индия и олова (ITO) с помощью постоянного тока магнетронного распыления 20 при следующих условиях:. Мощность 20 Вт, базовое давление <10 -9 мбар, Аr под давлением 2,5 Па при скорости распыления 35 нм / мин, разбрызгивание ITO в течение 5 мин для толстой пленки ITO 175 нм. Полученный в результате ITO / ZnO / Cu 2 O Гетеропереходом показано на рисунке 3.

    4. Отделка устройств

    1. Очистите маркер перо из золотого электрода с ацетоном, чтобы выставить золотой электрод.
    2. Применить электрические контакты, прикрепляя 2 тонких проволок с Ag пасты на электроды ITO и Au.

Результаты

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

С термодинамической точки зрения , CuO является единственной стабильной фазой оксида меди на воздухе при комнатной температуре, так как диаграмма устойчивости Cu-O фазы показывает 21 - 23. Чтобы проверить наличие CuO на поверхности Cu 2 O, спектров поглощения протравленная и нетравленых термически окисленного Cu 2 O подложки были сделаны с фототермическая прогиб спектроскопии (ПДС) - высокочувствительный метод , который позволяет для поддиапазона измерения поглощения разрыва 24 (фигура 4). Оба спектров поглощения показали выше 1,4 эВ, что совпадает с шириной запрещенной зоны CuO до насыщения при 2 эВ (Cu 2 O ширина запрещенной зоны). Нетравленых субстрат имел более высокую абсорбцию ниже 2 эВ, что указывает на более толстый слой CuO на поверхности нетравленых Cu 2 O , чем на травлению подложки. На вставке на рисунке 4 показан серый слой CuO на ас-окисленного (нетравленых) Cu 2 O подложки. В то время какне серая пленка не может быть обнаружен визуально на травлению подложки, некоторые CuO все еще присутствовала на его поверхности, как следует из измерений PDS. Наличие очень тонкой пленки CuO на поверхности Cu 2 O подложки также была подтверждена с рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) 19,25. Оксид меди присутствует на 2 O поверхности Cu представляет ловушку состояния глубокого уровня (Cu 2+) 18 на границе раздела гетероперехода , которые могут выступать в качестве центров рекомбинации и, следовательно, наличие CuO на р - п перехода является нежелательным.

Отопление Cu 2 O субстратов в присутствии окислителей (например, воздуха и влаги) , способствует окислению Cu 2 O до CuO. Для получения поликристаллического ZnO ​​с помощью AP-SÅLD, подложки нагревают до 150 ° С. В качестве подложки выдерживают при повышенной температуре в открытом воздухе или под газа-окислителя в процессе осаждения, CuO быстро образуется на Cu рисунке 5 показано с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) изображения протравленной Cu 2 O подложки до и после проведения 3 мин на АР-SÅLD валике при 150 ° С в токе азота. Несколько выросты CuO можно увидеть на отожженном подложке, причем их состав является близким к CuO проверяемые энергодисперсионного рентгеновской спектроскопии (EDX).

Фотоэлектрические устройства были сделаны с ZnO , сданный на хранение AP-SÅLD при 150 ° С в течение 400 сек в верхней части протравленные термически окисленных Cu 2 O подложках. На фиг.6А показана поверхность этого стандартного устройства. Можно заметить многочисленные rod- и цветочные выросты, присутствующих в устройстве. Как было подтверждено ранее с EDX и ПДС, эти выросты оксида двухвалентной меди и происходят из - за Cu 2 O контакт с воздухом и окислителями. В таблице 1 и на рисунке 7 ( 'ZnO / Cu 2 O стандарт' CUrve) демонстрируют относительно низкую производительность этого устройства.

Для того , чтобы избежать образования CuO на поверхности O Cu 2, были оптимизированы условия для осаждения ZnO с помощью AP-SÅLD на протравленной термически окисленных Cu 2 O подложки. Следующие меры были приняты для того , чтобы свести к минимуму рост CuO: снижение температуры осаждения (8А); сокращение времени осаждения (рис 8b); сканирование поверхности подложки в течение нескольких колебаний без воздействия газообразного окислителя, т.е. только предшественников металлов и инертных каналов открыты (рис 8в); и , наконец, избежать ненужного нагрева обнаженных Cu 2 O субстратов в воздухе непосредственно перед началом осаждения. Были найдены оптимальные параметры осаждения ZnO на Cu 2 O , чтобы быть не менее 100 ° C, 100 сек и 5 безводных циклов. Поверхность оптимизированного устройства был свободен от CuO outgrowtHS, как это показано на фиг.6В. Плотность тока напряжения (СП) характеристика оптимизированного устройства ZnO / Cu 2 O по сравнению со стандартным устройством на рисунке 7. Производительность фотоэлектрической как стандартных , так и оптимизированных ZnO / Cu 2 O устройств представлена ​​в таблице 1. Это может видно, что, следуя четыре вышеупомянутых мер, шестикратное увеличение эффективности преобразования энергии устройств была достигнута.

Для дальнейшего выяснения влияния оптимизации условий АП-SÅLD о сокращении CuO и качества гетеропереход, измерения внешней квантовой эффективности (EQE) были выполнены на устройствах с ZnO , осажденных при 150 ° C и 100 ° C (рис 9). EQE спектры двух устройств, в то время как аналогичный при длинах волн выше 475 нм, значительно различались на длинах волн ниже 475 нм, что диапазон длины волны s впитывается близко к границе раздела. Для более коротковолновое излучение, то EQE устройства с ZnO из при более высокой температуре составляла менее половины, что устройства с ZnO из при более низкой температуре. Это говорит о том, что более оксид меди присутствовал на границе раздела 2 O ZnO / Cu проведены при более высокой температуре, что привело к снижению сбора заряда из области , близкой к гетеро- из - за повышенной рекомбинации.

Mg был включен в AP-SALD пленок оксида цинка для того , чтобы поднять зону проводимости ZnO и уменьшения рекомбинации еще 15. Zn 1-х Mg х O / Cu 2 O солнечные батареи были сделаны с оптимизированными Zn 0,8 Mg 0,2 O пленок, что приводит к 2,2% PCE устройства - солнечные батареи самая высокая на сегодняшний день для Cu 2 O основе с открытым небом сфабриковано гетеропереходов (см производительность устройства на рисунке 7 и в таблице 1).

Содержание "ВОК: Keep-together.within-страница =" 1 "> figure-results-1
Рисунок 1. Cu 2 O на основе эффективности солнечных батарей в год публикации (эта цифра была изменена из работы. 8). Маркеры указывают , был ли сформирован интерфейс в вакууме или в атмосфере (без вакуума) и метки указывают метод формирование гетеропереходом. MSP - магнетронного распыления, IBS - ионный пучок напыление, VAPE - вакуумно - дуговой плазмы испарения. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-2
Рисунок 2. Схема процесса осаждения AP-SÅLD ( по сравнению с обычными ALD) и установка для производства многокомпонентного металла быкаиды. (A) Последовательное воздействие каждого предшественника и продувки стадии в обычных ALD (дельта-легирования) (Эта цифра была воспроизведена из работы. 11). В контексте этой рукописи, М1 диэтилцинк пар, М2-бис (этилциклопентадиенил) паров магния, и O1 и O2 паров воды. (B) Последовательное воздействие смеси предшественника металла (со впрыском), газовые каналы инертных (эквивалент стадии «очистить») и окислителя в AP-SÅLD (Эта цифра была воспроизведена из работы. 11). (С) Схема общего реактора АР-SÅLD, показывая предшественников пространственно разделенных инертных газовых каналов, с подложкой колебались под различными каналами (эта цифра была воспроизведена с реф. 11, которая представляет собой модификацию от одного в работе. 26). (D) Обзор схема важных компонентов системы AP-SÅLD с атомно - силовой микроскопии (АСМ) изображения , показывающие морфологиисубстрат до и после того, как Zn 1-х Mg х O осаждения (Эта цифра была воспроизведена из работы. 13). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3. Поперечные SEM изображение ITO / ZnO / Cu 2 O Гетеропереходом (Эта цифра была воспроизведена из работы. 8). Защитное покрытие из Cu 2 O может наблюдаться субстрат с ZnO и ITO пленок. Пожалуйста , нажмите сюда , чтобы просмотреть увеличенная версия этой фигуры.

figure-results-4
Рисунок 4. PDS спектры гравированным и нетравленых (ас-OXI dized) Cu 2 O подложки (эта цифра была изменена из работы. 8). На вставках показаны фотографии протравленных и нетравленых закиси меди субстратов. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-5
Рисунок 5. СЭМ изображения поверхности подложки с Cu 2 O , когда (А) свеже травлению и (В) после отжига при 150 ° С на воздухе в течение 3 мин (эта цифра была воспроизведена из работы. 8). Вставках поверхность композиция приобрела с EDX. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

501 / 53501fig6.jpg "/>
Рисунок 6. СЭМ изображения поверхности ZnO / Cu 2 O солнечных элементов с использованием (А) стандартные условия и (В) Оптимизированные условия АП-SÅLD ZnO (Эта цифра была воспроизведена из работы. 8). Различные выросты могут быть видели в стандартном устройстве. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-6
Рисунок 7. СП Свет характеристики Zn 1-х Mg х O / Cu 2 O солнечные элементы , изготовленные при стандартных и оптимизированных условиях AP-SÅLD (эта цифра была изменена из работы. 8). Кривые СП демонстрируют улучшение производительности солнечной ячейки когда композиция и AP-SÅLD условия Zn 1-х Mg х O пленки оптимизированы.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-7
Рисунок 8. Влияние параметров AP-SÅLD об исполнении ZnO / Cu 2 O солнечных батарей. (А) и (В) Эффект AP-SALD ZnO времени осаждения и температуры на напряжение разомкнутой цепи (V ОЦ) устройств (эта цифра была воспроизведена из работы. 8), (C) корреляция водо- свободные циклы с V ОЦ устройств. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-8
Рисунок 9. EQE SpectrА ZnO / Cu 2 O солнечных элементов ZnO осаждается при температуре 100 ° C и 150 ° C. (Эта цифра была воспроизведена из работы. 8). Напряжение холостого хода устройств указывается в условных обозначениях. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Солнечная батарея Температура осаждения, ° C Время осаждения, сек J подкожно, мА / см 2 V ос, V FF,% PCE,%
ZnO / Cu 2 O Стандартный 150 400 3.7 0,18 35 0,23
ZnO / Cu 2 O Оптимизированный 100 100 7.5 0,49 40 1,46
Zn 0,8 Mg 0,2 / Cu 2 O Оптимизированный 150 100 6.9 0,65 49 2.20

Таблица 1. Стандартные и оптимизированные AP-SALD Zn 1-х Mg х O осаждения параметры и характеристики лучшего соответствующего ITO / Zn 1-х Mg х O / Cu 2 O солнечных элементов (Эта таблица была изменена из работы. 8) . J SC - короткого замыкания плотность тока, FF - коэффициент заполнения.

Обсуждение

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

Критические шаги в рамках протокола обусловлены Cu 2 O к окислению поверхности подложки CuO. К ним относятся травление подложки в разбавленной азотной кислоте , чтобы удалить любую CuO после окисления, а также после испарения золотого электрода, сводя к минимуму время подложек проводят в открытом воздухе перед Zn 1-x Mg X O осаждения и , наконец, осаждение Zn 1-х Mg х O на Cu 2 O подложках AP-SÅLD.

Преимущество AP-SÅLD по сравнению с обычными ALD является то, что фильмы можно выращивать вне вакуума с темпом роста, который один-два порядка выше. Тем не менее, это означает , что подложки Cu 2 O должны подвергаться воздействию окислителей в воздухе при повышенной температуре , по меньшей мере , непосредственно перед осаждением, что является достаточным для тонкого слоя CuO , чтобы сформировать на поверхности. Это по-видимому, ограничивает применение метода АП-SÅLD до некоторой чувствительных к окислению Материилевая сторона Тем не менее, за счет оптимизации условий АП-SÅLD , такие как температура и время, а также сведение к минимуму Cu 2 подвергание O для воздуха и влаги, шестикратное увеличение КПД преобразования ZnO / Cu 2 O устройства , изготовленные с использованием AP-SÅLD была достигнута , Улучшение пришли из понимания того, что Cu 2 O к окислению CuO является основным ограничивающим фактором оксида меди в качестве материала в гетеропереходной солнечных элементов и модификации протокола изготовления соответственно.

Для того, чтобы полностью избежать окисления закиси меди, подложки должны храниться в инертной атмосфере или в вакууме все время, которое может быть сложной задачей при использовании метода осаждения на открытом воздухе, таких как AP-SÅLD. В то время как окисление Cu 2 O избегается в вакуумной техники на основе 3,18, для крупномасштабного производства, важно , что эта проблема может быть сведена к минимуму в процессах атмосферных изготовления. В AP-SÅLD, поверхность подложки может быть подверженавосстановителей до образования гетеро- и уравновешивая окисления Cu 2 O с уменьшением CuO с помощью формирующего газа в процессе осаждения оксида п-типа. 25 Восстанавливающий агент , используемый в AP-SÅLD может быть смесь инертного газа с восстанавливающим газом (например, N 2 + 5% Н 2 25), или число циклов с восстанавливающим предшественника перед осаждением, то есть, безводные циклы, с тем чтобы уменьшить CuO обратно в Cu 2 O непосредственно перед тем , оксид ZnO , начинает расти на его поверхности.

В этой работе, стандартный протокол был разработан , что сводит к минимуму образование CuO , оптимизируя этапы изготовления из Cu 2 O обработки и травления для формирования р - п - перехода от AP-SÅLD под открытым небом. Успех этой работы демонстрирует потенциал AP-SÅLD как перспективный метод для применения в дешевых и масштабируемых фотоэлектрических устройств. Этот метод может быть использован для быстрого Deposition из множества n- и р-типа оксидов металлов полупроводниковая, а также блокирование, буфера и барьерных слоев в солнечных элементах на термочувствительных подложек, включая пластмассы.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

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

Авторы выражают признательность за поддержку Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, Rutherford Foundation of New Zealand, Girton College Cambridge. Эта работа была профинансирована грантом ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 и EPSRC (под RGS3717).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Медная фольгаAvocado Research Chemicals Ltd T/A Alfa Aesar13380толщиной 0,127 мм, 99,9% (металлическая основа), отожженный
Rapidox Анализатор кислородаRapidoxModel 2100
Глиноземная лодкаAlmath Crucibles LTD6121203Размеры 20 мм x 50  мм x 5  мм
Золотые окатышиKJLCEVMAUXX40G99,99% чистоты, 1/8" x 1/8", продаются по грамму
DiethylzincAldrich256781≥ 52 мас. % Zn на основе
бис(этилциклопентадиенил)магнияStrem Chemicals UK12-05105 г
мишени ITOGoodFellow Cambridge LimitedLS 427438индия/оксида олова (In2O3 90 / SnO2 10). Состояние: Горячего прессования. Толщина: 2,0  мм ± 0,5 мм. Размер: 35,5  мм x 55,5  мм ± 0,5  мм
VHT моторная эмалькраска Halfords325019очень высокотемпературная моторная эмаль черная краска
азотная кислота HNO3, реагент ACS 70% Sigma-Aldrich Co Ltd438073-2.5LВредное, раздражающее вещество
2% кислорода/аргона 200 барBOC Limited225757-LГазовая смесь для окисления медной фольги, разбавляемая Ar
мишень оксида

Ссылки

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

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Zn1 xMgxOCu2OCu2OZnO Cu2O

Похожие статьи