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

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.

Общая цель этой процедуры заключается в получении высококачественной границы раздела в гетеропереходах оксида оксида цинка, синтезированных вне вакуума. Это достигается за счет осаждения пространственного атомного слоя при атмосферном давлении или AP-SALD пленок оксида цинка на термически окисленную закись меди. Атмосферная пространственная ALD — это метод оксидной печати, который позволяет наносить конформные оксидные пленки с точным контролем толщины в их собственном двойном совместимом процессе при атмосферном давлении и низкой температуре.

Наша пространственная система ALD атмосферного давления идеально подходит для быстрого синтеза высококачественных, однородных, кристаллических, многокомпонентных оксидов металлов для электроники, как было продемонстрировано на примере оксида цинка и магния в этой работе. Сначала разрежьте медную фольгу толщиной 0,127 миллиметра на квадраты размером 13 на 13 миллиметров и очистите ультразвуком в ацетоне. Высушите квадраты из медной фольги с помощью пневматического пистолета, чтобы удалить остатки ацетона.

Затем поместите высушенные подложки в алюминиевый тигель и поместите тигель в печь. Нагрейте квадраты медной фольги до 1 000 градусов Цельсия непрерывным потоком аргона. Контролируйте газовую среду в печи с помощью газоанализатора на протяжении всего окисления.

Когда температура достигает 1000 градусов по Цельсию, введите кислород в печь со скоростью потока, чтобы получить парциальное давление кислорода 10 000 частей на миллион, и поддерживайте не менее двух часов. Через два часа выключите подачу кислорода. При подаче газообразного аргона охладите печь до 500 градусов Цельсия.

Измельчайте окисленные подложки путем быстрого извлечения тиглей из печи. Затем опустите их в деионизированную воду для охлаждения. Затем протравите одну сторону подложки, многократно нанеся каплю разбавленной азотной кислоты, чтобы удалить оксид меди с поверхности.

Продолжайте травление до тех пор, пока на поверхности оксида меди не будет видна серая пленка. Сразу после травления промыть каждую подложку в деионизированной воде и обработать ультразвуком в изопропаноле, затем высушить подложки с помощью пневматического пистолета. После нанесения золота на протравленную сторону подложек протравите другую сторону подложек в разбавленной азотной кислоте, нанеся каплю кислоты на поверхность, следя за тем, чтобы не травить золотой электрод с другой стороны.

После промывки и высыхания подложек покройте их черной изоляционной краской с помощью кисти, оставив незамаскированную область площадью примерно 0,1 сантиметра в квадрате в качестве активной площади солнечного элемента. Накройте золотой электрод с тыльной стороны маркером. После настройки реактора AP-SALD отрегулируйте скорость барботирования через предшественник диэтилцинка до 6 миллилитров в минуту и 200 миллилитров в минуту через предшественник магния, чтобы нанести оксид цинка и магния.

Далее установите скорость потока газообразного азота для смеси предшественников металлов равной 100 миллилитров в минуту и пузырькового азота через деионизированную воду, которая служит окислителем, разбавленным газообразным азотом, протекающим со скоростью 200 миллилитров в минуту. Теперь подайте азот со скоростью 500 миллилитров в минуту в газовый коллектор. Поддерживайте температуру газового коллектора при температуре 40 градусов Цельсия с помощью циркуляции воды.

Затем нагрейте столик или движущуюся плиту до нужной температуры. Установите размер образца, скорость рабочей поверхности и количество колебаний с помощью программного обеспечения, управляющего рабочей поверхностью. Нанесите нужный оксид на предметное стекло в течение 400 колебаний или до тех пор, пока не будет видна четкая, толстая, однородная пленка.

После осаждения поместите субтрат на стеклянную маску и поместите ее под газовый коллектор. Отрегулируйте высоту напора или газового коллектора на высоте 50 микрометров над подложкой. Нанесите пленки оксида цинка и магния, открыв сначала клапан для барботера с предшественником магния, а затем клапан для барботера с предшественником цинка.

Затем начните перемещать плиту под газовым коллектором, нажав кнопку «Начать осаждение» в программном обеспечении. Открывайте водяной барботер только после сканирования подложки пятью колебаниями металлических прекурсоров, чтобы избежать воздействия окислителя на поверхность закиси меди при нагревании. Когда осаждение будет завершено, как можно быстрее снимите подложку с нагретой плиты и закройте клапаны барботеров прекурсоров металлов.

Очистите газовые каналы в коллекторе с помощью лезвия, чтобы удалить отложенный оксидный порошок. Важно свести к минимуму время, которое протравленные подложки из закиси меди проводят на открытом воздухе на нагретой плите, так как рост закиси меди на поверхности ускоряется с температурой. После распыления оксида индия и олова на подложки удалите маркер с золотого электрода с ацетоном, чтобы обнажить электрод.

Наконец, приклейте электрические контакты, приклеив два тонких провода с серебряной пастой к электродам оксида индия, олова и золота. Спектры фототермического отклонения протравленных и непротравленных подложек из оксида меди показывают поглощение выше 1,4 электронвольт перед насыщением при напряжении в два электрон-вольта, что можно объяснить присутствием оксида меди на поверхности подложки. Нетравленая подложка имеет более высокое поглощение ниже двух электронвольт, что предполагает более толстый слой оксида меди на поверхности.

Наличие наростов оксида меди на подложках из закиси меди верифицировано методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. На СЭМ-изображении поверхности стандартного фотоэлектрического элемента видны наросты оксида меди, образовавшиеся из-за воздействия закиси меди на воздух и окислители. В отличие от этого, поверхность оптимизированного устройства не содержит наростов оксида меди.

Шестикратное повышение эффективности установки было достигнуто за счет оптимизации условий осаждения оксида цинка. Устройства с оптимизированными пленками оксида цинка и магния показали еще более высокую эффективность — 2,2 процента. Внешние спектры квантовой эффективности двух устройств различаются ниже 475 нанометров, что является диапазоном длин волн, поглощаемых вблизи границы раздела.

Внешняя квантовая эффективность гетероперехода, полученного при более высокой температуре, составляет менее половины от эффективности гетероперехода с более низкой температурой, что предполагает более низкое качество границы раздела из-за большего количества оксида меди. Оптимизация условий роста оксида цинка атмосферным ALD для термически окисленного оксида меди позволила улучшить качество гетеропереходных границ раздела и производительность солнечных элементов. Та же стратегия оптимизации может быть применена к электрохимически осажденным солнечным элементам на основе оксида меди.

Мы атмосферно осаждали кристаллический оксид цинка и магния на оксид меди для увеличения напряжения холостого хода в гетеропереходных солнечных элементах. В этой работе сообщается о самой высокой на сегодняшний день эффективности в 2,2 процента для гетеропереходов оксида меди, полученных вне вакуума.