여기에 우리가 합성 프로토콜을 제시 아연 1-X 마그네슘 X O / 구리 구리 산화물에 아연 1-X 마그네슘 X O의 대기압 공간 원자 층 증착 (AP-SALD)을 통해 낮은 온도에서 야외에서 2 O 이종 접합. 이러한 고품질의 균일 한 금속 산화물이 저렴하고 확장 가능한 방법으로 플라스틱을 포함한 다양한 기판 상에 성장 될 수있다.
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 substrates outside vacuum at low temperature. The performance of photovoltaic devices featuring atmospherically fabricated ZnO/Cu2O heterojunction was dependent on the conditions of AP-SALD film deposition, namely, the substrate temperature and deposition time, as well as on the Cu2O substrate exposure to oxidizing agents prior to and during the ZnO deposition. Superficial Cu2O to CuO oxidation was identified as a limiting factor to heterojunction quality due to recombination at the ZnO/Cu2O interface. Optimization of AP-SALD conditions as well as keeping Cu2O away from air and moisture in order to minimize Cu2O surface oxidation led to improved device performance. A three-fold increase in the open-circuit voltage (up to 0.65 V) and a two-fold increase in the short-circuit current density produced solar cells with a record 2.2% power conversion efficiency (PCE). This PCE is the highest reported for a Zn1-xMgxO/Cu2O heterojunction formed outside vacuum, which highlights atmospheric pressure spatial ALD as a promising technique for inexpensive and scalable fabrication of Cu2O-based photovoltaics.
산화 구리 (Cu를 2 O)는 지구 풍부한 무독성 p 형 반도체 재료 (1)이다. 이 EV의 밴드 갭, 산화 구리는 이종 또는 직렬 태양 전지의 광 흡수의 역할을 수행 할 수있다. 이종 접합 태양 전지에서의 Cu 2 O가 더 들어 (a 다양 n 형 큰 밴드 갭 예 O 3 5,6- ZnO의 2의 도핑 된 변형 3,4- 조지아이 같은 반도체 및 티오 2~7와 결합하는 것으로 알려져있다 구리 2 O 태양 전지에 대한 자세한 개요를 참조 참조. 8). Cu를 2 O 기반 이종 접합 태양 전지의 개발은 헤테로 접합을 합성하는 방법은 다음의 각 데이터 포인트에 표시되어도 1에 제시된다. 하나는 (6.1 % 9까지) 달성 될 그러한 펄스 레이저 증착 (PLD) 또는 더 높은 전력 변환 효율을 허용 원자 층 증착 (ALD)과 같은 저 진공 기반 방법을 참고 할 수있다. 공동의ntrast, 이러한 전기 화학적 증착 (ECD)와 같은 비 진공 합성 방법에 대한 효율이 낮은 남아있다. 그러나, 저비용 태양 전지 것은 진공 외부 헤테로를 합성하는 것이 좋다. 이종 접합을 형성하는 진공없는 확장 방법이보다 적합한 대안이 있지만, 이러한 방법에 의해 고품질의 인터페이스를 생성하기 어려운 남아있다. Cu를 2 본 연구에서 우리는 야외 활용 공간적 원자 층 증착 (AP-SALD) 대기압 불리는 확장 박막 증착 공정이 성장 된 n 형 산화물 태양 전지 O를 계. 기존의 ALD를 통해 AP-SALD의 발전은 이전에, 전구체 공간에서 시간이 아닌 10에서 분리되어 있다는 것입니다. 증착 프로세스 동안, 기판은 전후도 2에 도시 된 바와 같이, 불활성 가스의 채널로 구분하여 전구체 가스 채널을 포함하는 가스 매니 폴드하에 가열 정반에 진동. precurs 운반 질소 가스를ORS 아래 측 방향으로 움직이는 압반을 향해 가스 매니 폴드를 통해 수직으로 흐른다. 도 2에 도시 된 바와 같이, 플래 튼의 진동으로 인해, 기판상의 각 지점은 순차적 산화제와 금속 전구체에 노출된다.이 층에서 층을 성장하는 금속 산화물 막을 수있다. AP-SALD 반응기 설계 및 동작의 상세한 설명은 다른 곳에서 발견 될 수있다. (11, 12)이 방법은 증착 속도 롤 – 투 – 롤 처리와 호환되는 통상적 인 ALD 외부 진공보다 크기 1 ~ 2 명령을 발생할 수 있도록 . AP-SALD 제조 고품질 등각 산화막은 태양 전지 (13)를 저비용 기능 소자에 적용 할 수 AP-SALD 막을 수 플라스틱을 포함한 다양한 기판 상에 (<150 ° C) 저온에서 증착 될 수있다 발광 다이오드 (14) 및 박막 트랜지스터 (15).
사용자 정의 만든 AP-SALD 가스 매니 폴드이 작품에 사용되는 기계적 플래 튼에 배치 된 기판 위에 유지 하였다. 이 가스 유량 기판 매니 폴드 간격 독립적 제어를 허용했다. 50 ㎛의 큰 간격은 기상에서 금속 전구체와 산화제 사이의 상호 혼합 된 결과를 사용 하였다. 따라서, AP-SALD 반응기는 화학 기상 증착 (CVD) 방식으로 작동시켰다. 필름을 더 높은 속도로 성장하고, 여전히 높은 두께 균일 성 및 ALD 박막과 동일한 온도에서 증착 될 때 결정했다 않았기 때문에 이는 ALD 모드에서 동작 유리한 것으로 밝혀졌다. (12) 여기에서, 우리는 아직도 같이 반응기 참조 그것은 다른 AP-SALD 반응기와 같은 기본적인 설계 원칙이있다 때문에 AP-SALD 반응기. 11
우리는 특히 아연, 산화 아연, 산화 마그네슘, 우리의 태양 전지의 n 형 층을 증착하기 위해 반응기를 사용하여 (1-X 아연 마그네슘 X O 16,17). 마그네슘의 INT를 통합O의 ZnO 인해 밴드 테일 thermalization 13 계면 재결합 손실을 감소시키는 것이 중요하다, 전도대가 튜닝 될 수있다. (18, 19)
여기에서는 얻어지는 개선 된 인터페이스에 대해 허용 열 산화 구리, 산화 기판, 따라서 더 태양 전지의 성능에 대한 산화 아연, 산화 아연 마그네슘 산화막을 증착하기위한 조건을 조정하는 방법을 도시한다. 기인의 Cu 2 O 표면에 산화동 (CuO가)의 과도한 형성을 헤테로 접합 계면에서 재결합이 개선의 Cu 2 O 계 태양 전지의 주요 제한 요소의 식별을 가능하게 하였다.
프로토콜 내에서 중요한 단계는 CuO가 기판 표면에 산화 구리 O 2에 의해 규정된다. 이러한 마지막 시간 기판은 아연 1-X 마그네슘 X O 증착 전에 공기 중에 지출 최소화 산화 후뿐만 아니라 금 전극을 증착 한 후 임의의 CuO를 제거하기 위해 희석 된 질산의 기판의 에칭 및 증착을 포함 ZN 1-X 마그네슘 X O 구리 2 AP-SALD에 의해 O 기판.
종래의 ALD에 비해 AP-SALD의 장점은 필름의 크기보다 1 ~ 2 오더 인 성장률 진공 밖에 성장할 수 있다는 것이다. 그러나이 경우의 Cu 2 O 기판이 적어도 단지 박막의 CuO 층이 표면에 형성하기에 충분한 증착 전에 승온에서 공기 중에서 산화제에 노출 될 필요가 있다는 것을 의미한다. 이것은 겉보기에 약간의 산화에 민감한 본초에 AP-SALD 방법의 적용을 제한LS. 그러나, 이러한 온도 및 시간 등의 AP-SALD 조건을 최적화 할뿐만 아니라, 공기 및 습기의 Cu 2 O 노출을 최소화함으로써, ZnO의 / 구리 2 O 장치의 변환 효율의 6 배의 증가가 달성되었다 AP-SALD를 사용하여 제조 . 개선은 CuO를 산화 구리로 2 O 구리 이종 접합 태양 전지의 재료로서 산화 따라서 제조 프로토콜을 수정하는 주요 제한 요인이다 이해에서왔다.
완전히 산화 구리의 산화를 방지하기 위해, 기판은 AP-SALD 같이 노천 증착 기술을 채용 할 때 어려울 수 항상 불활성 분위기 또는 진공에서 유지되어야한다. Cu를 2 O의 산화가 대규모 생산 진공 기반 기술 3,18에서 피할 수 있지만,이 문제는 대기 제조 공정에서 최소화 될 수 있다는 것이 중요하다. AP-SALD에서, 기판 표면에 노출 될 수있다헤테로 계면을 형성하기 전에, n 형 산화물의 증착 동안 형성 가스를 이용하여의 CuO의 환원로의 Cu 2 O의 산화 균형을 환원제. 25 환원제가 될 수있는 AP-SALD에 사용 환원 가스 (예를 들어, N은 2 + 5 % H 2 (25)), 또는 증착 이전에 환원 전구체 사이클의 개수, 즉, 물이없는 사이클이 순서에 위로의 CuO를 줄이기와 불활성 가스의 혼합물을 Cu를 2 O의 ZnO의 산화물은 그 표면에 성장하기 시작 직전.
이 연구에서, 표준 프로토콜은 노천 SALD-AP에 의해 pn 접합 형성의 Cu 2 O 처리 및 에칭의 제조 공정을 최적화의 CuO의 형성을 최소화하는 개발되었다. 이 작품의 성공은 저렴하고 확장 가능한 태양 광 장치의 응용 프로그램에 대한 유망한 방법으로 AP-SALD의 가능성을 보여줍니다. 이 기술은 고속 depos 사용될 수있다N- p 형 반도체 금속 산화물의 다양한 ition뿐만 아니라 차단 버퍼 및 플라스틱을 포함 감열 기판 상에 태양 전지 장벽 층.
The authors have nothing to disclose.
The authors acknowledge the support of the Cambridge Overseas and Commonwealth Trust, the Rutherford Foundation of New Zealand, Girton College Cambridge. This work has been funded by ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 and by the EPSRC (under RGS3717).
Copper foil | AVOCADO RESEARCH CHEMICALS LTD T/A ALFA AESAR | 13380 | 0.127 mm thick, annealed, 99.9% (metals basis), annealed |
Rapidox Oxygen analyzer | Rapidox | Model 2100 | |
Alumina boat | ALMATH CRUCIBLES LTD | 6121203 | Dimensions 20 mm x 50 mm x 5 mm |
GOLD PELLETS | KJLC | EVMAUXX40G | 99.99% PURE 1/8" X 1/8", SOLD BY THE GRAM |
Diethylzinc | ALDRICH | 256781 | ≥52 wt. % Zn basis |
Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium | Strem Chemicals UK | 12-0510 | 5g |
ITO target | GoodFellow Cambridge Limited | LS 427438 | Indium Oxide/Tin Oxide target (In2O3 90 / SnO2 10), Condition : Hot-pressed, Thickness : 2.0mm +/-0.5mm, Size : 35.5mm x 55.5mm +/-0.5mm |
VHT engine enamel paint | Halfords | 325019 | very high temperature engine enamel black paint |
Nitric acid HNO3, ACS reagent 70% | Sigma-Aldrich Co Ltd | 438073-2.5L | Harmful, irritant |
2 % Oxygen/Argon 200 bar | BOC Limited | 225757-L | gas mixture for Cu foil oxidation, to be diluted with Ar |