Summary
Her presenterer vi en protokoll for å syntetisere Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O heterojunctions i friluft ved lav temperatur via atmosfærisk trykk romlig Atomic Layer Deposition (AP-SALD) av Zn 1-x Mg x O på kobberoksid. Slike høykvalitets konforme metalloksider kan dyrkes på en rekke underlag, inkludert plast av dette billig og skalerbar metode.
Introduction
Kuprooksyd (2 Cu O) er et jord-rik ikke-toksiske p-type halvledermateriale en. Med et band gap av 2 eV, kan kobberoksid fylle rollen som lys absorber i hetero eller tandem solceller. I hetero solceller blir Cu 2 O kjent for å være sammen med en rekke n-type store band gap halvledere som ZnO 2 og dets dopede variasjoner 3,4, Ga 2 O 3 5,6 og TiO 2 7 (For en mer detaljert oversikt på Cu 2 O solceller se Ref. 8). Utviklingen av Cu 2 O basert hetero-solceller er presentert i figur 1, hvor fremgangsmåten for syntetisering av heterojunction er indikert ved siden av hvert datapunkt. Man kan merke seg at vakuumbaserte metoder som pulserende laser nedfall (PLD) eller atom lag deponering (ALD) er tillatt for høyere makt konvertering effektivitet skal oppnås (opp til 6,1% 9). i contrast, har effektiviteten for ikke-vakuum syntesemetoder som elektrokjemisk nedfall (ECD) holdt seg lav. Men for lavkost solceller er det bedre å syntetisere hetero utenfor et vakuum. Mens et vakuum-fri, skalerbar teknikk av hetero-dannelsen er en mer egnet alternativ, er det fortsatt vanskelig å fremstille et grensesnitt med høy kvalitet ved hjelp av slike fremgangsmåter. I dette arbeidet benytter vi en åpen, til skalerbar tynn film deponering prosess som kalles atmosfærisk trykk romlig Atomic Layer Deposition (AP-SALD) vokser n-type oksider for Cu 2 O baserte solceller. Fremme av AP-SALD over konvensjonelle ALD, er at i det førstnevnte, er forløpere adskilt i rommet i stedet for i tid ti. Under avsetningsprosessen, svinger et substrat frem og tilbake på en -temperatur under en gass-manifold som inneholder forløper-gasskanalene adskilt av inerte gasskanalene, som vist i figur 2. Nitrogengassen som bærer precursORS flyter vertikalt gjennom gassanlegget ned mot sideveis bevegelse platen. På grunn av svingninger av platen, er hvert punkt på substratet i rekkefølge utsettes for oksideringsmidlet og metallforløpere, som illustrert i figur 2. Dette gir metalloksidfilmen å vokse lag på lag. En detaljert beskrivelse av AP-SALD reaktor design og drift kan finnes andre steder. 11,12 Denne tilnærmingen gjør at deponering skal skje en til to størrelsesordener raskere enn konvensjonelle ALD og utenfor vakuum, som er kompatibel med rull-til-rull behandling . Høy kvalitet konforme oksid filmer produsert av AP-SALD kan deponeres ved lave temperaturer (<150 ° C) på en rekke underlag inkludert plast, noe som gjør at AP-SALD filmer som skal brukes til lavkost funksjonelle enheter som solceller 13 , lysemitterende dioder 14 og tynnfilmtransistorer 15.
Den skreddersydde AP-SALD gassentralenbrukt i dette arbeidet ble mekanisk opprettholdt over underlaget lagt på glassplaten. Dette tillot kontroll av substrat-manifold avstanden uavhengige av gass-strømningshastigheter. En stor avstand på 50 um ble anvendt, noe som resulterte i sammenblanding mellom metallforløperen og oksidant i gassfasen. Derfor ble AP-SALD reaktoren brukes i kjemisk dampavsetning modus (CVD). Dette ble funnet å være fordelaktig over operasjonelle i ALD modus fordi filmene ble dyrket på en høyere rente, men fortsatt med høy tykkelse ensartethet og var krystallinsk når deponeres på samme temperaturer som ALD filmer. 12 Heri vi fortsatt vise til reaktoren som en AP-sALD reaktoren fordi den har de samme grunnleggende design prinsipper som andre AP-sALD reaktorer. 11
Vi brukte vår reaktoren for å avsette det n-type lag for våre solceller, spesielt sinkoksyd og sink magnesiumoksyd (Zn 1-x x O Mg 16,17). Innlemming Mg into ZnO gjør at ledningsbåndet for å være innstilt, noe som er viktig for å redusere tap som følge av bånd hale termalise 13 og grenseflate-rekombinasjon. 18,19
Her vises hvordan innstiller betingelsene for avsetning av sinkoksyd og sink-magnesium-oksid filmer på termisk oksydert kobberoksid substrater som er tillatt for forbedret grensesnitt kvalitet og dermed bedre solcelle ytelse skal oppnås. Denne forbedring ble gjort mulig ved identifikasjon av det viktig begrensende faktor i Cu 2 O basert solceller: rekombinasjon ved heterojunction grensesnitt på grunn av en overdreven dannelse av kopper-II-oksyd (CuO) på Cu 2 O overflate.
Protocol
1. Utarbeidelse av kobberoksid Underlag
- Oksidasjon av kobber folie
- Skjær 0,127 mm tykk Cu folie i 13 mm x 13 mm torg og rene ved sonicating i aceton.
- Varm opp kobberfolie til 1000 ° C under kontinuerlig strømmende Ar gass gjennom ovnen. Overvåk gass omgivelses i ovnen med en gass-analysator gjennom oksidasjon. Når temperaturen til 1000 ° C er nådd, å innføre oksygen til ovnen ved en strømningshastighet for å oppnå 10 000 ppm oksygen-partialtrykk og holde det i minst 2 timer. Etter 2 timer, slå av oksygen, men beholde Ar gass strømmer.
- Kjøl ned ovnen til 500 ° C (holde Ar gass strømmer). Slukke de oksyderte prøvene ved rask tilbaketrekking av diglene fra ovnen. Dypp substrater til avsaltet vann for å kjøle dem raskere.
- Etsing av Cu 2 O
- Etse en side av substratene ved gjentatte ganger å påføreen dråpe fortynnet salpetersyre (1: 1 blanding av H2O og 70% HNO 3) for å fjerne eventuelle kopper-II-oksyd fra overflaten. Fortsett etsning inntil ingen grå film er synlig på Cu 2 O overflaten. ADVARSEL: Denne prosedyren utføres i et avtrekksskap.
- Umiddelbart etter etsning, skyll hvert substrat i avionisert vann og sonikere i isopropanol. Tørk med en luftkanon.
- Innskudd 80 nm gull på den etsede side av Cu 2 O substrater ved inndamping av en 1 g gull pellet plasseres i en wolfram båt inne i en motstand fordamper. Bruk basen presset 8 x 10 -6 mbar og strøm på 4 A for å komme til fordampingen av 0,8 Å / sek.
- Etse den andre siden av substratene i fortynnet salpetersyre ved påføring av en dråpe syre på overflaten. Pass på at syren ikke etser den gylne film på den andre siden. Skyll og sonicate som beskrevet i avsnitt 1.2.2.
- Dekk substrater med en svart isolerende maling (bruke høy temperatur engine emalje) ved hjelp av en pensel, og etterlater et umaskert område på ca 0,1 cm 2 som det aktive området av solcellen. Dekk den gylne elektrode på baksiden med en tusj helt.
2. Å sette Zn 1-x Mg x O Bruke AP-SALD Reactor
Merk:.. Depositum Zn 1-x Mg x O filmer på umaskerte siden av Cu 2 O underlag 13 I dette arbeidet ble en skreddersydd AP-SALD reaktoren brukes, tilpasset fra den opprinnelige design utviklet av Kodak 11,12 Detaljer av reaktoren tilpasning er gitt i Ref. 12.
- Sette opp AP-SALD systemet som følger:
- Bruk dietylsink (DEZ) som forløper Zn og bis (etylcyklopentadienyl) magnesium som Mg-forløperen. Disse er flytende forløpere hvert som finnes i hver sin glass bubblers. Forløperne er pyrofort og bør aldri komme i kontakt med luft eller vann. Avsetning system er gasstett.
- For sinkoksyd avsetning, justere den boblende hastigheten av nitrogengass gjennom dietylsink til 25 ml / min, som er inneholdt ved romtemperatur (20 ° C). For sink magnesiumoksyd avsetning, justere gassfraksjonen av hver forløper ved å sette den boblende hastigheten gjennom dietylsink til 6 ml / min og 200 ml / min gjennom bis (etylcyklopentadienyl) magnesium (som er oppvarmet til 55 ° C) for å styre til Zn til Mg-forholdet i den Zn 1-x x Mg O.
- Angi strømningshastigheten av den nitrogenbæregass for metallet utgangsblandingen til 100 ml / min. Boble nitrogengass ved 100 ml / min gjennom avionisert vann, som anvendes som oksydasjonsmiddel. Denne dampen blir fortynnet med nitrogenbærergassen som strømmer på 200 ml / min.
- Strømningsnitrogengass ved 500 ml / min til gassmanifolden. I AP-SALD gassmanifold, er dette nitrogengass delt i fire separate kanaler. Hver kanal tjener til å skille de to romlig oxidant kanaler fra metall forløper blanding kanal mellom dem.
- Hold gassmanifolden ved en temperatur på 40 ° C via sirkulerende vann. Varm opp scenen (bevegelig plate) til den ønskede temperatur (50 - 150 ° C).
- Still inn ønskede sample-to-head avstand, utvalgsstørrelse, plate hastighet (50 mm / sek) og antall svingninger (sykluser) med programvaren kontrollere platen. ZnO avsetningshastigheten er 1,1 nm / sek (eller per syklus) og Zn 1-x Mg x O avsetningshastigheten er omtrent 0,54 nm / sek ved 150 ° C. En typisk rekke deponering sykluser er 200.
- Avsette den ønskede oksyd på et objektglass for 400 oscillasjoner eller inntil en klar tykk homogen film kan sees.
- Plasser underlaget på et glass maske om nødvendig, og deretter plassere den under gassmanifold. Juster hode (gass manifold) Høyde til 50 mikrometer over underlaget.
- Depositum Zn 1-x Mg x O filmer av første åpne ventilene for Mg forløper bubbler, så Zn forløper bubbler, og deretter starte moving av platen under gassmanifold ved å klikke på "start deponering" i programvaren. Åpne H 2 O bobleren kun etter skanning av substratet med 5 svingninger av metallforløpere for å unngå Cu 2 O overflate utsettes for den oksyderende mens oppvarmet.
- Når avsetningen er ferdig, fjernes Cu 2 O substrater fra den oppvarmede platen så raskt som mulig og lukke bobleren ventilene på de metall forløpere. Rens gasskanalene i manifolden med et blad for å fjerne avsatt oksidpulver. Start neste avsetningssyklus som beskrevet i 2.6.
- Når ferdig, tømme systemet i 30 minutter før stenging av ventilene nitrogen.
3. Sputtering av ITO
- Frese 175 nm av indium tinn oksid (ITO) ved likestrøm sputtering 20 på følgende vilkår:. Effekt 20 W, sokkel trykk <10 -9 mbar, Ar press 2,5 Pa På en sputtering rate på 35 nm / min, frese ITO i 5 minutter for en 175 nm tykk film ITO. Den resulterende ITO / ZnO / Cu 2 O heterojunction er vist på figur 3.
4. Etterbehandling av enhetene
- Rengjør tusj fra gullet elektroden med aceton for å avsløre den gylne elektroden.
- Påfør elektriske kontakter ved å stikke 2 tynne ledninger med Ag lim inn ITO og Au elektroder.
Representative Results
Termodynamisk er CuO den eneste stabile fase av kobberoksyd i luft ved RT, som Cu-O-fase stabilitetsdiagram som viser 21 - 23. For å verifisere tilstedeværelse av CuO på overflaten av Cu 2 O, absorpsjonsspektra av den etsede og unetched termisk oksydert Cu 2 O substrater ble tatt med fototermiske avbøyning spektroskopi (PDS) - en meget følsom teknikk som gjør det mulig for sub-band gap absorpsjonsmåling 24 (figur 4). Begge spektra viste absorpsjon over 1,4 eV, som faller sammen med bandet gap av CuO, før metning ved 2 eV (Cu 2 O band gap). Den unetched substrat hadde en høyere absorpsjon under 2 eV, noe som tyder på et tykkere lag av CuO på overflaten av unetched Cu 2 O for på den etsede substrat. Det innfelte i figur 4 viser et grått sjikt av CuO på as-oksidert (unetched) Cu 2 O substrat. Mensno grå film kunne påvises visuelt på den etsede substrat, noe CuO var fortsatt til stede på overflaten, som PDS målinger antyder. Tilstedeværelsen av en meget tynn CuO film på overflaten av Cu 2 O substrater ble også bekreftet med røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) 19,25. Kopper-II-oksyd til stede på Cu 2 O overflate introduserer dypt nivå felletilstander (Cu 2+) 18 ved heterojunction grensesnitt som kan virke som rekombinering sentre, og derfor CuO tilstedeværelse på pn-overgang er uønsket.
Oppvarming Cu 2 O substrater i nærvær av oksydanter (f.eks, luft og fuktighet) fremmer oksydasjon av Cu 2 O til CuO. For å oppnå en polykrystallinsk ZnO av AP-SALD, substratene oppvarmes til 150 ° C. Ettersom substratet holdes ved forhøyet temperatur i åpen luft eller under oksyderende gass under avsetningen, danner CuO raskt på Cu
Fotoelektriske enheter ble gjort med ZnO avsatt av AP-SALD ved 150 ° C i 400 sekunder på toppen av de termisk etset oksyderte Cu 2 O substrater. Figur 6A viser den overflate av denne standardenhet. Man kan legge merke til mange stempelstang og blomsterlignende utvekster stede i enheten. Som bekreftet tidligere med EDX og PDS, disse utvekster er kopper-II-oksyd og forekommer på grunn av Cu 2 O eksponering for luft og oksidasjonsmidler. Tabell 1 og figur 7 ( 'ZnO / Cu 2 O standard' curve) demonstrere relativt dårlig ytelse av denne enheten.
For å unngå CuO dannelse på Cu 2 O overflate, ble betingelsene for avsetning av ZnO ved AP-SALD på den etsede termisk oksyderte Cu 2 O substrater optimalisert. Følgende tiltak ble tatt for å minimalisere CuO vekst: reduksjon av avsetningstemperatur (figur 8A); reduksjon av nedfall tid (figur 8B); skanning substratoverflaten i noen oscillasjoner uten å utsettes for den oksyderende gass, dvs. med bare metall forløpere og inerte kanaler åpen (figur 8C); og til slutt, unngåelse av unødvendig oppvarming av nakne Cu 2 O substrater i luft like før starten av deponering. De optimale parametre for ZnO-avleiring på Cu 2 O ble funnet å være 100 ° C, 100 sekunder og 5 vannfrie sykluser. Overflaten av den optimaliserte anordningen var fri for CuO outgrowths, slik det er vist i figur 6B. Strømtettheten-spenning (JV) karakteristisk for den optimaliserte ZnO / Cu 2 O-enheten er sammenlignet med standard-enheten i figur 7. Den fotovoltaiske utførelsen av både standard og optimaliserte ZnO / Cu 2 O innretninger er presentert i tabell 1. Det kan sees at ved å følge de fire ovennevnte tiltak, ble en seks gangers økning i kraft konvertering effektiviteten av anordningene oppnådd.
For ytterligere å belyse virkningen av optimalisering av AP-SALD forhold på reduksjon av CuO og heterojunction kvalitet, ble ytre kvanteutbyttet (EQE) målinger utført på enheter med ZnO avsatt ved 150 ° C og 100 ° C (figur 9). Den EQE-spektrene for de to enhetene, mens tilsvarende ved bølgelengder over 475 nm, signifikant forskjellig ved bølgelengder under 475 nm, som er det området bølgelengde s absorbert nær grensesnittet. For de kortere bølgelengden, den EQE av anordningen med ZnO gjort ved høyere temperatur var mindre enn halvparten av anordningen med ZnO gjort ved lavere temperatur. Dette tyder på at flere kopper-II-oksyd var tilstede ved ZnO / Cu 2 O-grensesnitt gjort ved høyere temperatur, noe som reduserte charge samling fra området nær den heterointerface på grunn av økt rekombinasjon.
Mg ble inkorporert i AP-SALD ZnO filmer for å heve ledningsbåndet av ZnO og for å redusere rekombinasjon ytterligere 15. Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O solceller ble gjort med de optimaliserte Zn 0,8 mg 0,2 O filmer, noe som resulterer i 2,2% enhet PCE - det høyeste hittil for Cu 2 O-baserte solceller med frilufts fabrikkert heterojunctions (se enhetens ytelse i figur 7 og tabell 1).
innhold "fo: keep-together.within-page =" 1 ">
Figur 1. Cu 2 O-baserte solcelle effektivitet ved årstall (Dette tallet er blitt endret fra Ref. 8). Markører indikere hvorvidt grenseflaten ble dannet i vakuum eller i en atmosfære (uten vakuum) og etiketter indikerer fremgangsmåten ifølge hetero formasjon. MSP - sputtering, IBS - ion stråle sputtering, VAPE - vakuum arc plasma fordampning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Skjematisk av AP-SALD avsetningsprosess (sammenlignet med konvensjonelle ALD) og satt opp for å produsere multikomponent metall okseIDE. (A) Sekvensiell eksponering av hver forløper og spyletrinnet i konvensjonell ALD (delta-doping) (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 11). I sammenheng med dette manuskriptet, er M1 dietylsink damp, M2 bis (etylcyklopentadienyl) magnesiumdamp, og O1 og O2 vanndamp. (B) sekvensiell eksponering av metall utgangsblanding (co-injeksjon), inerte gasskanaler (tilsvarer "renske" trinn) og oksidasjonsmiddel i AP-SALD (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 11). (C) Skjematisk fremstilling av en generell AP-SALD reaktoren, som viser de forløpere rommessig separert med inerte gasskanalene, med underlaget oscilleres under de forskjellige kanalene (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 11, som er en modifikasjon av en i Ref. 26). (D) Oversikt skjematisk riss av de viktigste komponentene i en AP-SALD system med atomkraftmikroskopi (AFM) bilder som viser morfologien avunderlaget før og etter Zn 1-x Mg x O nedfall (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 13). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Cross-sectional SEM bilde av ITO / ZnO / Cu 2 O hetero (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 8). Konforme belegg av Cu 2 O underlaget med ZnO og ITO filmer kan observeres. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. PDS spektra av etset og unetched (as-oxi dized) Cu 2 O underlag (Dette tallet har blitt forandret fra Ref. 8). De innfellinger viser fotografier av etset og unetched kobberoksid underlag. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. SEM bilder av overflaten av en Cu 2 O substrat når (A) friskt etset og (B) etter gløding ved 150 ° C i luft i 3 min (denne figuren er gjengitt fra Ref. 8). Innfellinger visningsoverflate sammensetningen kjøpt med EDX. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
501 / 53501fig6.jpg "/>
Figur 6. SEM bilder av overflaten av ZnO / Cu 2 O solceller laget ved hjelp av (A) standardbetingelser, og (B) optimaliserte betingelser for AP-SALD ZnO (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 8). Forskjellige utvekster kan være sett i standard enheten. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7. Lys JV egenskaper for Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O solceller fabrikkert ved standard og optimalisert AP-SALD forhold (Dette tallet har blitt forandret fra Ref. 8). JV Kurvene viser solar forbedring celle ytelse når forhold sammensetning og AP-sald av Zn 1-x Mg x O filmer er optimalisert.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8. Effekten av AP-sald parametere på resultatene av ZnO / Cu 2 O solceller. (A) og (B) Effekten av AP-SALD ZnO avsetningstiden og temperaturen på den åpen-krets spenning (V oc) av enhetene (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 8), (C) korrelasjon av vann- gratis sykluser med V oc av enhetene. klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9. EQE spectret ZnO / Cu 2 O solceller med ZnO deponert ved 100 ° C og 150 ° C. (Dette tallet er gjengitt fra Ref. 8). Åpen krets spenning av enhetene er indikert i forklaringen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Solcelle | Nedfall temperatur, ° C | Nedfall tid, sek | J fm, mA / cm 2 | V oc, V | FF,% | PCE,% |
| ZnO / Cu 2 O Standard | 150 | 400 | 3.7 | 0,18 | 35 | 0,23 |
| ZnO / Cu 2 O Optimalisert | 100 | 100 </ Td> | 7.5 | 0,49 | 40 | 1,46 |
| Zn 0,8 Mg 0,2 / Cu 2 O Optimalisert | 150 | 100 | 6.9 | 0,65 | 49 | 2.20 |
Tabell 1. Standard og optimalisert AP-SALD Zn 1-x Mg x O deponering parametere og ytelse av de beste tilsvarende ITO / Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O solceller (Denne tabellen har blitt forandret fra Ref. 8) . J SC - kortslutning strømtetthet, FF - fyll faktor.
Discussion
Kritiske trinn i protokollen fastsettes av Cu 2 O til CuO underlaget overflaten oksidasjon. Disse omfatter etsing av substrater i fortynnet salpetersyre for å fjerne eventuelt CuO etter oksidasjon, så vel som etter fordampning av den gylne elektroden, noe som minsker tiden substrater tilbringer i åpen luft før den Zn 1-x Mg x O avsetning og til slutt, avsetning av Zn 1-x Mg x O på Cu 2 O substrater av AP-SALD.
Fordelen med AP-SALD sammenlignet med konvensjonell ALD er at filmer kan dyrkes utenfor et vakuum med en vekstrate som er en til to størrelsesordener høyere. Imidlertid innebærer dette at Cu 2 O substrater må bli utsatt for oksidasjonsmidler i luft ved forhøyet temperatur som er minst like før avsetning, som er tilstrekkelig for en tynn CuO lag for å danne på overflaten. Dette begrenser tilsynelatende anvendelsen av AP-SALD metoden til noen oksidasjon følsomme materials. Imidlertid, ved å optimalisere AP-SALD forhold som temperatur og tid, så vel som å minimalisere Cu 2 O eksponering for luft og fuktighet, en seks gangers økning i omdannelsen effektiviteten av ZnO / Cu 2 O-enheter laget ved hjelp av AP-SALD ble oppnådd . Forbedringen kom fra den forståelse at Cu 2 O til CuO oksidasjon er den viktigste begrensende faktor kobberoksyd som et materiale i heterojunction solceller og modifisering av fabrikasjonsprotokoll tilsvarende.
For helt å unngå oksydasjon av kobberoksid, substratene må holdes i en inert atmosfære eller i vakuum hele tiden, noe som kan være vanskelig når det anvendes en åpen deponeringsteknikk, for eksempel AP-SALD. Mens oksydasjonen av Cu 2 O unngås i vakuumbaserte teknikker 3,18, for storskala produksjon, er det viktig at dette problemet kan bli minimalisert i atmosfæriske fabrikasjonsprosesser. I AP-SALD kan substratoverflaten utsettes forreduksjonsmidler forut for dannelsen av den heterointerface, og ved å balansere oksydasjon av Cu 2 O med reduksjon av CuO ved hjelp av prosessgass i løpet av avsetningen av n-typen oksyd. 25 Reduksjonsmidlet som anvendes i AP-SALD kan være en blanding av en inert gass med en reduserende gass (for eksempel N2 + 5% H2 25), eller et antall sykluser med et reduksjons forløper forut for deponering, dvs. vannfrie sykluser, for å redusere CuO tilbake til Cu 2 O rett før ZnO oksydet begynner å vokse på overflaten.
I dette arbeidet har en standard protokoll blitt utviklet som minimerer CuO dannelsen optimalisere fabrikasjon skritt fra Cu 2 O prosessering og etsning til pn junction dannelsen av AP-SALD i friluft. Suksessen av dette arbeidet viser mulighetene for AP-SALD som en lovende metode for bruk i billige og skalerbare photovoltaic enheter. Teknikken kan brukes for raske deposition av en rekke av n- og p-type halvledende metalloksider, så vel som å blokkere, buffer og sperresjikt i solceller på varmesensitive substrater, inkludert plast.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Copper foil | Avocado Research Chemicals LTD T/A Alfa Aesar | 13380 | 0.127 mm thick, 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 | 5 g |
| ITO target | GoodFellow Cambridge Limited | LS 427438 | Indium Oxide/Tin Oxide target (In2O3 90 / SnO2 10). Condition: Hot-pressed. Thickness: 2.0 mm ± 0.5 mm. Size: 35.5 mm x 55.5 mm ± 0.5 mm |
| 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 |
References
- Meyer, B. K., et al. Binary copper oxide semiconductors: From materials towards devices. Phys. Status Solidi (B). 249 (8), 1487-1509 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Pavan, M., et al. TiO2/Cu2O all-oxide heterojunction solar cells produced by spray pyrolysis. Sol. Energ. Mat. Sol. C. 132, 549-556 (2015).
- 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).
- 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).
- Munoz-Rojas, D., MacManus-Driscoll, J. Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition: A new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics. Mater. Horiz. , (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ohtomo, A., et al. MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy. Appl. Phys. Lett. 72 (19), 2466-2468 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Laughlin, D. E., Hono, K. Predominance phase diagram for the Cu-O2 system. Physical Metallurgy. 1, 219 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
