Yöntem makalesi

Cu geliştirilmiş Heterojonksiyonlar Kalite 2 Depolar Atmosfer Basıncı Mekansal Atom Katman Optimizasyonu ile Güneş Pilleri O tabanlı
Zn 1-x Mg X O

DOI:

10.3791/53501

⸱

31 Temmuz 2016

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

Bu makalede

Özet

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

Burada sentezlenmesi için bir protokol mevcut Zn 1-x Mg x O / Cu bakır oksit Zn 1-x Mg x O atmosferik basınç mekansal atomik tabaka biriktirme (AP-sald) üzerinden düşük sıcaklıkta açık havada 2 O heterokavşaklar. Böyle yüksek kaliteli konformal metal oksitler bu ucuz ve ölçeklenebilir bir yöntemle plastik gibi metal yüzeylere çeşitli yetiştirilebilir.

Özet

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

Atmosferik basınç uzamsal atomik katman biriktirme (AP-SALD), n-tipi ZnO ve Zn1-xMgxO ince filmleri düşük sıcaklıkta vakum dışında p-tipi termal olarak oksitlenmiş Cu2O substratları üzerine biriktirmek için kullanıldı. Atmosferik olarak üretilmiş ZnO / Cu2O heteroeklemine sahip fotovoltaik cihazların performansı, AP-SALD film biriktirme koşullarına, yani substrat sıcaklığına ve biriktirme süresine ve ayrıca Cu2O substratının ZnO birikiminden önce ve sırasında oksitleyici maddelere maruz kalmasına bağlıydı. Yüzeysel Cu2O ila CuO oksidasyonu, ZnO / Cu2O arayüzündeki rekombinasyon nedeniyle heteroeklem kalitesini sınırlayan bir faktör olarak tanımlandı. AP-SALD koşullarının optimizasyonunun yanı sıra Cu2O yüzey oksidasyonunu en aza indirmek için Cu2O'yu havadan ve nemden uzak tutmak, cihaz performansının iyileştirilmesine yol açtı. Açık devre voltajında üç kat artış (0,65 V'a kadar) ve kısa devre akım yoğunluğunda iki kat artış, rekor %2,2 güç dönüştürme verimliliğine (PCE) sahip güneş pilleri üretti. Bu PCE, vakum dışında oluşturulan bir Zn1-xMgxO / Cu2O heteroeklemi için rapor edilen en yüksek olanıdır ve bu, atmosferik basınç uzamsal ALD'yi Cu2O bazlı fotovoltaiklerin ucuz ve ölçeklenebilir üretimi için umut verici bir teknik olarak vurgular.

Giriş

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

Bakır oksit (Cu 2 O) bir toprak bol toksik olmayan p-tipi yarı iletken malzeme 1'dir. 2 eV bant aralığı ile, bakır oksit heteroeklem veya tandem güneş hücreleri ışık emici rolünü yerine getirebilir. Heterojunction güneş hücreleri, Cu 2 O bir daha fazla bilgi için (çeşitli n-tipi geniş bant aralığı gibi O 3 5,6 ZnO 2 ve katkılı varyasyonları 3,4, Ga 2 olarak yarı iletkenler ve TiO2 7 ile eşleştirilmiş olduğu bilinmektedir Cu 2 O fotovoltaik hakkında detaylı bakış bkz Ref. 8). Cu H2O göre hetero güneş hücreleri gelişimi hetero sentezlenmesi için bir yöntem aşağıdaki her bir veri noktası için gösterilen, Şekil 1 'de sunulmuştur. Bir (% 6.1 9 kadar) elde edilmesi gibi darbeli lazer birikimi (PLD) veya daha yüksek güç dönüşüm verimliliği için izin verilen atom tabakası birikimi (ALD) olarak bu vakum tabanlı yöntemleri not alabilir. contrast gibi elektrokimyasal biriktirme (AKD) gibi non-vakum sentez yöntemleri için verimlilikleri düşük kalmıştır. Bununla birlikte, düşük Fotovoltaik bir vakum dış hetero sentezlenmesi için daha iyidir. hetero oluşumu vakumsuz ölçeklenebilir tekniği daha uygun bir alternatif de, böyle bir yöntem ile yüksek kalitede bir arabirim oluşturmak için zor olmaya devam etmektedir. Cu 2 için bu çalışmada biz bir açık hava kullanmak, mekansal atomik tabaka biriktirme (AP-SALD) atmosfer basıncı denir ölçeklenebilir ince film kaplama işlemi büyümeye n-tipi oksitler güneş hücreleri O tabanlı. Geleneksel ALD AP'nin-sald ilerlemesi Birincisinde, ön alanı yerine süresi 10 ayrılmış olmasıdır. Yerleştirme işlemi sırasında bir alt tabaka ve geriye Şekil 2'de gösterildiği gibi, tesirsiz gaz kanal ayrılmış ön-gaz kanalları içeren bir gaz irtibat borusu altında ısıtılmış bir merdane üzerinde salınım yapar. Precurs taşıyan nitrojen gazıors aşağı yanal hareket merdane doğru gaz manifoldu arasında dikey akar. Şekil 2'de gösterildiği gibi, baskı levhası salınım nedeniyle, alt-tabaka üzerindeki her bir nokta, ardışık olarak oksidan ve metal öncüleri maruz kalmaktadır. Bu, tabaka tabaka büyümeye metal oksit film sağlar. AP-SALD reaktör tasarımı ve işletimi ayrıntılı bir açıklama başka bir yerde bulunabilir. 11,12 Bu yaklaşım birikimi hızlı roll-to-roll işleme ile uyumludur geleneksel ALD ve dış vakum, daha büyüklükte bir ya da iki emir meydana sağlar . AP-sald tarafından üretilen yüksek kaliteli konformal oksit filmler güneş hücreleri 13 gibi düşük maliyetli işlevsel cihazlara da uygulanabilir AP-SALD filmler sağlar plastik de dahil olmak üzere çeşitli substratlar üzerinde (<150 ° C) düşük sıcaklıkta yatırılabilir , ışık yayan diyotlar 14 ve ince film transistörler 15.

ölçüye AP-SALD gazı manifolduBu çalışmada kullanılan mekanik merdane üzerine yerleştirilen alt tabaka üzerinde tutuldu. Bu gaz akış hızlarının alt tabaka manifoldu aralık bağımsız kontrolünü sağladı. 50 um arasında büyük bir boşluk gaz fazında metal ön maddesi ve oksidanın arasındaki karışma sonuçlandı kullanılmıştır. Bu nedenle, AP-SALD reaktör kimyasal buhar biriktirme (CVD) olarak işletilmiştir. Filmler daha yüksek bir hızda büyüdü fakat hala yüksek kalınlığının üniform ve ALD filmler aynı ısılarda kristal şeklinde edildi, bu ALD modunda çalışan üzerinde avantajlı olduğu bulunmuştur. 12 Burada, hala reaktöre bakınız diğer AP-SALD reaktörler aynı temel tasarım prensiplerini çünkü bir AP-SALD reaktörü. 11

Biz özellikle, çinko oksit ve çinko oksit, magnezyum olarak, güneş pilleri için n-tipi katmanın için reaktör kullanılır (Zn 1-X mg x O 16,17). Mg int birleştirilereko ZnO nedeniyle bant kuyruk termalizasyon 13 ve arayüzey rekombinasyon kayıpları azaltmak için önemli olan, iletim bandı ayarlanabilir olmasını sağlar. 18,19

Burada elde edilecek geliştirilmiş arayüzü kalitesi için izin termal oksitlenmiş bakır oksit alt tabakalar ve bu nedenle daha iyi bir güneş pili performansı üzerinde bir çinko oksit ve çinko, magnezyum oksit filmleri yerleştirme şartlarını ayarlama şeklini göstermektedir. Nedeniyle Cu 2 O yüzeyde bakır oksit (CuO) aşırı oluşumuna heteroeklem arayüzünde rekombinasyon: Bu gelişme Cu 2 O merkezli güneş pilleri büyük sınırlayıcı faktör belirlenmesi yoluyla mümkün olmuştur.

Protokol

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

Bakır oksit alt tabakaların hazırlanması 1.

  1. Bakır folyonun oksidasyonu
    1. aseton sonicating ile 13 mm x 13 mm kareler ve temiz içine 0,127 mm kalınlığında bakır folyo kesin.
    2. sürekli fırının içinden Ar gazı akan ise 1.000 ° C'ye bakır folyo ısıtın. oksidasyon boyunca gaz analizörü ile fırının gaz ortam izleyin. 1.000 ° C sıcaklığa ulaşıldığında, 10,000 ppm oksijen kısmi basıncı elde etmek ve en az 2 saat boyunca tutmak için bir akış oranında fırına oksijen getirmektedir. 2 saat sonra, oksijeni kapatın ama akan Ar gazı tutmak.
    3. 500 ° C'ye kadar fırın (Ar gazı akan tutmak) serinleyin. fırından pota hızlı çekilmesi ile okside örnekleri gidermek. hızlı onları soğutmak için deiyonize suya yüzeylerde batırın.
  2. Cu 2 O Dağlama
    1. arka arkaya uygulanarak alt-tabakaların bir tarafı Etchseyreltilmiş nitrik asit damla (1: H2O ve% 70 HNO 3 1 karışımı) yüzeyinden bakır oksit kaldırın. Hiçbir gri filmi Cu 2 O yüzeyde görünür oluncaya kadar gravür devam edin. DİKKAT: Bu işlem, bir çeker ocak içinde gerçekleştirilir.
    2. Hemen dağlama sonra deiyonize su içinde her bir alt-tabakanın yıkayın ve izopropanol içinde sonikasyon. Bir hava tabancası ile kuru.
    3. Depozito bir direnç buharlaştırıcı içinde bir tungsten tekne yerleştirilen bir 1 gr altın pelet buharlaştırılması ile Cu 2 O substratların kazınmış yüzüne altın 80 nm. Kullanım taban basıncı 8 x 10 -6 mbar ve 4 A akım 0.8 Å / sn buharlaşma oranına ulaşması.
    4. yüzey üzerine asit düşüşü uygulanarak seyreltik nitrik asit içinde substratların diğer tarafı Etch. asit diğer tarafta altın filmi etch olmadığından emin olun. bölüm 1.2.2 de açıklandığı gibi durulayın ve sonikasyon.
    5. siyah yalıtım boya ile yüzeyler örtün (yüksek sıcaklık e kullanmakgüneş pili aktif alanın yaklaşık olarak 0.1 cm 2 lik bir maskesiz bölgeyi terk, bir boya fırçası kullanarak ngine emaye). tamamen marker kalem ile arka tarafta altın elektrot örtün.

2. yatırmak Zn 1-x Mg x O Kullanımı AP-SALD Reaktörü

Not:.. Mevduat Zn 1-x, Mg x Kodak tarafından geliştirilen özgün tasarım uyarlanan 2 O yüzeylerde Bu çalışmada 13, ısmarlama AP-SALD reaktör kullanılmıştır Cu maskesiz tarafında, üzerinde Ey filmler 11,12 Ayrıntılar reaktör özelleştirme Ref verilmiştir. 12.

  1. Set-up AP-SALD sistemi aşağıdaki gibi:
    1. Mg habercisi olarak Zn öncüsü ve bis (etilsiklopentaddienil) magnezyum gibi dietilçinko (DEZ) kullanın. Bunlar her biri kendi ayrı cam kabarcık içinde bulunan sıvı öncüleri. ön-piroforiktir ve hava ya da su ile temas asla. biriktirme sistemi gaz sıkı.
    2. çinko oksit birikimi için, oda sıcaklığında bulunan 25 ml / dakika, (20 ° C) dietilçinko ile azot gazı kabarcıkları hızını ayarlayın. Çinko, magnezyum oksit birikimi için, (55 ° C'ye kadar ısıtılır) bis (etilsiklopentadienil) magnezyum ile 6 ml / dak, 200 ml / dk dietilçinko geçirilerek hızı ayarı her ön-gaz fraksiyonu ayarlamak için kontrol Zn 1-X mg x O Mg oranı Zn
    3. 100 ml / dakika, metal ön madde karışımı nitrojen taşıyıcı gazın akış hızını ayarlayın. oksidan olarak kullanıldığında deiyonize su yoluyla 100 mL / dakika kabarcık azot gazı. Bu buhar, azot taşıyıcı gaz / dakika, 200 ml akan seyreltilmiştir.
    4. 500 ml / gaz manifolduna dk azot gazı akış. AP-SALD gaz manifoldu, bu azot gazı dört ayrı kanallara bölünür. Her kanal mekansal aralarında metal ön madde karışımı kanalında iki oksitleyici kanallarını ayırmak için hizmet eder.
  2. su dolaşan ile 40 ° C arasında bir sıcaklıkta gaz manifoldu tutun. (- 150 ° C 50) istenilen sıcaklığa sahne (hareketli merdane) ısıtın.
  3. Plakayı kontrol yazılımı ile istenilen numune kafaya mesafesi, örnek büyüklüğü, merdane hızı (50 mm / sn) ve salınımlar sayısı (döngüleri) ayarlayın. ZnO çökeltme oranı 1.1 nm / saniye (ya da döngü başına), Zn 1-X mg x O çökelme hızı, 150 ° C'de, yaklaşık 0.54 nm / sn'dir. birikim döngüsü tipik sayısı 200'dür.
  4. 400 salınımları veya açık bir kalın homojen bir film görülebilir kadar bir bardak slayt istenilen oksit yatırın.
  5. Gerekirse, daha sonra gaz manifoldu altında yer cam maske alt tabakayı yerleştirin. substrat üzerinde 50 um kafa (gaz manifoldu) yükseklik ayarlayın.
  6. Zn 1-x x O ilk Mg öncüsü kabarcık, sonra Zn öncüsü kabarcık vanaları açarak filmler, daha sonra MOVI başlatmak Mg depozitYazılımda "birikimi start" tıklayarak gaz manifoldu altında plakasını ng. Sadece ısıtıldı ise oksidan Cu 2 O yüzeyi maruz kalmasını önlemek amacıyla metal ön madde 5 salınımlı alt-tabakanın tarama sonra H2O bubbler açın.
  7. Birikim bittiğinde, mümkün olduğunca çabuk ısıtılmış merdane Cu 2 O yüzeyler kaldırmak ve metal öncülerinin bubbler vanalarını kapatın. herhangi bir tevdi oksit tozu kaldırmak için bir bıçak ile manifolduna gaz kanalları temizleyin. 2.6 de tarif edildiği gibi bir sonraki yerleştirme çevrimi başlatın.
  8. Bittiğinde, azot vanaları kapatmadan önce 30 dakika süreyle sistemi temizlemek.

İTO 3. Püskürtme

  1. Aşağıdaki koşullarda 20 fışkırtması doğru akım magnetron tarafından indiyum kalay oksit (İTO) 175 nm sputter. Gücü 20 W, taban basıncı <10 -9 mbar, Ar basıncı 2.5 Pa 35 nm püskürtme hızında / dk, BT sputter175 nm kalınlığında İTO film için 5 dakika boyunca O. Elde edilen İTO / ZnO / Cu 2 O hetero Şekil 3 'de gösterilmiştir.

Cihazların 4. Bitirme

  1. altın elektrot maruz aseton ile altın elektrottan işaretleyici kalem temizleyin.
  2. İTO ve Au elektrotlar üzerine Ag macun ile 2 ince teller yapışmasını tarafından elektrik temas uygulayın.

Sonuçlar

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

23 - Cu-O faz kararlılığı diyagramı 21 ortaya koyduğu gibi termodinamik, CuO oda sıcaklığında havada bakır oksit sadece sabit faz vardır. Cu 2 O, kazınmış absorpsiyon spektrumları yüzeyinde CuO varlığını doğrulamak için, termal olarak Cu fototermal saptırma Spektroskopisi (PDS) ile alınmıştır H2O tabakaları oksitlenmiş unetched - alt bant boşluk absorpsiyon ölçümleri için izin veren son derece hassas bir teknik 24 (Şekil 4). Her iki spektrumları 2 eV (Cu 2 O bant aralığı) de doyurarak önce, CuO bant aralığı ile çakışmaktadır 1.4 eV, yukarıdaki emilimini gösterdi. Unetched alt-tabaka unetched Cu 2 kazınmış alt-tabaka üzerinde daha O yüzeyinde CuO daha kalın bir tabaka düşündürmektedir 2 eV altında yüksek emme vardı. Şekil 4'te ek olarak oksitlenmiş (unetched) Cu 2 O substrat üzerinde CuO gri tabakasını göstermektedir. SürePDS ölçümleri anlaşılacağı gibi hiçbir gri filmi kazınmış alt tabaka üzerinde görsel olarak tespit edilebilir, bazı CuO, yüzeyinde hala mevcut idi. Cu 2 O alt tabakaların yüzeyinde çok ince CuO filmin mevcudiyeti aynı zamanda, x-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) 19,25 ile teyit edilmiştir. Cu 2 O yüzeyinde bakır oksit mevcut nedenle pn kavşağında CuO varlığı istenmeyen bir durumdur, rekombinasyon merkezleri olarak hareket edebilirsiniz heterojunction arayüzünde derin seviye tuzak devletleri (Cu 2+) 18 tanıttı.

Isıtma Cu oksidanlar (örneğin, hava ve nem) varlığında 2 O substratlar CuO Cu 2 O oksidasyon kolaylaştırır. AP-sald ile polikristalin ZnO elde edilmesi için, alt-tabakalar, 150 ° C'ye kadar ısıtılır. alt-tabaka depolanması sırasında açık havada veya oksitleyici gazı altında yüksek bir sıcaklıkta tutulur olarak, CuO hızlı Cu üzerinde oluşan Şekil öncesi ve azot akımı altında 150 ° C'de AP-SALD merdane üzerinde 3 dakika geçirdikten sonra bir kazınmış Cu 2 O substrat elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri taramak 5 gösterir. Çoklu CuO çıkıntılar enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) tarafından doğrulanmadı olarak kompozisyon CuO o yakın olmak, tavlanmış substrat üzerinde görülebilir.

Fotovoltaik cihazlar kazınmış termal oksitlenmiş bakır 2 O substratların üzerine 400 saniye süreyle 150 ° C de AP-sald tarafından tevdi ZnO yapılmıştır. Şekil 6A, bu, standart cihazın yüzeyini göstermektedir. Bir cihazda mevcut çok sayıda çubuk ve çiçek gibi çıkıntılar fark edebilirsiniz. Daha önce EDX ve PDS ile teyit edildiği üzere, bu çıkıntılar bakır oksit ve hava ve oksidanlar nedeniyle Cu 2 O maruz meydana gelir. Tablo 1 ve Şekil 7, ( 'ZnO / Cu 2 O standart' Cıurve) Bu cihazın nispeten zayıf performans göstermektedir.

Cu 2 O yüzeyinde CuO oluşumunu önlemek amacıyla, kabartma, termal olarak oksitlenmiş bakır 2 O yüzeylerde AP-sald göre ZnO biriktirilmesi koşulları optimize edilmiştir. Aşağıdaki önlemlerin CuO büyümesini en aza indirmek için alınmıştır: yerleştirme sıcaklığının azaltılması (Şekil 8A); depozisyon süresi (Şekil 8B) azaltılması; sadece metal öncüleri ve atıl kanalları açık (Şekil 8C) ile, yani oksidan gaz maruziyeti, olmadan birkaç salınımlar için substrat yüzeyinin taranması; ve nihayet, sadece biriktirme başlamadan önce havada çıplak Cu 2 O yüzeylerde gereksiz ısıtma kaçınma. Cu 2 O ZnO çökelme optimal parametreleri 100 ° C, 100 saniye ve 5 su içermeyen döngüleri olduğu bulunmuştur. Optimize edilmiş cihazın yüzeyi CuO outgrowt serbest kaldıHS olarak Şekil 6B'de gösterilmiştir. Optimize edilmiş ZnO / Cu 2 O cihazın akım yoğunluğu-gerilim (OG) karakteristiği Şekil 7'de standart cihaz ile karşılaştırılır. Her iki / Cu ZnO standart ve optimize edilmiş 2 O cihazların fotovoltaik performansı Tablo 1'de sunulmuştur. Bu yapabilirsiniz dört yukarıda belirtilen önlemlerin izleyerek, aygıtların güç konversiyon randımanında altı katlık bir artış elde edildiği görülmektedir.

Daha CuO azaltılması ve hetero kalitesine AP-SALD koşullarının optimizasyonu etkisini açıklamak için, dış kuantum verimi (EQE) ölçümleri 150 ° C ila 100 ° C (Şekil 9), biriken ZnO cihazlar üzerinde gerçekleştirilmiştir. İki cihaz EQE spektrumları, 475 nm'nin üzerinde dalga boylarında içindeki ise, dalga boyu aralığı 475 nm, altındaki dalga boylarında anlamlı fark s arabirimine yakın emilir. daha kısa dalga boylu radyasyon için, daha yüksek bir sıcaklıkta yapılır ZnO cihazın EQE düşük bir sıcaklıkta yapılır ZnO cihazın yarısı daha az oldu. Bu daha bakır oksit artan rekombinasyon için heteroarayüzeylerdeki yakın bölgeden şarj koleksiyonu azaltılmış yüksek sıcaklıkta yapılan ZnO / Cu 2 O arayüzü, mevcut olduğunu göstermektedir.

Mg ZnO iletim bandı artırmak ve 15 daha rekombinasyonu azaltmak için, AP-SALD ZnO filmler dahil edilmiştir. Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O% 2.2 cihaz PCE sonuçlanan optimize Zn 0.8 Mg 0.2 O filmleri ile yapılmış güneş pilleri, - Cu 2 için bugüne kadar en yüksek Ç tabanlı güneş pilleri açık hava ile hetero fabrikasyon (Şekil 7 ve Tablo 1'de cihazın performansını bakınız).

içerik "fo: keep-together.within-page =" 1 "> figure-results-1
Şekil 1. Cu 2 O tabanlı güneş pili yayın yılına göre verimliliği (Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 8). Marker arayüzü vakum veya atmosfer (non-vakum) kuruldu belirtmek ve etiketleri yöntemi göstermektedir heterojunction oluşumu. MSP - manyetik alanda sıçratma, IBS - iyon demeti püskürtme, VAPE - Vakum ark plazma buharlaşma. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-2
Şekil 2. AP-SALD biriktirme süreci şematik (konvansiyonel ALD ile karşılaştırıldığında) ve çok bileşenli metal öküz üretmek için set-upides. (A), geleneksel ALD (delta-doping) her habercisi ve tasfiye aşamasının Sıralı maruziyet (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 11). Bu yazının kapsamında, M1 dietilçinko buhar, M2 bis (etilsiklopentaddienil) magnezyum buharı ve O1 ve O2 su buharı olduğunu. (B) AP-sald metal ön karışımı (ko-enjeksiyon), inert gaz kanalları ( 'tasfiye' adıma eşdeğeri) ve oksidan Sıralı maruziyet (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 11). Farklı kanallar altındaki osilasyon alt-tabaka ile uzaysal olarak atıl gaz kanalları ayrılmış öncüleri, gösteren genel bir AP-SALD reaktöründen (C) şematik (Bu şekil, Ref. 11, Ref birinden bir değişiklik arasında yeniden. 26). (D) atomik kuvvet mikroskobu ile bir AP-SALD sisteminin önemli bileşenlerinden Genel şematik (AFM) görüntüleri morfolojisini gösterenYüzey öncesi ve sonrası Zn 1-x Mg x O birikim (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 13). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-3
Cu ZnO ve İTO filmleri ile alt tabaka görülebilir O 2 İTO Şekil 3. Kesit SEM görüntüsü / ZnO / Cu 2 O heteroeklem (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 8). Conformal kaplama. Görüntülemek için tıklayınız Bu rakamın daha büyük bir versiyonu.

figure-results-4
Kazınmış ve unetched (as-oxi Şekil 4. PDS spektrumları dized) Cu 2 O yüzeylerde (Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 8). takmalar kazınmış ve unetched bakır oksit yüzeylerde fotoğraflarını gösteriyor. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-5
Şekil 5. 3 dakika boyunca hava içinde, 150 ° C'de tavlama işleminden sonra bir Cu 2 O alt-tabaka (A), taze kazınmış ve (B) yüzeyinin SEM görüntüleri (bu rakam Ref yeniden. 8). Insets Surface EDX ile elde edilen kompozisyon. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

501 / 53501fig6.jpg "/>
Şekil 6. (A) standart koşullar ve (B) AP-SALD ZnO optimize koşulları (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 8) kullanılarak yapılan ZnO / Cu 2 O güneş pillerinin yüzeyi SEM görüntüleri. Çeşitli çıkıntılar olabilir standart cihazda gördüm. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-6
Zn için Şekil 7. Işık JV özellikleri 1-x Mg x O / Cu 2 O (Bu rakam Ref modifiye edilmiştir. 8). JV eğrileri güneş pili performans artışı ne zaman göstermek standart ve optimize AP-SALD koşullarında imal güneş hücreleri Zn kompozisyonu ve AP-SALD koşulları 1-x Mg x O filmler optimize edilmiştir.s: //www.jove.com/files/ftp_upload/53501/53501fig7large.jpg "target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-7
Şekil 8. ZnO / Cu 2 O güneş pillerinin performansı üzerinde AP-SALD parametrelerin etkisi. Gaz (A) ve (B) cihazların açık devre gerilimi (V oc) AP-SALD ZnO birikimi zaman ve sıcaklığın etkisi (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 8), (C) korelasyon cihazların V oc ile ücretsiz döngüleri. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

figure-results-8
Şekil 9. EQE spectrZnO ZnO / Cu 2 O güneş hücreleri bir 100 ° C ile 150 ° C 'de tevdi. (Bu rakam Ref çoğaltılamaz edilmiştir. 8). Cihazlarının Açık devre gerilimi açıklamada belirtilmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Güneş pili Çöktürme sıcaklığı ° C Depozisyon süresi, sek J SC mA / cm2 V oc, V FF,% PCE%
ZnO / Cu 2 O Standart 150 400 3.7 0.18 35 0.23
ZnO / Cu 2 O Optimize 100 100 7.5 0.49 40 1.46
Zn 0.8 Mg 0.2 / Cu 2 O Optimize 150 100 6.9 0.65 49 2.20

Tablo 1. Standart ve optimize AP-SALD Zn 1-x Mg x O bırakma parametreleri ve iyi gelen İTO performans / Zn 1-x Mg x O / Cu 2 O güneş hücreleri (Bu tablo Ref modifiye edilmiştir. 8) . J SC - kısa devre akım yoğunluğu, FF - faktörü doldurun.

Tartışma

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

Protokolü içinde kritik adımlar CuO substrat yüzeyi oksidasyona Cu 2 O tarafından şart koşulmaktadır. Bu son zaman alt-tabakalar, Zn 1-X mg x O birikimi önce açık havada harcama en aza indirerek, oksidasyon sonrası ve altın elektrod buharlaştırılmasından sonra herhangi bir CuO kaldırmak için seyreltik nitrik asit içinde substratların aşındırma ve çökelmesini içerir Zn 1-x Mg x O Cu 2 AP-sald tarafından O yüzeylerde.

Geleneksel ALD göre AP-sald avantajı filmleri büyüklüğü daha yüksek bir veya iki emir olan bir büyüme oranı ile bir vakum dışında yetiştirilen olmasıdır. Bununla birlikte, bu Cu 2 O alt-tabakalar en azından bir ince CuO tabaka yüzeyinde meydana getirmek üzere yeterli bir birikimi önce yüksek bir sıcaklıkta hava içinde oksidanlara maruz olduğu anlamına gelmektedir. Bu görünüşte bazı oksidasyona duyarlı materia AP-SALD yönteminin uygulanmasını kısıtlarls. Bununla birlikte, sıcaklık ve zaman gibi AP-SALD koşullarını optimize etmenin yanı sıra, hava ve neme Cu 2 O maruz kalmayı minimuma indirerek, ZnO / Cu 2 O cihazları dönüşüm verimliliğinin altı katlık bir artış elde edilmiştir AP-sald kullanılarak yapılan . Iyileştirme CuO oksidasyona Cu 2 O bakır hetero güneş hücreleri bir malzeme olarak oksit ve buna bağlı olarak üretim protokolü modifiye ana kısıtlayıcı faktör anlama geldi.

Tamamen bakır oksit oksitlenmesini önlemek için, alt-tabakalar, AP-sald gibi açık hava biriktirme tekniği kullanıldığında zor olabilir her zaman, bir atıl atmosfer içinde ya da vakum içinde tutulması gerekir. Cu 2 O oksidasyon, büyük ölçekli üretim için vakum göre tekniklerin 3,18, önlenir birlikte, sorun, atmosferik üretim işlemlerinde minimize edilebilir olması önemlidir. AP-sald, alt-tabaka yüzeyi maruz edilebilirheteroarayüzeylerdeki oluşumu öncesinde ve n-tipi oksit birikimi sırasında oluşan gaz kullanarak CuO azalma ile Cu 2 O oksidasyon dengeleyerek indirgeyici maddeler. 25 indirgeyici madde, bir olabilir, AP-sald kullanılan bir indirgeme gazı (örneğin n, 2 +% 5 H2 25) ya da biriktirilmesinden önce bir indirgeme öncüsü ile bir döngü sayısı, yani, susuz döngüler, sırayla geri CuO azaltmak için bir inert gaz kanşımı Cu 2 O ZnO oksit yüzeyinde büyümeye başlar hemen önce.

Bu çalışmada, standart bir protokol açık havada AP-sald tarafından pn eklem oluşumuna Cu 2 O işleme ve dağlama gelen fabrikasyon adımlarını optimize CuO oluşumunu en aza indiren geliştirilmiştir. Bu çalışmanın başarısı, ucuz ve ölçeklenebilir fotovoltaik cihazları uygulama için gelecek vaat eden bir yöntem olarak, AP-sald potansiyelini gösterir. insizyon DEPOS için kullanılabilirn ve p-tipi yarı iletken metal oksitlerin çeşitli ition olarak bloke, tampon ve plastik de dahil olmak üzere, ısıya duyarlı alt tabakalar üzerinde güneş hücreleri bariyer katmanları.

Açıklamalar

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

Yazarlar, rekabet eden hiçbir finansal çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

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

Yazarlar, Cambridge Overseas ve Commonwealth Trust, Yeni Zelanda Rutherford Vakfı, Girton College Cambridge'in desteğini kabul eder. Bu çalışma ERC Advanced Investigator Grant, Novox, ERC-2009-adG247276 ve EPSRC (RGS3717 kapsamında) tarafından finanse edilmiştir.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Bakır folyoAvokado Araştırma Kimyasalları Ltd T / A Alfa Aesar133800.127 mm kalınlık, %99,9 (metal bazlı), tavlanmış
Rapidox Oksijen analizörüRapidoxModel 2100
Alümina tekneAlmath Pota LTD6121203Boyutlar 20 mm x 50  mm x 5  mm
Altın peletlerKJLCEVMAUXX40G%99,99 saf, 1/8" x 1/8", gram
DietilçinkoAldrich256781; 52 ağırlıkça % Zn bazlı
Bis (etilsiklopentadienil) magnezyumStrem Chemicals UK12-05105 g
ITO hedefiGoodFellow Cambridge LimitedLS 427438İndiyum Oksit / Kalay Oksit hedefi (In2< / sub >O< >3< / sub> 90 / SnO2< / sub> 10). Durum: Sıcak preslenmiş. Kalınlık: 2.0  mm & # 177; 0.5  mm. Boyut: 35.5  mm x 55.5  mm & # 177; 0.5  mm
VHT motor emaye boyasıHalfords325019çok yüksek sıcaklık motor emaye siyah boya
Nitrik asit HNO3, ACS reaktifi %70 Sigma-Aldrich Co Ltd438073-2.5LZararlı, tahriş edici
%2 Oksijen/Argon 200 barBOC Limited225757-LCu folyo oksidasyonu için gaz karışımı, Ar ile seyreltilecek
&ge tarafından satılır

Kaynaklar

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

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Atmosferik Bas n Uzaysal ALDZn1 xMgxO BiriktirmeCu2O HetereeklemiG ne Pili PerformansA k Devre GerilimiK sa Devre Ak mG D n m Verimlili iCu2O Y zey OksidasyonuZnO Cu2O Aray znce Film Biriktirme

İlgili makaleler