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.
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.
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.
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.
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 |