Diese Arbeit wurde von durch das Ministerium für Wissenschaft und Technologie und National Science Council der Republik China (Vertrag Nr. NSC 101-2221-E-027-042 und NSC 101-2622-E-027-003-CC2) unterstützt. DH Wei durch die National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH) für die Dr. Shechtman Preis Award.

1. Untergrundvorbereitung und Reinigung <ol><li> Schnitt 10 mm x 10 mm-Siliziumsubstrate aus Si (100) -Wafer. </li><li> Schnitt 10 mm x 10 mm Glassubstraten. </li><li> Verwenden Ultraschallreinigungsmittel, um die Silizium und Glassubstrate mit Aceton für 10 min, Alkohol für 10 min reinigen und anschließend Isopropanol für 15 min. </li><li> Spülen Sie die Substrate mit deionisiertem (DI) Wasser dreimal. </li><li> Föhnen die Substrate mit einem Stickstoff-gun. </li></ol> 2. DEZn Zubereitung und Konservierung Anmerkung: Diethylzink (C 2 H 5) 2 Zn, auch genannt DEZn ist ein hochpyrophoren Organozinkverbindung bestehend aus einer Zinkzentrum zwei Ethylgruppen gebunden. Arbeiten Sie niemals allein, wenn Sie DEZn. DEZn ist sehr giftig und empfindlich auf den Sauerstoff und Wasser, sicher sein, nicht auf die DEZn der Nähe des Wassers zu platzieren. Tragen Sie immer Schutzmasken und Schutzbrille; Alle Verfahren müssen in der Haube durchgeführt werden. Am wichtigsten ist, müssen unbenutzt DEZn be in einem 5 ° C gelagert. Hinweis: Bei der ersten Verwendung von DEZn, folgen Sie Schritt 2. Wenn nicht, starten Sie den Versuch ab Schritt 3. <ol><li> Verwenden Spritze zu ziehen 30 ml DEZn aus der Flasche und dann in ein Becherglas in einem Stahlzylinder platziert zu injizieren. </li><li> Verwenden Sie einen verzinktem Eisen Rohr um den Stahlzylinder mit der Reaktionskammer zu verbinden. </li><li> Verwenden mechanische Pumpe und Kugelhahn zum Abpumpen des Stahlzylinder in Vakuumumgebung (bis 6 Torr). Anmerkung: DEZn wird stark mit Sauerstoff reagieren können, müssen sie in der Vakuumumgebung aufrechterhalten werden kann. </li><li> Bewahren Sie das nicht verwendete DEZn in einem 5 ° C-Umgebung. </li></ol> 3. PECVD-Kammer Vorbereitung und Synthese von ZnO-Dünnschichten Anmerkung: Die schematische Darstellung der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung ist in Abbildung 1 dargestellt. <ol><li> Stellen Sie den Arbeitsabstand zwischen Duschkopf-Elektrode und Probentisch bei 30 mm. </li> &lt;li&gt; Legen Sie die Substrate auf dem Probentisch der Reaktionskammer in der richtigen Stelle, wo gibt es eine 3 cm Abstand von der DEZn Einlass. </li><li> Öffnen Sie die Drehkolbenpumpe und nach und nach Öffnen der Schieber und Drosselklappe. </li><li> Warten Sie, bis der Hintergrunddruck der Reaktorkammer von weniger als 30 mTorr ist. </li><li> Schließen der Absperrschieber und Ventil, das an der Drehpumpe verbindet. </li><li> Öffnen Sie dann die Turbopumpe und relative Absperrschieber zum Hochvakuum von 3 x 10 -6 Torr zu erreichen. </li><li> Nach dem Erreichen der erforderlichen Vakuumbedingungen, öffnen Sie den Wärmeregler und erhitzen das Probentisch an die Synthesetemperatur (200, 300, 400, 500 und 600 ° C für verschiedene Experimentparameter). </li><li> Wenn die Temperatur und der Druck die notwendige Bedingung zu erreichen, schließen Sie die Turbopumpe und öffnen Sie die Absperrventile und Ventilklappe, die der Rotationspumpe verbindet gleichzeitig. </li><li> Als nächstes öffnen Sie den Gaseinlassventilen und schalten Sie den Argon gals Stromregler gleichzeitig. </li><li> Fließen die Argongas (0,167 ml / sec) in die Kammer. </li><li> Stellen Sie den Kammerdruck auf 500 mTorr. </li><li> Schalten Sie den RF (13,56 MHz) Generator und Anpassungsnetzwerk und stellen Sie die HF-Leistung von 100 W zum Spülen der Proben die Oberfläche für 15 Minuten. </li><li> Nach Beendigung der Spülung von Proben, drehen Sie die HF-Leistung bis zu 70 W. </li><li> Als nächstes schalten Sie den Kohlendioxidgasregler und Gaseinlassventil. </li><li> Fließt das Kohlendioxid (0,5 ml / sec) in die Kammer. </li><li> Stellen Sie den Betriebsdruck bei 6 Torr. </li><li> Nach der Kammerdruck erreicht 6 Torr, fließen die hohe reinem Argon als Trägergas (0,167 ml / s) für die Durchführung Diethylzink (DEZn) in die Kammer und offene Kugelventil gleichzeitig dem DEZn verbunden. Zur gleichen Zeit, beginnen die Synthese von ZnO-Filme. </li><li> Weiterhin die Plasmasynthese ZnO Filme für 5 min. </li><li> Nachdem die ZnO-Filme wurden synthetisiert, schalten Sie der Reihe nach aus dem HF-Generator, Kugelhahn, Wärme conController und alle Gasdurchflussregler mit Gaseinlassventile. </li><li> Nehmen Sie die Probe, wenn die Probe Bühne Temperatur kühlt auf RT. Anmerkung: Die Kühlrate etwa 1,8 ° C / min. </li></ol> 4. Herstellung von ineinandergreifenden artigen Muster auf wie synthetisiert ZnO-Dünnfilm Anmerkung: Die schematische Darstellung der Lithografieprozess ist in 3 dargestellt. <ol><li> Verwenden Sie eine heiße Platte, die so synthetisierten ZnO Probe bei 150 ° C für 10 min backen. </li><li> Platzieren der Probe auf dem Spin-Coater, und dann Abgeben der flüssigen Lösung aus Fotolack (S1813) mit 100 &amp; mgr; l auf die ZnO-Probe. </li><li> Laufen Spincoaters bei 800 rpm für 10 sec, und dann auf 3000 UpM für 30 s zu beschleunigen, um eine einheitlich dünne Schicht zu erzeugen. </li><li> Weichbacken der Photoresist beschichteten ZnO Probe bei 105 ° C für 90 sec. </li><li> Nach dem Soft-Backen, verwenden UV-Licht, um den Photoresist beschichteten Probe trou aussetzengh einer Photomaske durch Mask Aligner. Die Expositionszeit beträgt 2 Sekunden und die Leistung ist 400 W. Anmerkung:. Das Muster der Photomaske ist so verzahnt artigen, die 0,03 mm breit und 4 mm lang (14 Paare), und weist einen Zwischenelektrodenabstand von 0,15 mm, wie in 2 dargestellt gestaltet Es ist erwähnenswert, dass die Gesamtempfindlichen Fläche 84,32 mm 2 für den Detektor. </li><li> Nach der Belichtung Verfahren, mit Hilfe einer Pinzette die Probe auf Clip, und dann tauchen Sie in die verdünnte Entwickler (Mischungs 50 ml Entwickler und 150 ml VE-Wasser) durch Maßnahmen zu schwingen von Seite zu Seite für 35 s, um die entwickelte Probe zu erhalten. </li><li> Spülen Sie die entwickelte Probe mit VE-Wasser und mit Stickstoffgas trocken. </li><li> Verwenden Sie den optischen Mikroskop, um das Muster zu überprüfen intakt. Wenn nicht, verwenden Aceton, um den Photolack zu entfernen, und wiederholen Sie die Schritte 4.2 bis 4.7, bis Sie das perfekte Muster erhalten worden ist. </li><li> Hartbacken der Probe bei 120 ° C für 20 min. </li></ol><ol><li> Verwenden der RF-Magnetron-Sputtersystem, um einen dünnen leitenden Pt-Schicht (100 nm) auf der Oberseite der entwickelten Probe abzulagern, bevor zu chemischen Abheben Verfahren. </li><li> Stellen Sie den Abstand zwischen Target und Substrat bei 13 mm. </li><li> Verwenden Sie die mechanische Pumpe, um eine Grobvakuum von 5 mTorr zu erreichen. </li><li> Verwenden Sie dann die Turbopumpe, um ein hohes Vakuum von 7 x 10 -7 Torr erhalten. </li><li> Warten Sie, bis die Kammer die Hochvakuum erreicht, schließen Sie die Turbopumpe und öffnen Sie die mechanische Pumpe anschließend. </li><li> Fließen die Argongas bei 0,3 ml / sec in die Kammer durch mas Durchflussregler, bis der Kammerdruck erreicht den Arbeitsdruck von 100 mTorr. </li><li> Schalten Sie den Gleichstrom (DC) Entladungsstromversorgung und stellen Sie die DC-Leistung bei 15 W für Sputtern des Pt Dünnfilmelektrode auf die Probe für 25 min. </li><li> Nachdem die Pt-Elektrodenschicht durch Magnetron sputt hinterlegtEring Methode, nehmen Sie die Probe aus der Kammer. </li><li> Tauchen Sie die Probe in die Acetonflüssigkeit für chemische Lift-off-Prozess, durch Ultraschall-Reiniger, um den Photolack zu entfernen. </li><li> Stellen Sie die Reinigungszeit auf 1 min, um Photolack gründlich zu entfernen, und dann erhalten Sie die ineinandergreifenden artigen Pt-Elektrode auf die ZnO-Dünnfilm. </li></ol> 6. RTA-Prozeß <ol><li> Legen Sie die als Fertig Pt / ZnO-Probe in die RTA-System. </li><li> Verwenden Sie die mechanische Pumpe und Schieber auf 20 mTorr Abpumpen des RTA Kammerdruck. </li><li> Warten Sie, bis der Kammerdruck erreicht 20 mTorr, fließen Argongas bei 0,3 ml / sec in die Kammer und den Arbeitsdruck von 5 Torr. </li><li> Als nächstes legen Sie die Erwärmungsrate als 100 o C / min. </li><li> Dann wird die Probe zu tempern bei 450 ° C für 10 min. </li><li> Sobald geglüht, warten Sie, bis die Probe kühlt auf RT, dann nehmen Sie die Probe. </li></ol>

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The authors declare that they have no competing financial interests.

Kritischen Schritte und Modifikationen In Schritt 1 wird, sollten die Substrate gründlich gereinigt werden, und die Schritte 1.3 bis 1.5 folgt, um sicherzustellen, dass es kein Fett oder organischen und anorganischen Verunreinigungen auf den Substraten. Fett- und organischen und anorganischen Verunreinigungen auf der Substratoberfläche wird die Haftung des Films deutlich zu reduzieren. Schritt 2 ist das wichtigste Verfahren vor dem ZnO-Film Herstellverfahren. D...

ZnO ist eine vielversprechende breite Bandlücke funktionale Halbleitermaterial aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie hohe chemische Stabilität, niedrige Kosten, Nicht-Toxizität, geringer Stromschwelle für optisches Pumpen, breite direkte Bandlücke (3,37 eV) bei RT und große Exzitonen Bindungsenergie von ~ 60 meV 1-2. In letzter Zeit wurden ZnO-Dünnfilme in vielen Anwendungsbereichen einschließlich transparentes leitfähiges Oxid (TCO) Filme, blaues Licht emittierende Vorrichtung, Feldeffekt-Transistoren, und Gassensor 3-6 eingesetzt. Andererseits ist ZnO ein Kandidatenmaterial Indium-Zinn-Oxid (ITO) zu ersetzen durch Indium und Zinn als selten und teuer. Außerdem ZnO hohe optische Transmission im sichtbaren Wellenlängenbereich und einen niedrigen spezifischen Widerstand, verglichen mit ITO-Filmen 7-8. Dementsprechend wurde die Herstellung, Charakterisierung und Anwendung von ZnO wurde ausgiebig berichtet. Die vorliegende Studie konzentriert sich auf die Synthese von hohen c-Achse (0002) ZnO-Dünnfilme mit einfacher eind effektiv Verfahren und ihre praktische Anwendung zu einer UV-Photodetektor. Die jüngsten Forschungsbericht Ergebnisse zeigen, dass die hohe Qualität ZnO-Dünnfilm kann durch verschiedene Techniken, wie beispielsweise Sol-Gel-Verfahren, Hochfrequenz-Magnetronsputtern, metallorganische chemische Dampfabscheidung (MOCVD) usw. 9-14 synthetisiert werden. Jede Technik hat ihre Vorteile und Nachteile. Zum Beispiel, ist ein Hauptvorteil der Sputterabscheidung dass Ziel Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt, mühelos auf das Substrat gesputtert. Im Gegensatz dazu ist das Sputter-Verfahren schwierig, mit einem Abhebeverfahren zur Strukturierung der Folie zu verbinden. In unserer Studie wurde die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) System eingesetzt, um hohe Qualität zu synthetisieren c-Achse ZnO-Dünnschichten. Plasmabeschuß ist ein Schlüsselfaktor in der Syntheseverfahren, die die Dünnfilmdichte zu erhöhen und die Ionenzersetzungsreaktionsgeschwindigkeit 15 kann. ImDarüber hinaus ist die hohe Wachstumsrate und großflächige gleichmäßige Abscheidung sind weitere entscheidende Vorteile für PECVD-Technik. Mit Ausnahme der Synthesetechnik, die eine gute Haftung auf dem Substrat voneinander betrachtet Thema. In vielen Studien wurde die c-Ebene Saphir wurde weithin als Substrat verwendet werden, um ein hohes C synthetisieren -Achse ZnO-Dünnfilme, weil die ZnO und Saphir haben die gleiche hexagonale Gitterstruktur. Jedoch wurde der ZnO auf Saphir-Substrat aufweist rauhe Oberflächenmorphologie und hoher Rest (defektbezogene) Trägerkonzentrationen wegen der großen Gitter misfits zwischen ZnO und c -Ebene Saphir (18%) in der Richtung in der Ebene 16 orientiert synthetisiert. Verglichen mit dem Saphir-Substrat, ein Si-Wafer andere verbreitete Substrat für die ZnO-Synthese. Si-Wafer wurden ausführlich in der Halbleiterindustrie verwendet werden; und somit wird das Wachstum von qualitativ hochwertigen ZnO Dünnfilmen auf Si-Substraten sehr wichtig und erforderlich. Leider ist die Kristallstruktur und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem ZnO und Si sind offensichtlich verschieden, was zu einer Verschlechterung der Kristallqualität. In den vergangenen zehn Jahren wurden große Anstrengungen unternommen, um die Qualität des ZnO-Dünnfilmen auf Si-Substraten unter Verwendung von verschiedenen Verfahren, einschließlich ZnO-Pufferschichten 17, Annealing bei verschiedenen Gasatmosphäre 18 und Passivierung der Si-Substratoberfläche 19 zu verbessern. In der vorliegenden Studie erfolgreich bot eine einfache und effektive Methode zur Synthese von hoch c-Achse ZnO-Dünnfilm auf Si-Substraten ohne Pufferschicht oder Vorbehandlung. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die unter der optimalen Wachstumstemperatur synthetisiert ZnO-Dünnfilme zeigten die gute Kristall und optischen Eigenschaften. Die kristalline Struktur, RF Plasmazusammensetzung, Oberflächenmorphologie und der optischen Eigenschaften des ZnO-Dünnfilme wurden durch Röntgenbeugung (XRD), die optische Emissionsspektroskopie (OES), Feldemissions sc suchtenAnning Elektronenmikroskopie (FE-SEM) und RT Photolumineszenz (PL)-Spektren. Außerdem wurde die Durchlässigkeit des ZnO-Dünnfilme ebenfalls bestätigt und berichtet werden. Das so synthetisierte ZnO-Dünnfilm diente als Sensorschicht für UV-Photodetektor-Anwendung wurde auch in dieser Studie untersucht. Der UV-Photodetektor hat ein großes Potenzial Anwendungen in der UV-Überwachung, optische Schalter, Flamm Alarm und Raketenwärmesystem 20-21. Es gibt viele Arten von Photodetektoren, die sich wie beispielsweise positive intrinsische negativ (pin) Modus und Metall-Halbleiter-Metall (MSM) Strukturen mit Ohmschen Kontakt und die Schottky-Kontakt durchgeführt wurden. Jeder Typ hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Derzeit haben MSM Photodetektorstrukturen intensive Interesse aufgrund ihrer herausragenden Leistungen in Empfindlichkeit, Zuverlässigkeit und Antwort und Recovery-Zeit von 22 bis 24 angezogen. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen, dass der MSM Ohmsche Kontaktmodus verwendet wurde,um ZnO-Dünnfilm auf Basis UV-Photodetektor herzustellen. Eine solche Art des Photodetektors zeigt typischerweise eine gute Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die anzeigt, dass die Hoch c -Achse ZnO-Dünnfilm ist ein geeignetes Sensorschicht für UV-Photodetektor.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>RF power supply</td>
			<td>ADVANCED ENERGY</td>
			<td>RFX-600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butterfly valve</td>
			<td>MKS</td>
			<td>253B-1-40-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mass flow conctroller</td>
			<td>PROTEC INSTRUMENTS</td>
			<td>PC-540</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pressure conctroller</td>
			<td>MKS</td>
			<td>600 series&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heater</td>
			<td>UPGRADE INSTRUMENT CO.</td>
			<td>UI-TC 3001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sputter gun</td>
			<td>AJA INTERNATIONAL</td>
			<td>A320-HA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DEZn 1.5M</td>
			<td>ACROS ORGANIC USA, New Jersey</td>
			<td></td>
			<td>also called Diethylzinc (C2H5)2Zn</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spin coater&#160;</td>
			<td>SWIENCO</td>
			<td>PW - 490</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>I-V measurement</td>
			<td>Keithley</td>
			<td>Model: 2400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photocondutive measurement&#160;</td>
			<td>Home-built</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV light sourse</td>
			<td>Panasonic</td>
			<td>ANUJ 6160</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mask aligner</td>
			<td>Karl Suss</td>
			<td>MJB4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Photoresist</td>
			<td>Shipley a Rohm &#38; Haas company</td>
			<td>S1813</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Developer</td>
			<td>Shipley a Rohm &#38; Haas company</td>
			<td>MF319</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer</td>
			<td>E-Light Technology Inc</td>
			<td>12/0801</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass substrate</td>
			<td>CORNING</td>
			<td>1737</td>
			<td>P-type / Boron</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

synthesis and characterization of high c-axis zno thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition system and its uv photodetector application

In dieser Studie, Zinkoxid (ZnO) dünne Filme mit hoher c-Achse (0002) Vorzugsorientierung wurden erfolgreich und wirksam auf Silizium (Si) -Substrate über verschiedene Temperaturen synthetisiert unter Verwendung plasmaverstärkter chemischer Dampfabscheidung (PECVD) System synthetisiert. Die Wirkungen der verschiedenen synthetisierten Temperaturen auf die Kristallstruktur, Oberflächenmorphologie und der optischen Eigenschaften untersucht. Die Röntgenbeugung (XRD) zeigte, daß die Intensität der (0002) Beugungspeak wurde stärker mit zunehmender synthetisiert Temperatur bis 400 o C. Die Beugungsintensität der (0002) Spitzen allmählich schwächer einhergehende Auftreten von (10-10) Beugungsspitze als synthetisierte Temperatur bis über 400 o C. Die RT Photolumineszenz (PL) Spektren zeigte eine starke Nähe Band-Kante (NBE) Emission bei etwa 375 nm und einer vernachlässigbaren Tiefebene (DL) Emission bei etwa 575 nm und liegt beobachteter hohen c-Achse ZnO-Dünnschichten. Feldemissionsrasterelektronenmikroskopie (FE-SEM) zeigte die homogene Oberfläche und geringen Korngrößenverteilung. Die ZnO-Dünnfilme wurden auch auf Glassubstrate unter den gleichen Parameter für die Messung der Durchlässigkeit synthetisiert. Zum Zwecke der ultravioletten (UV) Photodetektoranwendung interdigitalen Platin (Pt) Dünnfilm (Dicke ~ 100 nm) über herkömmlichen optischen Lithographieverfahren und Funkfrequenz (RF) Magnetronsputtern hergestellt. Um ohmschen Kontakt zu erreichen, wurde die Vorrichtung in Argon Umstände bei 450ºC durch schnelles thermisches Tempern (RTA-System) für 10 min getempert. Nachdem die systematische Messungen, die Strom-Spannungs (I - V) -Kurve von Foto- und Dunkelstrom und zeitabhängigen Photostrom Ergebnisse zeigten eine gute Ansprechempfindlichkeit und Zuverlässigkeit, die anzeigt, dass die Hoch c -Achse ZnO-Dünnfilm ist eine geeignete Messschichtfür UV-Photodetektor-Anwendung.

Die ZnO (0002) dünnen Filmen mit hohem c-Achsausrichtung bevorzugte Orientierung wurden erfolgreich auf den Si-Substraten unter Verwendung des PECVD-System synthetisiert. Das Kohlendioxid (CO 2) und dem Diethylzink (DEZn) als Sauerstoff und Zinkvorläufer verwendet wurden. Die Kristallstruktur von ZnO-Dünnfilme wurde durch Röntgenbeugung (Figur 4) ist, was anzeigt, dass die ZnO-Dünnfilms bei 400 ° C mit der stärksten (0002) -Beugungspeak synthetisiert. Wenn das synth...

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Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.

Synthese und Charakterisierung von Hoch c-Achsen-ZnO-Dünnfilm durch Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition-System und seine UV-Photodetektor Anwendungs

In this study, zinc oxide (ZnO) thin films with high c-axis (0002) preferential orientation have been successfully and effectively synthesized onto ...

synthesis-characterization-high-c-axis-zno-thin-film-plasma-enhanced

Research

JoVE Journal

Engineering

15.1K Aufrufe.  National Taipei University of Technology (TAIPEI TECH). We offered a method to directly synthesize high c-axis (0002) ZnO thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition. The as-synthesized ZnO thin film combined with Pt interdigitated electrode was used as sensing layer for ultraviolet photodetector, showing a high performance through a combination of its good responsivity and reliability.

Serie: Synthesis and Characterization of High c-axis ZnO Thin Film by Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System and its UV Photodetector Application

Polycrystalline Silicon Thin-film Solar cells with Plasmonic-enhanced Light-trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To compensate for lower light absorption such physically thin devices have to incorporate light-trapping which increases their optical thickness. Light scattering by textured surfaces is a common technique but it cannot be universally applied to all solar cell technologies. Some cells, for example those made of evaporated silicon, are planar as produced and they require an alternative light-trapping means suitable for planar devices. Metal nanoparticles formed on planar silicon cell surface and capable of light scattering due to surface plasmon resonance is an effective approach.
The paper presents a fabrication procedure of evaporated polycrystalline silicon solar cells with plasmonic light-trapping and demonstrates how the cell quantum efficiency improves due to presence of metal nanoparticles.
To fabricate the cells a film consisting of alternative boron and phosphorous doped silicon layers is deposited on glass substrate by electron beam evaporation. An Initially amorphous film is crystallised and electronic defects are mitigated by annealing and hydrogen passivation. Metal grid contacts are applied to the layers of opposite polarity to extract electricity generated by the cell. Typically, such a ~2 &mu;m thick cell has a short-circuit current density (Jsc) of 14-16 mA/cm2, which can be increased up to 17-18 mA/cm2 (~25% higher) after application of a simple diffuse back reflector made of a white paint.
To implement plasmonic light-trapping a silver nanoparticle array is formed on the metallised cell silicon surface. A precursor silver film is deposited on the cell by thermal evaporation and annealed at 23&deg;C to form silver nanoparticles. Nanoparticle size and coverage, which affect plasmonic light-scattering, can be tuned for enhanced cell performance by varying the precursor film thickness and its annealing conditions. An optimised nanoparticle array alone results in cell Jsc enhancement of about 28%, similar to the effect of the diffuse reflector. The photocurrent can be further increased by coating the nanoparticles by a low refractive index dielectric, like MgF2, and applying the diffused reflector. The complete plasmonic cell structure comprises the polycrystalline silicon film, a silver nanoparticle array, a layer of MgF2, and a diffuse reflector. The Jsc for such cell is 21-23 mA/cm2, up to 45% higher than Jsc of the original cell without light-trapping or ~25% higher than Jsc for the cell with the diffuse reflector only.
Introduction
Light-trapping in silicon solar cells is commonly achieved via light scattering at textured interfaces. Scattered light travels through a cell at oblique angles for a longer distance and when such angles exceed the critical angle at the cell interfaces the light is permanently trapped in the cell by total internal reflection (Animation 1: Light-trapping). Although this scheme works well for most solar cells, there are developing technologies where ultra-thin Si layers are produced planar (e.g. layer-transfer technologies and epitaxial c-Si layers) 1 and or when such layers are not compatible with textures substrates (e.g. evaporated silicon) 2. For such originally planar Si layer alternative light trapping approaches, such as diffuse white paint reflector 3, silicon plasma texturing 4 or high refractive index nanoparticle reflector 5 have been suggested.
Metal nanoparticles can effectively scatter incident light into a higher refractive index material, like silicon, due to the surface plasmon resonance effect 6. They also can be easily formed on the planar silicon cell surface thus offering a light-trapping approach alternative to texturing. For a nanoparticle located at the air-silicon interface the scattered light fraction coupled into silicon exceeds 95% and a large faction of that light is scattered at angles above critical providing nearly ideal light-trapping condition (Animation 2: Plasmons on NP). The resonance can be tuned to the wavelength region, which is most important for a particular cell material and design, by varying the nanoparticle average size, surface coverage and local dielectric environment 6,7. Theoretical design principles of plasmonic nanoparticle solar cells have been suggested 8. In practice, Ag nanoparticle array is an ideal light-trapping partner for poly-Si thin-film solar cells because most of these design principle are naturally met. The simplest way of forming nanoparticles by thermal annealing of a thin precursor Ag film results in a random array with a relatively wide size and shape distribution, which is particularly suitable for light-trapping because such an array has a wide resonance peak, covering the wavelength range of 700-900 nm, important for poly-Si solar cell performance. The nanoparticle array can only be located on the rear poly-Si cell surface thus avoiding destructive interference between incident and scattered light which occurs for front-located nanoparticles 9. Moreover, poly-Si thin-film cells do not requires a passivating layer and the flat base-shaped nanoparticles (that naturally result from thermal annealing of a metal film) can be directly placed on silicon further increases plasmonic scattering efficiency due to surface plasmon-polariton resonance 10.
The cell with the plasmonic nanoparticle array as described above can have a photocurrent about 28% higher than the original cell. However, the array still transmits a significant amount of light which escapes through the rear of the cell and does not contribute into the current. This loss can be mitigated by adding a rear reflector to allow catching transmitted light and re-directing it back to the cell. Providing sufficient distance between the reflector and the nanoparticles (a few hundred nanometers) the reflected light will then experience one more plasmonic scattering event while passing through the nanoparticle array on re-entering the cell and the reflector itself can be made diffuse - both effects further facilitating light scattering and hence light-trapping. Importantly, the Ag nanoparticles have to be encapsulated with an inert and low refractive index dielectric, like MgF2 or SiO2, from the rear reflector to avoid mechanical and chemical damage 7. Low refractive index for this cladding layer is required to maintain a high coupling fraction into silicon and larger scattering angles, which are ensured by the high optical contrast between the media on both sides of the nanoparticle, silicon and dielectric 6. The photocurrent of the plasmonic cell with the diffuse rear reflector can be up to 45% higher than the current of the original cell or up to 25% higher than the current of an equivalent cell with the diffuse reflector only.

Polycrystalline silicon thin-film solar cells on glass are fabricated by deposition of boron and phosphorous doped silicon layers followed by crystallisation, defect passivation and metallisation. Plasmonic light-trapping is introduced by forming Ag nanoparticles on the silicon cell surface capped with a diffused reflector resulting in ~45% photocurrent enhancement.

Polykristalline Silizium-Dünnschicht-Solarzellen mit Plasmonische-enhanced Light-Trapping

One of major approaches to cheaper solar cells is reducing the amount of semiconductor material used for their fabrication and making cells thinner. To ...

Forschung

Ingenieurwesen

Encapsulation and Permeability Characteristics of Plasma Polymerized Hollow Particles

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma polymerization of isopropanol on various solid substrates, including silica and potassium chloride. This versatile technique is used to treat nanoparticles and nanopowders with sizes ranging from 37 nm to 1 micron, by depositing films whose thickness can be anywhere from 1 nm to upwards of 100 nm. Dissolution of the core allows us to study the rate of permeation through the film. In these experiments, we determine the diffusion coefficient of KCl through the barrier film by coating KCL nanocrystals and subsequently monitoring the ionic conductivity of the coated particles suspended in water. The primary interest in this process is the encapsulation and delayed release of solutes. The thickness of the shell is one of the independent variables by which we control the rate of release. It has a strong effect on the rate of release, which increases from a six-hour release (shell thickness is 20 nm) to a long-term release over 30 days (shell thickness is 95 nm). The release profile shows a characteristic behavior: a fast release (35% of the final materials) during the first five minutes after the beginning of the dissolution, and a slower release till all of the core materials come out.

We have used plasma enhanced chemical vapor deposition to deposit thin films ranging from a few nm to several 100 nm on nano-sized particles of various materials. We subsequently etch the core material to produce hollow nanoshells whose permeability is controlled by the thickness of the shell. We characterize the permeability of these coatings to small solutes and demonstrate that these barriers can provide sustained release of the core material over several days.

Encapsulation und Permeabilitätseigenschaften von plasmapolymerisierten Hohlteilchen

In this protocol, core-shell nanostructures are synthesized by plasma enhanced chemical vapor deposition. We produce an amorphous barrier by plasma ...

Nanomoulding of Functional Materials, a Versatile Complementary Pattern Replication Method to Nanoimprinting

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding combined with layer transfer enables the replication of arbitrary surface patterns from a master structure onto the functional material. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes. In particular we demonstrate the fabrication of patterned transparent zinc oxide electrodes for light trapping applications in solar cells.

We describe a nanomoulding technique which allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks and full devices. Nanomoulding can be performed on any nanoimprinting setup and can be applied to a wide range of materials and deposition processes.

Nanomoulding von Functional Materials, ein vielseitiges Complementary Pattern Replication Methode zur Nanoimprinting

We describe a nanomoulding technique which  allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks  and full devices. Nanomoulding ...

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Synthese und Mikrodiffraktion bei extremen Drücken und Temperaturen

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Making Record-efficiency SnS Solar Cells by Thermal Evaporation and Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent thermal evaporation, and it absorbs visible light strongly. However, for a long time the record power conversion efficiency of SnS solar cells remained below 2%. Recently we demonstrated new certified record efficiencies of 4.36% using SnS deposited by atomic layer deposition, and 3.88% using thermal evaporation. Here the fabrication procedure for these record solar cells is described, and the statistical distribution of the fabrication process is reported. The standard deviation of efficiency measured on a single substrate is typically over 0.5%. All steps including substrate selection and cleaning, Mo sputtering for the rear contact (cathode), SnS deposition, annealing, surface passivation, Zn(O,S) buffer layer selection and deposition, transparent conductor (anode) deposition, and metallization are described. On each substrate we fabricate 11 individual devices, each with active area 0.25 cm2. Further, a system for high throughput measurements of current-voltage curves under simulated solar light, and external quantum efficiency measurement with variable light bias is described. With this system we are able to measure full data sets on all 11 devices in an automated manner and in minimal time. These results illustrate the value of studying large sample sets, rather than focusing narrowly on the highest performing devices. Large data sets help us to distinguish and remedy individual loss mechanisms affecting our devices.

Tin sulfide (SnS) is a candidate material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. Here, we demonstrate the fabrication procedure of the SnS solar cells employing atomic layer deposition, which yields 4.36% certified power conversion efficiency, and thermal evaporation which yields 3.88%.

Erstellen Rekordeffizienz SnS Solarzellen durch thermische Verdampfung und Atomic Layer Deposition

Tin sulfide (SnS) is a candidate absorber material for Earth-abundant, non-toxic solar cells. SnS offers easy phase control and rapid growth by congruent ...

Preparation of ZnO Nanorod/Graphene/ZnO Nanorod Epitaxial Double Heterostructure for Piezoelectrical Nanogenerator by Using Preheating Hydrothermal

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we describe a one-step fabrication technique to synthesis freestanding ZnO nanorod/graphene/ZnO nanorod double heterostructure. The preparation of the double heterostructure is performed by using thermal chemical vapor deposition (CVD) and preheating hydrothermal technique. In addition, the morphological properties were characterized by using the scanning electron microscopy (SEM). The utility of freestanding double heterostructure is demonstrated by fabricating the piezoelectric nanogenerator. The electrical output is improved up to 200% compared to that of a single heterostructure owing to the coupling effect of the piezoelectricity between the arrays of ZnO nanorods on the top and bottom of graphene. This unique double heterostructure have a tremendous potential for applications of electrical and optoelectrical devices where the high number density and specific surface area of nanorod are needed, such as pressure sensor, immuno-biosensor and dye-sensitized solar cells.

One-step fabrication method for obtaining freestanding epitaxial double heterostructure is presented. This approach could achieve ZnO coverage with a higher number density than that of the epitaxial single heterostructure, leading to a piezoelectric nanogenerator with an increased output electrical performance.

Herstellung von ZnO-Nanostäbchen / Graphene / ZnO-Nanostäbchen Epitaxial Doppelheterostruktur für Piezoelektrische Nanogenerator mithilfe Vorwärmen Hydrothermale

Well-aligned ZnO nanostructures have been intensively studied over the last decade for remarkable physical properties and enormous applications. Here, we ...

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction of degradation mechanisms and prevention of module field failure can consequently decrease investment risks as well as increase the electricity yield. An improved knowledge level can for these reasons significantly decrease the total costs of PV electricity. 
In order to better understand and minimize the degradation of PV modules, the occurring degradation mechanisms and conditions should be identified. This should preferably happen under combined stresses, since modules in the field are also simultaneously exposed to multiple stress factors. Therefore, two 'Combined Stress test with in situ measurement' setups have been designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, illumination, and electrical biases as independently controlled stress factors on solar cells and minimodules. The setups also allow real-time monitoring of the electrical properties of these samples. This protocol presents these setups and describes the experimental possibilities. Moreover, results obtained with these setups are also presented: various examples about the influence of both deposition and degradation conditions on the stability of thin film Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) as well as Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solar cells are described. Results on the temperature dependency of CIGS solar cells are also presented.

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for CuIn,GaSe2 Solar Cells

Two &#39;Combined Stress test with in situ measurement&#39; setups, which allow real-time monitoring of accelerated degradation of solar cells and modules, were designed and constructed. These setups allow the simultaneous use of humidity, temperature, electrical biases, and illumination as independently controlled stress factors. The setups and various experiments executed are presented.

In Situ Überwachung von der beschleunigten Leistungsabfall von Solarzellen und Modulen: eine Fallstudie für Cu (In, Ga) Se2 Solarzellen

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

Well-aligned Vertically Oriented ZnO Nanorod Arrays and their Application in Inverted Small Molecule Solar Cells

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule (SMPV1) and [6,6]-phenyl-C71-butyric acid methyl ester (PC71BM), by utilizing ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO NRs that grew on both a sputtered and sol-gel processed AZO seed layer are fabricated. Compared with the AZO thin film prepared by the sol-gel method, the sputtered AZO thin film exhibits better crystallization and lower surface roughness, according to X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscope (AFM) measurements. The orientation of the ZnO NRs grown on a sputtered AZO seed layer shows better vertical alignment, which is beneficial for the deposition of the subsequent active layer, forming better surface morphologies. Generally, the surface morphology of the active layer mainly dominates the fill factor (FF) of the devices. Consequently, the well-aligned ZnO NRs can be used to improve the carrier collection of the active layer and to increase the FF of the solar cells. Moreover, as an anti-reflection structure, it can also be utilized to enhance the light harvesting of the absorption layer, with the power conversion efficiency (PCE) of solar cells reaching 6.01%, higher than the sol-gel based solar cells with an efficiency of 4.74%.

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted SMPV1:PC71BM solar cells with ZnO nanorods (NRs) grown on a high quality Al-doped ZnO (AZO) seed layer. The well-aligned vertically oriented ZnO NRs exhibit high crystalline properties. The power conversion efficiency of solar cells can reach 6.01%.

Gut abgestimmten vertikal orientierte ZnO Nanorod Arrays und deren Anwendung in invertiert kleine Molekül Solarzellen

This manuscript describes how to design and fabricate efficient inverted solar cells, which are based on a two-dimensional conjugated small molecule ...

Fabrication of Ultra-thin Color Films with Highly Absorbing Media Using Oblique Angle Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present an advanced method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics. The proposed process addresses several fabrication issues, including large area processing. Specifically, the protocol describes a process for fabricating ultra-thin color films using an electron beam evaporator for oblique angle deposition of germanium (Ge) and gold (Au) on silicon (Si) substrates.&#160; Film porosity produced by the oblique angle deposition induces color changes in the ultra-thin film. The degree of color change depends on factors such as deposition angle and film thickness. Fabricated samples of the ultra-thin color films showed improved color tunability and color purity. In addition, the measured reflectance of the fabricated samples was converted into chromatic values and analyzed in terms of color. Our ultra-thin film fabricating method is expected to be used for various ultra-thin film applications such as flexible color electrodes, thin film solar cells, and optical filters. Also, the process developed here for analyzing the color of the fabricated samples is broadly useful for studying various color structures.

We present a detailed method for fabricating ultra-thin color films with improved characteristics for optical coatings. The oblique angle deposition technique using an electron beam evaporator allows improved color tunability and purity. Fabricated films of Ge and Au on Si substrates were analyzed by reflectance measurements and color information conversion.

Herstellung von ultra-dünnen Farbfilm mit stark absorbierenden Medien mit schrägen Winkel Deposition

Ultra-thin film structures have been studied extensively for use as optical coatings, but performance and fabrication challenges remain.&#160; We present ...

Bulk and Thin Film Synthesis of Compositionally Variant Entropy-stabilized Oxides

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O (Cu variant) entropy-stabilized oxides. Phase pure and chemically homogeneous (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (x = 0.20, 0.27, 0.33) and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O (x = 0.11, 0.27) ceramic pellets are synthesized and used in the deposition of ultra-high quality, phase pure, single crystalline thin films of the target stoichiometry. A detailed methodology for the deposition of smooth, chemically homogeneous, entropy-stabilized oxide thin films by pulsed laser deposition on (001)-oriented MgO substrates is described. The phase and crystallinity of bulk and thin film materials are confirmed using X-ray diffraction. Composition and chemical homogeneity are confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy. The surface topography of thin films is measured with scanning probe microscopy. The synthesis of high quality, single crystalline, entropy-stabilized oxide thin films enables the study of interface, size, strain, and disorder effects on the properties in this new class of highly disordered oxide materials.

The synthesis of high quality bulk and thin film (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O and (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O entropy-stabilized oxides is presented.

Bulk- und Dünnschicht-Synthese von kompositorisch Variante Entropie-stabilisierten Oxide

Here, we present a procedure for the synthesis of bulk and thin film multicomponent (Mg0.25(1-x)CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O (Co variant) and ...