Name: improved heterojunction quality in cu2o-based solar cells through the optimization of atmospheric pressure spatial atomic layer deposited zn1-xmgxo
Uploaded: 2016-07-31T13:00:00
Duration: 8 min 14 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO at JoVE.co

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).

1. Получение оксида меди подложках <ol><li> Окисление медной фольги <ol><li> Вырезать 0,127 мм толщиной Cu фольги в 13 мм х 13 мм квадратов и чистых от обработки ультразвуком в ацетоне. </li><li> Нагревают медной фольги до 1000 ° С при непрерывном потоке газа Ar через печь. Монитор окружающего газа в печи с газовым анализатором на протяжении окисления. Когда температура 1000 ° C достигается, вводить кислород в печь со скоростью потока, чтобы получить парциальное давление 10000 частей на миллион кислорода и держать, что в течение по крайней мере 2 часов. Через 2 часа выключить кислород, но держать газ Ar течет. </li><li> Охладить печь до 500 ° С (держать газ Ar течет). Quench окисленных образцов путем быстрого вывода тиглей из печи. Dip субстратов в деионизированную воду, чтобы охладить их быстрее. </li></ol></li><li> Травление Cu 2 O <ol><li> Протравить одну сторону подложки путем многократного применениякаплю разбавленной азотной кислоты (1: 1 смесь H 2 O и 70% HNO 3) , чтобы удалить любой оксида двухвалентной меди с поверхности. Продолжить травления , пока не серая пленка не видна на поверхности Cu 2 O. ВНИМАНИЕ: Эта процедура выполняется в вытяжном шкафу. </li><li> Сразу же после травления, промойте каждую подложку пленкой в ​​деионизированной воде, и разрушать ультразвуком в изопропаноле. Высушите воздушным пистолетом. </li><li> Депозит 80 нм золота на протравленной стороне Cu 2 O подложки при испарении 1 г золота осадок помещают в вольфрамовой лодочке внутри сопротивления испарителя. Используйте базовое давление 8 × 10 -6 мбар и тока 4 А , чтобы достичь скорости испарения 0,8 А / сек. </li><li> Протравите другую сторону подложки в разбавленной азотной кислоте путем нанесения капли кислоты на поверхность. Убедитесь, что кислота не разъедает золотой пленки на другой стороне. Промыть и гомогенат, как описано в разделе 1.2.2. </li><li> Покрытие подложек с черной изоляционной краской (используйте высокотемпературную еngine эмаль) с помощью кисти, оставляя немаскированные площадь около 0,1 см 2 в качестве активной области солнечного элемента. Накройте золотой электрод на задней стороне с маркером полностью. </li></ol></li></ol> 2. Депонирование Zn 1-х Mg х O Использование AP-SALD реактор Примечание:.. Депозит Zn 1-х Mg х O пленок на немаскированный стороне Cu 2 O подложки 13 В данной работе был использован реактор на заказ AP-SALD, адаптированный от оригинального дизайна , разработанного Kodak 11,12 Подробнее реакторного настройки приведены в работе. 12. <ol><li> Настройка системы AP-SÅLD следующим образом: <ol><li> Используйте диэтилцинк (ДЕЗ) в качестве предшественника и бис (этилциклопентадиенил) магния Zn в качестве предшественника Mg. Они представляют собой жидкие предшественники каждый, содержащиеся в их отдельных стеклянных барботерах. Предшественники являются пирофорное и никогда не должны вступать в контакт с воздухом или водой. Система осаждения газонепроницаемой. </li><li> Для осаждения оксида цинка, регулировать пузырящейся скорость газообразного азота через диэтилцинка до 25 мл / мин, который содержится при комнатной температуре (20 ° C). Для цинка осаждения оксида магния, регулировать газовую фракцию каждого предшественника путем установки скорости барботирования через диэтилцинка до 6 мл / мин и 200 мл / мин через бис (этилциклопентадиенил) магний (который нагревается до 55 ° С) для передачи управляющей информации Zn соотношение Mg в Zn 1-х Mg х О. </li><li> Установка скорости потока газа-носителя азота для смеси предшественника металла до 100 мл / мин. Пузырь газообразный азот со скоростью 100 мл / мин через деионизированная вода, которая используется в качестве окислителя. Этот пар разбавляют носителем газообразного азота при 200 мл / мин. </li><li> Поток газообразного азота со скоростью 500 мл / мин для газового коллектора. В газовом коллекторе АР-SÅLD, этот газообразный азот разделен на четыре отдельных канала. Каждый канал служит для пространственного разделения двух окислительных каналов из канала предшественника металла среднее между ними. </li></oл&gt; </li><li> Держите газовый коллектор при температуре 40 ° С с помощью циркулирующей воды. Нагрейте этап (перемещение стекла экспонирования) до требуемой температуры (50 - 150 ° C). </li><li> Установите нужные образцы к голове расстояния, размер образца, скорость валика (50 мм / сек) и число колебаний (циклов) с программным обеспечением, контролирующим валиком. Скорость осаждения ZnO составляет 1,1 нм / с (или за один цикл) и Zn 1-х Mg х O осаждения Скорость составляет примерно 0,54 нм / с при 150 ° С. Типичное число циклов осаждения 200. </li><li> Депозит желаемого оксида на стекле для 400 колебаний или до получения прозрачного толщиной однородную пленку можно увидеть. </li><li> Поместите подложку на стеклянную маску, если требуется, а затем поместить его под газовым коллектором. Отрегулируйте головку (газовый коллектор) Высота до 50 мкм над подложкой. </li><li> ЗАЛОГ Zn 1-х Mg х O пленки сначала путем открытия клапанов для предшественника барботер Mg, тогда предшественник барботер Zn, а затем начать MOVIнг оригиналодержателе под газовым коллектором, нажав кнопку &quot;начать осаждение&quot; в программном обеспечении. Открыть O барботер Н 2 только после сканирования подложки с 5 колебаний металлических предшественников, чтобы избежать Cu 2 O поверхности контакта с окислителем при нагревании. </li><li> Когда осаждение завершено, удалите 2 O подложки Cu от нагретой плиты настолько быстро , насколько это возможно , и закрыть барботер клапаны металлических предшественников. Очистите каналы газа в коллекторе с лезвием, чтобы удалить осажденный порошок оксида. Начало следующего цикла осаждения, как это описано в пункте 2.6. </li><li> По окончании продувки системы в течение 30 минут перед закрытием клапанов азота. </li></ol> 3. Распыление ITO <ol><li> Ионно - плазменным напылением 175 нм оксида индия и олова (ITO) с помощью постоянного тока магнетронного распыления 20 при следующих условиях:. Мощность 20 Вт, базовое давление &lt;10 -9 мбар, Аr под давлением 2,5 Па при скорости распыления 35 нм / мин, разбрызгивание ITO в течение 5 мин для толстой пленки ITO 175 нм. Полученный в результате ITO / ZnO / Cu 2 O Гетеропереходом показано на рисунке 3. </li></ol> 4. Отделка устройств <ol><li> Очистите маркер перо из золотого электрода с ацетоном, чтобы выставить золотой электрод. </li><li> Применить электрические контакты, прикрепляя 2 тонких проволок с Ag пасты на электроды ITO и Au. </li></ol>

<ol>
	<li>Meyer, B. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Binary+copper+oxide+semiconductors:+From+materials+towards+devices.">Binary copper oxide semiconductors: From materials towards devices.</a> Phys. Status Solidi (B). 249 (8), 1487-1509 (2012).</li><li>Mittiga, A., Salza, E., Sarto, F., Tucci, M., Vasanthi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heterojunction+solar+cell+with+2%+efficiency+based+on+a+Cu2O+substrate.">Heterojunction solar cell with 2% efficiency based on a Cu2O substrate.</a> Appl. Phys. Lett. 88 (16), 163502 (2006).</li><li>Minami, T., Miyata, T., Nishi, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cu2O-based+heterojunction+solar+cells+with+an+Al-doped+ZnO/oxide+semiconductor/thermally+oxidized+Cu2O+sheet+structure.">Cu2O-based heterojunction solar cells with an Al-doped ZnO/oxide semiconductor/thermally oxidized Cu2O sheet structure.</a> Solar Energy. 105, 206-217 (2014).</li><li>Duan, Z., Du Pasquier, A., Lu, Y., Xu, Y., Garfunkel, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+Mg+composition+on+open+circuit+voltage+of+Cu2O-MgxZn1&#8722;xO+heterojunction+solar+cells.">Effects of Mg composition on open circuit voltage of Cu2O-MgxZn1&#8722;xO heterojunction solar cells.</a> Sol. Energ. Mat. Sol. C. 96, 1-6 (2011).</li><li>Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-efficiency+Cu2O-based+heterojunction+solar+cells+fabricated+using+a+Ga2O3+thin+film+as+n-type+layer.">High-efficiency Cu2O-based heterojunction solar cells fabricated using a Ga2O3 thin film as n-type layer.</a> Appl. Phys. Express. 6 (4), 044101 (2013).</li><li>Lee, Y. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+layer+deposited+gallium+oxide+buffer+layer+enables+1.2+v+open-circuit+voltage+in+cuprous+oxide+solar+cells.">Atomic layer deposited gallium oxide buffer layer enables 1.2 v open-circuit voltage in cuprous oxide solar cells.</a> Adv. Mater. 26 (27), 4704-4710 (2014).</li><li>Pavan, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TiO2/Cu2O+all-oxide+heterojunction+solar+cells+produced+by+spray+pyrolysis.">TiO2/Cu2O all-oxide heterojunction solar cells produced by spray pyrolysis.</a> Sol. Energ. Mat. Sol. C. 132, 549-556 (2015).</li><li>Ievskaya, Y., Hoye, R. L. Z., Sadhanala, A., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+ZnO/Cu2O+heterojunctions+in+atmospheric+conditions:+Improved+interface+quality+and+solar+cell+performance.">Fabrication of ZnO/Cu2O heterojunctions in atmospheric conditions: Improved interface quality and solar cell performance.</a> Sol. Energ. Mat. Sol. C. 135, 43-48 (2015).</li><li>Minami, T., Nishi, Y., Miyata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Heterojunction+solar+cell+with+6%+efficiency+based+on+an+n-type+aluminum-gallium-oxide+thin+film+and+p-type+sodium-doped+Cu2O+sheet.">Heterojunction solar cell with 6% efficiency based on an n-type aluminum-gallium-oxide thin film and p-type sodium-doped Cu2O sheet.</a> Appl. Phys. Express. 8, 022301 (2015).</li><li>Munoz-Rojas, D., MacManus-Driscoll, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+Atmospheric+Atomic+Layer+Deposition:+A+new+laboratory+and+industrial+tool+for+low-cost+photovoltaics.">Spatial Atmospheric Atomic Layer Deposition: A new laboratory and industrial tool for low-cost photovoltaics.</a> Mater. Horiz. , (2014).</li><li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Research+Update:+Atmospheric+pressure+spatial+atomic+layer+deposition+of+ZnO+thin+films:+Reactors,+doping,+and+devices.">Research Update: Atmospheric pressure spatial atomic layer deposition of ZnO thin films: Reactors, doping, and devices.</a> APL Mat. 3 (4), 040701 (2015).</li><li>Hoye, R. L. Z., Mu&#241;oz-Rojas, D., Musselman, K. P., Vaynzof, Y., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+and+Modeling+of+Uniform+Complex+Metal+Oxides+by+Close-Proximity+Atmospheric+Pressure+Chemical+Vapor+Deposition.">Synthesis and Modeling of Uniform Complex Metal Oxides by Close-Proximity Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition.</a> ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, 10684-10694 (2015).</li><li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+open-circuit+voltage+in+ZnO-PbSe+quantum+dot+solar+cells+by+understanding+and+reducing+losses+arising+from+the+ZnO+conduction+band+tail.">Improved open-circuit voltage in ZnO-PbSe quantum dot solar cells by understanding and reducing losses arising from the ZnO conduction band tail.</a> Adv. Energy Mat. 4 (8), 1301544 (2014).</li><li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhanced+Performance+in+Fluorene-Free+Organometal+Halide+Perovskite+Light-Emitting+Diodes+using+Tunable,+Low+Electron+Affinity+Oxide+Electron+Injectors.">Enhanced Performance in Fluorene-Free Organometal Halide Perovskite Light-Emitting Diodes using Tunable, Low Electron Affinity Oxide Electron Injectors.</a> Adv. Mater. 27, 1414-1419 (2014).</li><li>Hoye, R. L. Z., Musselman, K. P., MacManus-Driscoll, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Research+Update:+Doping+ZnO+and+TiO2+for+solar+cells.">Research Update: Doping ZnO and TiO2 for solar cells.</a> APL Mat. 1 (6), 060701 (2013).</li><li>Ohtomo, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=MgxZn1-xO+as+a+II-VI+widegap+semiconductor+alloy.">MgxZn1-xO as a II-VI widegap semiconductor alloy.</a> Appl. Phys. Lett. 72 (19), 2466-2468 (1998).</li><li>Su, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Valence+band+offset+of+ZnO4H-SiC+heterojunction+measured+by+x-ray+photoelectron+spectroscopy.">Valence band offset of ZnO4H-SiC heterojunction measured by x-ray photoelectron spectroscopy.</a> Appl. Phys. Lett. 92 (19), 1-4 (2008).</li><li>Lee, S. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+Cu2O-based+solar+cells+using+atomic+layer+deposition+to+control+the+Cu+oxidation+state+at+the+p-n+junction.">Improved Cu2O-based solar cells using atomic layer deposition to control the Cu oxidation state at the p-n junction.</a> Adv. Energy Mat. 4 (11), 1301916 (2014).</li><li>Brandt, R. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Band+offsets+of+n-type+electron-selective+contacts+on+cuprous+oxide+(Cu2O)+for+photovoltaics.">Band offsets of n-type electron-selective contacts on cuprous oxide (Cu2O) for photovoltaics.</a> Appl. Phys. Lett. 105 (26), 263901 (2014).</li><li>Hakimi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Magnetism and spin transport studies on indium tin oxide. , (2011).</li><li>Biccari, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Defects and doping in Cu2O. , (2009).</li><li>Schmidt-Whitley, R., Martinez-Clemente, M., Revcolevschi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Growth+and+microstructural+control+of+single+crystal+cuprous+oxide+Cu2O.">Growth and microstructural control of single crystal cuprous oxide Cu2O.</a> J. Cryst. Growth. 23 (2), 113-120 (1974).</li><li>Laughlin, D. E., Hono, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Predominance+phase+diagram+for+the+Cu-O2+system.">Predominance phase diagram for the Cu-O2 system.</a> Physical Metallurgy. 1, 219 (2014).</li><li>Kronemeijer, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+carrier+distribution+in+top-gate+polymer+field-effect+transistors:+correlation+between+width+of+density+of+localized+states+and+Urbach+energy.">Two-dimensional carrier distribution in top-gate polymer field-effect transistors: correlation between width of density of localized states and Urbach energy.</a> Adv. Mater. 26 (5), 728-733 (2014).</li><li>Hoye, R. L. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perspective:+Maintaining+surface-phase+purity+is+key+to+efficient+open+air+fabricated+cuprous+oxide+solar+cells.">Perspective: Maintaining surface-phase purity is key to efficient open air fabricated cuprous oxide solar cells.</a> APL Mat. 3, 020901 (2015).</li><li>Poodt, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spatial+atomic+layer+deposition:+A+route+towards+further+industrialization+of+atomic+layer+deposition.">Spatial atomic layer deposition: A route towards further industrialization of atomic layer deposition.</a> J. Vac. Sci. Technol., A. 30 (1), 010802 (2012).</li></ol>

The authors declare that they have no competing financial interests.

Критические шаги в рамках протокола обусловлены Cu 2 O к окислению поверхности подложки CuO. К ним относятся травление подложки в разбавленной азотной кислоте , чтобы удалить любую CuO после окисления, а также после испарения золотого электрода, сводя к минимуму время подложек проводят в открытом воздухе перед Zn 1-x Mg X O осаждения и , наконец, осаждение Zn 1-х Mg х O на Cu 2 O подложках AP-SÅLD. Преимущество AP-SÅLD по сравнению с обычными ALD является то, что фильмы можно выращивать вне вакуума с темпом роста, который один-два порядка выше. Тем не менее, это означает , что подложки Cu 2 O должны подвергаться воздействию окислителей в воздухе при повышенной температуре , по меньшей мере , непосредственно перед осаждением, что является достаточным для тонкого слоя CuO , чтобы сформировать на поверхности. Это по-видимому, ограничивает применение метода АП-SÅLD до некоторой чувствительных к окислению Материилевая сторона Тем не менее, за счет оптимизации условий АП-SÅLD , такие как температура и время, а также сведение к минимуму Cu 2 подвергание O для воздуха и влаги, шестикратное увеличение КПД преобразования ZnO / Cu 2 O устройства , изготовленные с использованием AP-SÅLD была достигнута , Улучшение пришли из понимания того, что Cu 2 O к окислению CuO является основным ограничивающим фактором оксида меди в качестве материала в гетеропереходной солнечных элементов и модификации протокола изготовления соответственно. Для того, чтобы полностью избежать окисления закиси меди, подложки должны храниться в инертной атмосфере или в вакууме все время, которое может быть сложной задачей при использовании метода осаждения на открытом воздухе, таких как AP-SÅLD. В то время как окисление Cu 2 O избегается в вакуумной техники на основе 3,18, для крупномасштабного производства, важно , что эта проблема может быть сведена к минимуму в процессах атмосферных изготовления. В AP-SÅLD, поверхность подложки может быть подверженавосстановителей до образования гетеро- и уравновешивая окисления Cu 2 O с уменьшением CuO с помощью формирующего газа в процессе осаждения оксида п-типа. 25 Восстанавливающий агент , используемый в AP-SÅLD может быть смесь инертного газа с восстанавливающим газом (например, N 2 + 5% Н 2 25), или число циклов с восстанавливающим предшественника перед осаждением, то есть, безводные циклы, с тем чтобы уменьшить CuO обратно в Cu 2 O непосредственно перед тем , оксид ZnO , начинает расти на его поверхности. В этой работе, стандартный протокол был разработан , что сводит к минимуму образование CuO , оптимизируя этапы изготовления из Cu 2 O обработки и травления для формирования р - п - перехода от AP-SÅLD под открытым небом. Успех этой работы демонстрирует потенциал AP-SÅLD как перспективный метод для применения в дешевых и масштабируемых фотоэлектрических устройств. Этот метод может быть использован для быстрого Deposition из множества n- и р-типа оксидов металлов полупроводниковая, а также блокирование, буфера и барьерных слоев в солнечных элементах на термочувствительных подложек, включая пластмассы.

Оксид меди (Cu 2 O) представляет собой землю обильный нетоксичный р-типа полупроводникового материала 1. С шириной запрещенной зоны 2 эВ, закись меди может выполнять роль поглотителя света в гетеропереходной или тандемных солнечных элементов. В гетеропереходной солнечных батарей, Cu 2 O , как известно, в паре с целым рядом п-типа большой ширины запрещенной зоны полупроводников , таких как ZnO 2 и его вариации, легированные 3,4 Ga 2 O 3 5,6 и TiO 2 7 (Для более подробный обзор на Cu 2 O фотоэлектрической см. 8). Развитие Cu 2 O на основе гетероперехода солнечных элементов представлена ​​на рисунке 1, где метод синтеза гетеро- указывается рядом с каждой точкой данных. Можно отметить , что на основе вакуумных методов , таких как импульсное лазерное осаждение (PLD) или молекулярного наслаивания (ALD) , разрешенных для более высокой эффективности преобразования мощности должна быть достигнута (до 6,1% 9). В сотрудничествеntrast, к.п.д. для методов синтеза невакуумными таких как электрохимического осаждения (ECD) остаются низкими. Тем не менее, для недорогих фотогальванических лучше синтезировать гетеропереход вне вакуума. В то время как вакуум-свободный, масштабируемая методика формирования гетероперехода является более подходящей альтернативой, остается сложной задачей для создания интерфейса высокого качества с помощью таких методов. Оксиды В этой работе мы используем под открытым небом, масштабируемый процесс осаждение тонких пленок называется атмосферное давление пространственного атомного осаждения слоя (AP-SALD) расти N-типа для Cu 2 O на основе солнечных батарей. Продвижение AP-SÅLD по сравнению с обычными ALD является то , что в первом случае , предшественники разделены в пространстве , а не во времени 10. Во время процесса осаждения подложку осциллирует назад и вперед на нагретом валике под газовым коллектором , который содержит каналы предшественники газа , отделенного от инертных газовых каналов, как показано на рисунке 2. Газообразный азот , транспортирующего precursОРР протекает вертикально через газовый коллектор вниз в направлении в поперечном направлении подвижной плиты. Из - за колебаний валике, каждая точка на подложке последовательно подвергается воздействию окислительных и металлических предшественников, как это показано на фиг.2. Это позволяет пленки из оксида металла , чтобы расти слой за слоем. Подробное описание AP-SÅLD проектирования и эксплуатации реактора можно найти в другом месте. 11,12 Такой подход позволяет осаждение происходит от одного до двух порядков быстрее , чем обычные ALD и вне вакуума, который совместим с обработкой с рулона на рулон , Оксидных пленок конформный высокого качества производства AP-SÅLD могут быть осаждены при низких температурах (&lt;150 ° С) на различные подложки , включая пластмассы, что позволяет AP-SÅLD фильмы , которые будут применены к недорогих функциональных устройств , таких как солнечные батареи 13 , светоизлучающие диоды 14 и тонкопленочные транзисторы 15. Выполненное на заказ газовый коллектор AP-SALDВ работе использованы механически поддерживается над подложкой, находящегося на столе. Это позволило контролировать подложки-многообразие расстояния независимо от скорости потока газа. Использовали большое расстояние 50 мкм, что привело к перемешиванию между металлическим предшественником и окислителя в газовой фазе. Таким образом, реактор AP-SALD работал в режиме химического осаждения из паровой фазы (CVD). Это было установлено, что предпочтительно более , работающих в режиме ALD , так как пленки были выращены на более высокой скорости, но по- прежнему с высокой равномерностью по толщине и были кристаллическими , при осаждении на тех же температурах, ALD пленок. 12 При этом мы по- прежнему относятся к реактору , как реактор AP-SALD , потому что он имеет те же принципы , основные конструкции , как других реакторов AP-SÅLD. 11 Мы использовали наш реактор для осаждения п-типа слой для наших солнечных элементов, в частности , оксид цинка и оксид цинка магния (Zn 1-х Mg х O 16,17). Включение Mg IntO ZnO позволяет зоны проводимости быть настроены, что важно для снижения потерь из - за полосы хвоста термализации 13 и межфазного рекомбинации. 18,19 Здесь мы покажем, как настраивать условия для осаждения оксида цинка и цинка магния пленок оксида на термически окисленных подложках оксида одновалентной позволило улучшить качество интерфейса и, следовательно, более высокую производительность солнечных батарей, которые будут получены. Это улучшение стало возможным благодаря идентификации основных факторов, сдерживающих Cu 2 O на основе солнечных элементов: рекомбинации на границе раздела гетероперехода из - за чрезмерного образования оксида меди (CuO) на 2 O поверхности Cu.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="942">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:320px;">Copper foil</td>
			<td style="width:336px;">AVOCADO RESEARCH CHEMICALS LTD T/A ALFA AESAR</td>
			<td align="right" style="width:119px;">13380</td>
			<td style="width:167px;">0.127 mm thick, annealed, 99.9% (metals basis), annealed</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">Rapidox Oxygen analyzer</td>
			<td style="width:336px;">Rapidox</td>
			<td>&#160;Model 2100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">Alumina boat</td>
			<td style="width:336px;">ALMATH CRUCIBLES LTD</td>
			<td align="right" style="width:119px;">6121203</td>
			<td>Dimensions 20 mm x 50 mm x 5 mm</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">GOLD PELLETS</td>
			<td style="width:336px;">KJLC</td>
			<td style="width:119px;">EVMAUXX40G</td>
			<td>99.99% PURE 1/8&#34; X 1/8&#34;, SOLD BY THE GRAM</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">Diethylzinc</td>
			<td style="width:336px;">ALDRICH</td>
			<td style="width:119px;">256781&#160;</td>
			<td style="width:167px;">&#8805;52 wt. % Zn basis</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">Bis(ethylcyclopentadienyl)magnesium</td>
			<td style="width:336px;">Strem Chemicals UK</td>
			<td style="width:119px;">12-0510</td>
			<td>5g</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">ITO target</td>
			<td style="width:336px;">GoodFellow Cambridge Limited</td>
			<td style="width:119px;">LS 427438</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">VHT engine enamel paint</td>
			<td style="width:336px;">Halfords</td>
			<td align="right" style="width:119px;">325019</td>
			<td>very high temperature engine enamel black paint</td>
		</tr>
		<tr height="25">
			<td height="25" style="height:25px;width:320px;">Nitric acid HNO3, ACS reagent 70%&#160;</td>
			<td style="width:336px;">Sigma-Aldrich Co Ltd</td>
			<td style="width:119px;">438073-2.5L</td>
			<td>Harmful, irritant</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:320px;">2 % Oxygen/Argon 200 bar</td>
			<td style="width:336px;">BOC Limited</td>
			<td style="width:119px;">225757-L</td>
			<td>gas mixture for Cu foil oxidation, to be diluted with Ar</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

improved heterojunction quality in cu2o-based solar cells through the optimization of atmospheric pressure spatial atomic layer deposited zn1-xmgxo

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.

Watch this Scientific Journal Video about Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO at JoVE.co

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Здесь мы приводим протокол для синтеза Zn 1-х Mg х O / Cu 2 O гетеропереходов в открытом воздухе при низкой температуре с помощью атмосферного давления пространственного осаждения атомных слоев (AP-SÅLD) из Zn 1-х Mg х O на закиси меди. Такие высококачественные конформные оксиды металлов можно выращивать на различных подложках, включая пластмассы от этого дешевого и масштабируемого метода.

Улучшение качества Гетеропереход в Cu<sub&gt; 2</sub&gt; O на основе солнечных батарей за счет оптимизации атмосферного давления пространственного атомного слоя Деп<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-х</sub&gt; Mg<sub&gt; х</sub&gt; O

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 ...

Research

JoVE Journal

Chemistry

Improved Heterojunction Quality in Cu2O-based Solar Cells Through the Optimization of Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposited Zn1-xMgxO

Optimization of Synthetic Proteins: Identification of Interpositional Dependencies Indicating Structurally and/or Functionally Linked Residues

Оптимизация синтетических белков: Идентификация Interpositional зависимостей индикации Конструктивно и / или функционально связанных остатков

Protein alignments are commonly used to evaluate the similarity of protein residues, and the derived consensus sequence used for identifying functional ...

Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes

Слой за слоем Синтез и передачи Корпусная сопряженных микропористых полимерных наномембран

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in ...

Epitaxial Growth of Perovskite Strontium Titanate on Germanium via Atomic Layer Deposition

Эпитаксиального роста перовскита титаната стронция на германии с помощью атомного слоя осаждения

Atomic layer deposition (ALD) is a commercially utilized deposition method for electronic materials. ALD growth of thin films offers thickness control and ...

Fizzy Extraction of Volatile Organic Compounds Combined with Atmospheric Pressure Chemical Ionization Quadrupole Mass Spectrometry

Физзи-экстракция летучих органических соединений в сочетании с химическим ионизацией при атмосферном давлении. Квадрупольная масс-спектрометрия

Chemical analysis of volatile and semivolatile compounds dissolved in liquid samples can be challenging. The dissolved components need to be brought to ...

Solvothermal Synthesis of MIL-96 and UiO-66-NH2 on Atomic Layer Deposited Metal Oxide Coatings on Fiber Mats

Solvothermal Synthesis of MIL-96 and UiO-66-NH2 on Atomic Layer Deposited Metal Oxide Coatings on Fiber Mats

Solvothermal синтез MIL-96 и UiO-66-NH2 атомного слоя на хранение окиси металла покрытия волокно коврики

Metal-organic frameworks (MOFs), which contain reactive metal clusters and organic ligands allowing for large porosities and surface areas, have proven ...

Surface Functionalization of Metal-Organic Frameworks for Improved Moisture Resistance

Функционализация поверхности металлоорганических рамок для улучшения влагостойкости

Metal-organic frameworks (MOFs) are a class of porous inorganic materials with promising properties in gas storage and separation, catalysis and sensing. ...

Key Factors Affecting the Performance of Sb2S3-sensitized Solar Cells During an Sb2S3 Deposition via SbCl3-thiourea Complex Solution-processing

Key Factors Affecting the Performance of Sb2S3-sensitized Solar Cells During an Sb2S3 Deposition via SbCl3-thiourea Complex Solution-processing

Ключевые факторы, влияющие на производительность Sb2S3-сенсибилизированных солнечных батарей во время Sb2S3 осаждения через SbCl3-тиокарбамид сложные решения обработка

Sb2S3 is considered as one of the emerging light absorbers that can be applied to next-generation solar cells because of its unique optical and electrical ...

Experimental Methods for Efficient Solar Hydrogen Production in Microgravity Environment

Экспериментальные методы эффективного производства солнечного водорода в микрогравитационной среде

Long-term space flights and cis-lunar research platforms require a sustainable and light life-support hardware which can be reliably employed outside the ...

Niobium Oxide Films Deposited by Reactive Sputtering: Effect of Oxygen Flow Rate

Ниобий оксида Пленки депонируется реактивного распыления: Влияние скорости кислородного потока

Reactive sputtering is a versatile technique used to form compact films with excellent homogeneity. In addition, it allows easy control over deposition ...

Fabrication of Thin Film Silver/Silver Chloride Electrodes with Finely Controlled Single Layer Silver Chloride

Изготовление тонкопленочных серебряных/серебряных хлоридных электродов с мелко контролируемым однослойным хлоридом серебра

This paper aims to present a protocol to form smooth and well-controlled films of silver/silver chloride (Ag/AgCl) with designated coverage on top of thin ...