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原子层淀积生长的ZnO层:一种新型的透明导电氧化物材料
发表于:2012-04-21 16:57:24
来源:www.solarbe.com作者:solarbe
原子层淀积生长的ZnO层:一种新型的透明导电氧化物材料
M.Godlewskia.b, E.Guziewicza, G.Lukaa, T.Krajewskia, M.lukasiewiczab, L.Wachnickiab, A.Wachnickaab, K.Kopalkoa, A.Saremc, B.Dalatic
a:波兰华沙,波兰科学院,物理研究院;
b:波兰华沙,维新斯基枢机大学理学院,数学和自然科学部;
c:叙利亚拉塔基亚,提斯林大学理学院,物理部;
    论文信息:2009年5月发表
    关键字:ALD)原子层淀积;光生伏特;ZnO;通明导电氧化物;碲化镉CdTe;有机材料;
    摘要:我们展示了ALD生长的ZnO薄膜电性通过选择锌反应物和生长温度进行控制的可能性。ALD生长的ZnO薄膜作为上层透明导电氧化物被用在测试光电器件(太阳能电池)上,在无机或有机太阳能电池中的透明层,并作为n-型层与p-型层CdTe结合。
1. 介绍
当前太阳能业内占首要位置的单晶和多晶太阳能电池太低的效率(导致太长的成本回收时间)是推广应用的限制因素。这也就是为什么其他材料和结构被大量的研究的原因。这些研究的目的要么是为了提升电池转换效率,比如使用多结薄膜异质结构,要么是为了降低成本,用其他材料取代当前使用的透明氧化物和硅。在此次工作中这样的可能性有被讨论。我们展示了通过在ALD制程选择适当的生长条件生长出ZnO薄膜,甚至不需要故意掺杂,它显示出了n-型高电导率和透明导电氧化物材料的高透明性,或者在新型太阳电池中对CdTe或有机材料的n-型部分要求的性质。
2. ALD技术
原子层淀积技术是一种基于有序表面化学特性自限制生长的制程,通过清除步骤去除表面反应物。典型的生长过程由ALD一个周期的多次重复组成:a)第一次气态反应物通入反应腔;b)生成物清除用中性气体去除没有被吸收的反应物;c) 第二次气态反应物通入反应腔,和第一次被吸收在生长薄膜表面的反应;d) 生成物清除用中性气体去除第二次没有被吸收的反应物和反应副产物。因为只需要在沉积薄膜表面反应,这种ALD周期意味可以使用高活性反应物。这带来了ALD方式最受吸引的性质:在非典型的低温下生长成为可能。在我们最近的报告中,我们展示了在非常低温下生长ZnO薄膜的可能性,远低于200C。
    为了生长出电性符合要求的ZnO薄膜,我们实验了几种无机和有机Zn的反应物。最有效率的Zn反应物是Zn(C2H5)2 (DEZn, 二乙基锌)混合作为氧化反应物的去离子水:
Zn(C2H5)2 + H2O → ZnO + 2C2H6
    我们在ALD制程中使用的生长参数是:脉冲时间(通入反应物的时间):H2O是15ms, DEZn在20ms到90ms之间。为了达到低自由电子浓度,清除时间相对较长:H2O是8s或20s,对于DeZn 8s是必须的。在较高的温度下沉积,这些时间可以缩短到1s。基板(玻璃,刚玉,测试用的硅片和光伏电池使用的CdTe)温度在60C-240C之间波动。二甲基锌(DMZn)作为反应物,生长温度可以降低到室温。
    非常低的生长温度给ZnO/有机材料异质结构的形成开创了机会,这对发展以有机材料为基础的光伏结构是至关重要的。此外,如同在此次工作中表述的,通过选择生长条件我们可以得到合适的ZnO 作为TCO材料,以及作为在CdTe和一些有机材料中的n-型部分。
3. 结果和讨论
3.1.ALD生长的ZnO用作TCO材料
    当前使用的透明导电氧化物急需替换。由于铟价格的迅速上升导致广泛使用的ITO(In2O3:Sn)变的非常昂贵。此外,ITO应用在新型光伏电池中还有一些限制。当CdS沉积在ITO顶部氧化物上时,钠钙玻璃中的碱性原子从玻璃经过ITO扩散到CdS中,从而改变其电特性。
    在参考文献可以看到,最近实验了几种替代的TCO材料。其中,因其低成本,ZnO看起来是最好选择之一。在TCO应用中为了达到电导率的要求,通常是在ZnO中掺杂三价的阳离子,比如铟和铝。然而,这种方法带来很严重的问题。由于Al的扩散,ZnO:Al薄膜在高温下不稳定。而且,由于晶粒阻挡限制了输运作用,通过溅射得到的 ZnO:Al显示在提高载流子浓度时其电子迁移率有下降。于是另外一种方法要求材料达到自由电子浓度的要求。这就是为什么我们为了光伏应用选择了ZnO ALD生长方式,并实验这几乎没有掺杂薄膜的适合性。生长条件的选择让我们得到了宽范围电导率的ZnO薄膜。如同参考文件中讨论的,两种Zn反应物的使用和低的生长温度使我们能够控制n-型掺杂水平在1016-1017cm-3和1020cm-3之间。这种方式得到的薄膜非常平坦。对玻璃基板上的沉积薄膜,他们的平均粗糙度(均方根,RMS)在4-4.5nm间波动;对在最低温度下的生长薄膜,是在2nm以下(约1.7-1.8nm);对在200-220C温度生长薄膜,
3.2.CdTe/ZnO光伏电池中ALD生长的ZnO用作n-型部分
3.3.ALD生长的ZnO用在混合结构中(ZnO/有机材料)和纳米棒覆盖层
4. 结论
感谢
关键词: 原子层淀
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