提高铜基异质结质量₂通过常压空间原子层沉积优化的氧化物基太阳能电池
Zn_1-xMg_xO

本实验的总体目标是获得在非真空条件下合成的氧化锌-氧化亚铜异质结中的高质量界面。该目标通过在热氧化生成的氧化亚铜上，采用常压空间原子层沉积（AP-SALD）技术沉积氧化锌薄膜来实现。常压空间原子层沉积是一种氧化物印刷技术，可在常压和低温条件下，以与其自身双兼容工艺相匹配的方式，实现具有精确厚度控制的保形氧化物薄膜的沉积。

我们的常压空间ALD系统非常适合快速合成高质量、均匀、结晶的多组分金属氧化物，用于电子器件，本文以氧化锌镁为例进行了演示。首先，将厚度为0.127毫米的铜箔切割成13毫米×13毫米的正方形，并在丙酮中超声清洗。使用气枪吹干铜箔方片，以去除残留的丙酮。

然后，将干燥的基底放入铝坩埚中，并将坩埚置于炉膛内。在持续通入氩气的条件下，将铜箔方片加热至1,000摄氏度。在整个氧化过程中，使用气体分析仪监测炉内气体环境。

当温度达到 1,000 摄氏度时，以适当的流速向炉内通入氧气，使氧分压达到 10,000 ppm，并维持至少两个小时。两小时后，关闭氧气气流。在氩气持续流动的条件下，将炉温冷却至 500 摄氏度。

将坩埚迅速从炉中取出，使氧化后的基底破裂。然后将其浸入去离子水中冷却。接着，通过反复滴加稀硝酸腐蚀基底的一侧，以去除表面的氧化铜。

继续蚀刻直至氧化铜表面无灰色薄膜残留。蚀刻完成后，立即用去离子水冲洗每个基底，并在异丙醇中进行超声处理，然后用气枪吹干基底。在将金沉积到基底的蚀刻面后，用稀硝酸蚀刻基底的另一侧，方法是在表面滴加一滴酸液，注意避免蚀刻到另一侧的金电极。

用刷子将基底冲洗并干燥后，涂覆黑色绝缘漆，留出约0.1平方厘米的未遮蔽区域作为太阳能电池的活性区域。用记号笔覆盖背面的金电极。设置好AP-SALD反应器后，调节二乙基锌前驱体的鼓泡速率为每分钟6毫升，镁前驱体的鼓泡速率为每分钟200毫升，以沉积氧化锌镁。

接下来，将金属前驱体混合物的氮气载气流速设置为100毫升/分钟，并使氮气以200毫升/分钟的流速通过去离子水鼓泡，该去离子水作为氧化剂，并用氮气稀释。现在，向气体分配管路通入500毫升/分钟的氮气。通过循环水将气体分配管路的温度维持在40摄氏度。

然后，将载物台或移动压板加热至所需温度。使用控制压板的软件设置样品尺寸、压板速度和振荡次数。在载玻片上沉积所需的氧化物，进行400次振荡，或直至观察到清晰、厚实且均匀的薄膜。

沉积后，将基底置于玻璃掩模上，并将其放入气体歧管下方。调节喷头（即气体歧管高度），使其距离基底表面 50 微米。首先打开镁前驱体鼓泡器的阀门，随后打开锌前驱体鼓泡器的阀门，以此沉积氧化锌镁薄膜。

然后，在软件中点击“开始沉积”以启动加热平台在气体歧管下的移动。为避免氧化亚铜表面在加热时接触氧化剂，需先用金属前驱体振荡扫描基底五次后，再打开水鼓泡器。沉积完成后，应尽快将基底从加热的平台上取下，并关闭金属前驱体的鼓泡器阀门。

使用刀片清洁歧管中的气体通道，以去除沉积的氧化物粉末。应尽量减少刻蚀后的氧化亚铜基底在加热板上暴露于空气中的时间，因为温度会加速表面氧化亚铜的生长。在基底上溅射氧化铟锡后，用丙酮去除金电极上的标记物，以暴露电极。

最后，使用银浆将两根细导线粘附到氧化铟锡和金电极上，以制备电接触。刻蚀与未刻蚀氧化亚铜基底的光热偏转光谱显示，在1.4电子伏特以上出现吸收，并在2电子伏特时趋于饱和，这可归因于基底表面存在氧化亚铜。未刻蚀基底在2电子伏特以下的吸收更强，表明其表面的氧化铜层更厚。

通过能量色散X射线光谱法验证了氧化亚铜基底上存在氧化铜外延生长物。标准光伏电池表面的扫描电镜图像显示，由于氧化亚铜暴露于空气和氧化剂中而形成了氧化铜外延生长物。相比之下，优化后的器件表面则无氧化铜外延生长物。

通过优化氧化锌沉积条件，器件效率提高了六倍。采用优化的氧化锌镁薄膜的器件效率更高，达到2.2%。两种器件的外量子效率光谱在475纳米以下存在差异，该波长范围对应于界面附近吸收的光。

在较高温度下制备的异质结的外量子效率低于较低温度下制备的异质结的一半，表明由于氧化铜含量较高，导致界面质量较低。通过优化常压原子层沉积氧化锌在热氧化生成的氧化亚铜上的生长条件，可改善异质结界面质量并提升太阳能电池性能。相同的优化策略也可应用于电化学沉积氧化亚铜太阳能电池。

我们通过大气沉积法将结晶的氧化锌镁沉积在氧化铜上，以提高异质结太阳能电池的开路电压。本研究报道了在非真空条件下制备的氧化亚铜异质结太阳能电池迄今最高的转换效率，达到2.2%。