Name: synthesis and characterization of high c-axis zno thin film by plasma enhanced chemical vapor deposition system and its uv photodetector application
Uploaded: 2015-10-03T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 18 s
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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><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 controller</td><td>PROTEC INSTRUMENTS</td><td>PC-540</td><td></td></tr><tr><td>Pressure controller</td><td>MKS</td><td>600 series&amp;nbsp;</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&amp;nbsp;</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&amp;nbsp;</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 &amp;amp; Haas company</td><td>S1813</td><td></td></tr><tr><td>Developer</td><td>Shipley a Rohm &amp;amp; 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

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Engineering

15.2K 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.

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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

Fabrication of Nano-engineered Transparent Conducting Oxides by Pulsed Laser Deposition

Nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition of metal oxides with tunable morphology, structure, density and stoichiometry by a proper control of the plasma plume expansion dynamics. Such versatility can be exploited to produce nanostructured films from compact and dense to nanoporous characterized by a hierarchical assembly of nano-sized clusters. In particular we describe the detailed methodology to fabricate two types of Al-doped ZnO (AZO) films as transparent electrodes in photovoltaic devices: 1) at low O2 pressure, compact films with electrical conductivity and optical transparency close to the state of the art transparent conducting oxides (TCO) can be deposited at room temperature, to be compatible with thermally sensitive materials such as polymers used in organic photovoltaics (OPVs); 2) highly light scattering hierarchical structures resembling a forest of nano-trees are produced at higher pressures. Such structures show high Haze factor (&gt;80%) and may be exploited to enhance the light trapping capability. The method here described for AZO films can be applied to other metal oxides relevant for technological applications such as TiO2, Al2O3, WO3 and Ag4O4.

We describe the experimental method to deposit nanostructured oxide thin films by nanosecond Pulsed Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas. By using this method Al-doped ZnO (AZO) films, from compact to hierarchically structured as nano-tree forests, can be deposited.

Herstellung von transparenten leitenden Oxide durch Pulsed Laser Deposition Nano-engineered

Nanosecond Pulsed  Laser Deposition (PLD) in the presence of a background gas allows the deposition  of metal oxides with tunable morphology, structure, ...

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and reduction half reactions, and fast electron (hole) diffusion and charge separation. Nanowires present suitable architectures to meet these requirements. Axially segmented Ag|ZnO and radially segmented (coaxial) TiO2-Ag nanowires with a diameter of 200 nm and a length of 6-20 &#181;m were made by templated electrodeposition within the pores of polycarbonate track-etched (PCTE) or anodized aluminum oxide (AAO) membranes, respectively. In the photocatalytic experiments, the ZnO and TiO2 phases acted as photoanodes, and Ag as cathode. No external circuit is needed to connect both electrodes, which is a key advantage over conventional photo-electrochemical cells. For making segmented Ag|ZnO nanowires, the Ag salt electrolyte was replaced after formation of the Ag segment to form a ZnO segment attached to the Ag segment. For making coaxial TiO2-Ag nanowires, a TiO2 gel was first formed by the electrochemically induced sol-gel method. Drying and thermal annealing of the as-formed TiO2 gel resulted in the formation of crystalline TiO2 nanotubes. A subsequent Ag electrodeposition step inside the TiO2 nanotubes resulted in formation of coaxial TiO2-Ag nanowires. Due to the combination of an n-type semiconductor (ZnO or TiO2) and a metal (Ag) within the same nanowire, a Schottky barrier was created at the interface between the phases. To demonstrate the photocatalytic activity of these nanowires, the Ag|ZnO nanowires were used in a photocatalytic experiment in which H2 gas was detected upon UV illumination of the nanowires dispersed in a methanol/water mixture. After 17 min&#160;of illumination, approximately 0.2 vol% H2 gas was detected from a suspension of ~0.1 g of Ag|ZnO nanowires in a 50 ml 80 vol% aqueous methanol solution.

Preparation and Use of Photocatalytically Active Segmented Ag|ZnO and Coaxial TiO2-Ag Nanowires Made by Templated Electrodeposition

Procedures are outlined to prepare segmented and coaxial nanowires via templated electrodeposition in nanopores. As examples, segmented nanowires consisting of Ag and ZnO segments, and coaxial nanowires consisting of a TiO2 shell and a Ag core were made. The nanowires were used in photocatalytic hydrogen formation experiments.

Herstellung und Verwendung von photokatalytisch aktiven segmentierte Ag | ZnO und TiO Koaxial<sub&gt; 2</sub&gt; Ag-Nanodrähte Hergestellt von gestützte Elektrochemische Abscheidung

Photocatalytically active nanostructures require a large specific surface area with the presence of many catalytically active sites for the oxidation and ...

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.

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

Here we present a protocol for synthesizing Zn1-xMgxO/Cu2O heterojunctions in open-air at low temperature via atmospheric pressure spatial atomic layer deposition (AP-SALD) of Zn1-xMgxO on cuprous oxide. Such high quality conformal metal oxides can be grown on a variety of substrates including plastics by this cheap and scalable method.

Verbesserte Qualität Hetero in Cu<sub&gt; 2</subSolarzellen durch die Optimierung der Atmosphärendruck Spatial Atomic Layer&gt; O-basierte Hinterlegt<br /&gt; Zn<sub&gt; 1-x</sub&gt; Mg<sub&gt; x</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 ...

Chemie

Synthesis of Hierarchical ZnO/CdSSe Heterostructure Nanotrees

A two-step chemical vapor deposition procedure is here employed to prepare tree-like hierarchical ZnO/CdSSe hetero-nanostructures. The structures are composed of CdSSe branches grown on ZnO nanowires that are vertically aligned on a transparent sapphire substrate. The morphology was measured via scanning electron microscopy. The crystal structure was determined by X-ray powder diffraction analysis. Both the ZnO stem and CdSSe branches have a predominantly wurtzite crystal structure. The mole ratio of S and Se in the CdSSe branches was measured by energy dispersive X-ray spectroscopy. The CdSSe branches result in strong visible light absorption. Photoluminescence (PL) spectroscopy showed that the stem and branches form a type-II heterojunction. PL lifetime measurements showed a decrease in the lifetime of emission from the trees when compared to emission from individual ZnO stems or CdSSe branches and indicate fast charge transfer between CdSSe and ZnO. The vertically aligned ZnO stems provide a direct electron transport pathway to the substrate and allow for efficient charge separation after photoexcitation by visible light. The combination of the abovementioned properties makes ZnO/CdSSe nanotrees promising candidates for applications in solar cells, photocatalysis, and opto-electronic devices.

Here, we prepare and characterize novel tree-like hierarchical ZnO/CdSSe nanostructures, where CdSSe branches are grown on vertically aligned ZnO nanowires. The resulting nanotrees are a potential material for solar energy conversion and other opto-electronic devices.

Synthese von Hierarchical ZnO / CdSSe Heterostruktur Nanotrees

A two-step chemical vapor deposition procedure is here employed to prepare tree-like hierarchical ZnO/CdSSe hetero-nanostructures. The structures are ...

Aerosol-assisted Chemical Vapor Deposition of Metal Oxide Structures: Zinc Oxide Rods

Whilst columnar zinc oxide (ZnO) structures in the form of rods or wires have been synthesized previously by different liquid- or vapor-phase routes, their high cost production and/or incompatibility with microfabrication technologies, due to the use of pre-deposited catalyst-seeds and/or high processing temperatures exceeding 900 &#176;C, represent a drawback for a widespread use of these methods. Here, however, we report the synthesis of ZnO rods via a non-catalyzed vapor-solid mechanism enabled by using an aerosol-assisted chemical vapor deposition (CVD) method at 400 &#176;C with zinc chloride (ZnCl2) as the precursor and ethanol as the carrier solvent. This method provides both single-step formation of ZnO rods and the possibility of their direct integration with various substrate types, including silicon, silicon-based micromachined platforms, quartz, or high heat resistant polymers. This potentially facilitates the use of this method at a large-scale, due to its compatibility with state-of-the-art microfabrication processes for device manufacture. This report also describes the properties of these structures (e.g., morphology, crystalline phase, optical band gap, chemical composition, electrical resistance) and validates its gas sensing functionality towards carbon monoxide.

Columnar zinc oxide structures in the form of rods are synthesized via aerosol-assisted chemical vapor deposition without the use of pre-deposited catalyst-seed particles. This method is scalable and compatible with various substrates based on either silicon, quartz or polymers.

Aerosol-assisted Chemical Vapor Deposition von Metall-Oxid-Strukturen: Zinkoxid-Stangen

Whilst columnar zinc oxide (ZnO) structures in the form of rods or wires have been synthesized previously by different liquid- or vapor-phase routes, ...

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 Schottky Diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostructure Grown by Plasma-assisted Molecular Beam Epitaxy

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device applications. Zinc oxide (ZnO), a semiconductor with a wide bandgap (3.4 eV) and high electron saturation velocity has gained a great deal of attention as an attractive material for high speed devices. Efficient gate modulation, however, requires high-quality Schottky contacts on the barrier layer. In this article, we present our Schottky diode fabrication procedure on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructure with high density 2DEG which is achieved through strain modulation and incorporation of a few percent Be into the MgZnO-based barrier during growth by molecular beam epitaxy (MBE). To achieve high crystalline quality, nearly lattice-matched high-resistivity GaN templates grown by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) are used as the substrate for the subsequent MBE growth of the oxide layers. To obtain the requisite Zn-polarity, careful surface treatment of GaN templates and control over the VI/II ratio during the growth of low temperature ZnO nucleation layer are utilized. Ti/Au electrodes serve as Ohmic contacts, and Ag electrodes deposited on the O2 plasma pretreated BeMgZnO surface are used for Schottky contacts.

Attainment of high-quality Schottky contacts is imperative for achieving efficient gate modulation in heterostructure field effect transistors (HFETs). We present the fabrication methodology and characteristics of Schottky diodes on Zn-polar BeMgZnO/ZnO heterostructures with high-density two dimensional electron gas (2DEG), grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy on GaN templates.

Herstellung von Schottky-Dioden auf Zn-polar BeMgZnO/ZnO Heterostruktur gewachsen durch Plasmaunterstützte Molekularstrahl-Epitaxie

Heterostructure field effect transistors (HFETs) utilizing a two dimensional electron gas (2DEG) channel have a great potential for high speed device ...

The Effect of Anodization Parameters on the Aluminum Oxide Dielectric Layer of Thin-Film Transistors

Aluminum-oxide (Al2O3) is a low cost, easily processable and high dielectric constant insulating material that is particularly appropriate for use as the dielectric layer of thin-film transistors (TFTs). Growth of aluminum-oxide layers from anodization of metallic aluminum films is greatly advantageous when compared to sophisticated processes such as atomic layer deposition (ALD) or deposition methods that demand relatively high temperatures (above 300 &#176;C) such as aqueous combustion or spray-pyrolysis. However, the electrical properties of the transistors are highly dependent on the presence of defects and localized states at the semiconductor/dielectric interface, which are strongly affected by the manufacturing parameters of the anodized dielectric layer. To determine how several fabrication parameters influence the device performance without performing all possible combination of factors, we used a reduced factorial analysis based on a Plackett-Burman design of experiments (DOE). The choice of this DOE permits the use of only 12 experimental runs of combinations of factors (instead of all 256 possibilities) to obtain the optimized device performance. The ranking of the factors by the effect on device responses such as the TFT mobility is possible by applying analysis of variance (ANOVA) to the obtained results.

Anodization parameters for growth of the aluminum-oxide dielectric layer of zinc-oxide thin-film transistors (TFTs) are varied to determine the effects on the electrical parameter responses. Analysis of variance (ANOVA) is applied to a Plackett-Burman design of experiments (DOE) to determine the manufacturing conditions that result in optimized device performance.

Der Effekt von Eloxierungsparametern auf die Aluminiumoxid-Dielektrikumsschicht von Dünnschichttransistoren

Aluminum-oxide (Al2O3) is a low cost, easily processable and high dielectric constant insulating material that is particularly appropriate for use as the ...

Metal Oxide Heterojunction for Photocatalytic Activities

There is a significant global demand for improvements in synthesis techniques and their optimal characteristics, especially for industrial-scale applications. Sol-gel-based solution combustion synthesis (SG-SCS) is a simple method to produce ordered porous materials. In this regard, Pearson&#39;s hard and soft acids and bases theory assists in selecting host-dopant reactivity to form a proper heterojunction.
The formation of a heterojunction also changes the essential properties of the materials, improving photocatalysis via charge transfer or synergistic activities. A calcination temperature of 500 &#176;C is ideal for this process based on the results of the stability assessment via a differential thermogravimetry ratio analysis (DTG).
The nanoscale dimensions of the nanoparticles (NPs) and nanocomposites (NCs) generated were validated using X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM). Furthermore, the scanning electron microscopy micrographs and BET analyses confirmed the porosity nature of the materials. HRTEM, X-ray photoelectron spectroscopy, and energy-dispersive X-ray investigations established the materials composition. The study found that NCs degraded the acid orange 8 (AO8) color more efficiently than bare ZnO.

The development of a heterojunction boosts the photocatalytic activities of solution combustion synthesis, which is a time-/energy-efficient process. Advanced analytical characterization techniques were used in this protocol to evaluate the materials&#39; characteristics, and nanocomposites demonstrated improved acid orange-8 dye degradation.

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

Zusammenfassung

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