研究目的
开发一种低成本、低温、高速的薄膜沉积方法,利用微波激发大气压等离子体射流(MWAPPJ)制备氧化锌(ZnO)纳米片,并将这些薄膜作为有机光伏(OPV)电池中的电子收集层以降低制造成本。
研究成果
该研究成功开发出一种低成本、低温、高速的薄膜沉积方法,利用MWAPPJ制备ZnO纳米片。增加网状靶材数量促进了沉积物生长及形貌从颗粒向棒状转变。XPS证实氧气混合增强了Zn-O键。初步有机光伏测试结果表现良好,光电转换效率达0.23%,显示出低成本太阳能电池生产的潜力。未来工作应聚焦于优化以提升性能。
研究不足
采用MWAPPJ处理的ZnO薄膜的OPV器件尚未完全优化,导致其效率低于溶胶-凝胶法制备的器件。该沉积方法可能需要进一步改进以提高薄膜质量和器件性能。使用多重网状靶材增加了工艺复杂性,若不做额外调整,该工艺可能不具备可扩展性。
1:实验设计与方法选择:
本实验采用微波激发常压等离子体射流(MWAPPJ)进行薄膜沉积。该方法因无需真空设备即可产生低温等离子体并实现高速沉积而被选用。理论模型包括等离子体生成与溶胶-凝胶化学。
2:样品选择与数据来源:
将乙酰丙酮锌(Zn(acac)?)溶胶-凝胶前驱体涂覆于10 mm×10 mm不锈钢网靶材上,以硅片作为沉积基底。通过扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)获取薄膜形貌与性能数据。
3:实验设备与材料清单:
设备包含2.45 GHz微波电源的MWAPPJ装置、多功函数发生器、E-H调谐器、石英管、红外热像仪(InfReC R300SR,日本航空电子工业株式会社)、场发射扫描电镜(JSM-7610F,日本电子株式会社)、XPS(JPS-9010MC,日本电子株式会社)、Keithley 2400数字源表、旋涂仪(Mikasa株式会社)、充氮手套箱(NEXUS II,VAC)及热蒸发系统。材料包括氦气、氧气、Zn(acac)?、2-甲氧基乙醇、乙酰丙酮、不锈钢网、硅基底、ITO基底、P3HT、PC61BM、MoO?及金。
4:45 GHz微波电源的MWAPPJ装置、多功函数发生器、E-H调谐器、石英管、红外热像仪(InfReC R300SR,日本航空电子工业株式会社)、场发射扫描电镜(JSM-7610F,日本电子株式会社)、XPS(JPS-9010MC,日本电子株式会社)、Keithley 2400数字源表、旋涂仪(Mikasa株式会社)、充氮手套箱(NEXUS II,VAC)及热蒸发系统。材料包括氦气、氧气、Zn(acac)?、2-甲氧基乙醇、乙酰丙酮、不锈钢网、硅基底、ITO基底、P3HT、PC61BM、MoO?及金。 实验流程与操作步骤:
4. 实验流程与操作步骤:MWAPPJ设置参数为氦气流速3 slm、占空比50%、输入功率50 W、等离子体辐照时间60 s。距离参数:d?(石英管至靶材)=1.5 mm,d?(靶材至基底)=5.0 mm。对涂覆ZnO前驱体的网靶进行辐照,实现在硅基底上的沉积。有机光伏器件制备过程中,依次进行ZnO薄膜旋涂/沉积、活性层沉积、MoO?蒸发及金电极沉积,表面温度通过红外相机监测。
5:0%、输入功率50 W、等离子体辐照时间60 s。距离参数:
5. 数据分析方法:SEM在5 kV工作电压下进行形貌分析;XPS采用Mg Kα光源、10 eV通能进行化学键分析;J-V特性在AM 1.5 G太阳光模拟下通过Keithley 2400测量。
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获取完整内容-
Field Emission Scanning Electron Microscope
JSM-7610F
JEOL Ltd.
Analyzing the surface morphology of nanostructured ZnO thin-films
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X-ray Photoelectron Spectrometer
JPS-9010MC
JEOL Ltd.
Examining the chemical bonding state of ZnO thin-films
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Digital Source Meter
Keithley 2400
Keithley
Measuring current density vs. voltage characteristics of OPV cells
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Infrared Thermal Image Camera
InfReC R300SR
NIPPON AVIONICS CO., LTD.
Measuring the surface temperature of objects during plasma irradiation
-
Spin-Coater
Mikasa Co. Ltd.
Spin-coating solutions for film deposition
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Globe-Box
NEXUS II
VAC
Providing a N2-filled environment for device fabrication
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