サブ構造を有するインジウムスズ酸化物薄膜の光電子性能

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9798 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

薄膜太陽電池の効率を高める方法は、太陽光吸収体に到達する太陽​​光が複数の方向に散乱されるように、上部の透明導電性酸化物 (TCO) をテクスチャリングすることで光捕捉能力を向上させることです。 この研究では、インジウムスズ酸化物 (ITO) 薄膜を赤外線サブピコ秒の直接レーザー干渉パターニング (DLIP) によって処理して、表面トポグラフィーを変更します。 走査電子顕微鏡および共焦点顕微鏡による表面分析により、空間周期が 5 μm、平均高さが 15 ～ 450 nm で、マイクロチャネルに平行な方向にレーザー誘起周期表面構造 (LIPSS) で修飾された周期的マイクロチャネルの存在が明らかになりました。 生成されたマイクロおよびナノ構造と白色光の相互作用の結果として、400〜1000 nmのスペクトル範囲で、平均全光透過率と最大1900%までの平均全光透過率と拡散光透過率の相対的増加が得られました。 Haacke の性能指数の推定は、アブレーション閾値に近いフルエンス レベルで ITO の表面を改質すると、前面電極として ITO を使用する太陽電池の性能が向上する可能性があることを示唆しています。

透明導電性酸化物 (TCO) は、上部電極としてだけでなく光学窓としても機能するため、光電子デバイスに広く使用されています。 アプリケーションの一部は、タッチ スクリーン 1、スマート ウィンドウ 2、フォトダイオード 3、OLED 4、およびペロブスカイト 5、6、7、薄膜無機 8、9、色素増感 (DSSC)10、および有機材料 11 に基づくものなどの太陽電池に関連しています。 。 オプトエレクトロニクス産業で使用されているさまざまな TCO の中でも、酸化インジウムスズ (ITO) は、重要な点である高い透明性と低いシート抵抗 \(({R}_{\mathrm{S}})\)12 で際立っています。高効率の太陽電池を製造するための特性13、14、15、16。 Shockley と Queisser の理論 17 によって課せられる限界によって決まる太陽電池の理論効率を最大に近づけるために、ITO 表面、光学的および電気的特性をさらに改善し、関連する吸収、反射率、および電気損失を低減するためのさまざまな戦略が研究されてきました。 その中には、表面粗さを大きくすることで全透過率 \(({T}_{\mathrm{tot}})\) を増加させたり、光路と拡散透過率を強化したりすることが含まれます \(({T}_{\mathrm{diff }})\) 規則的な表面パターンを作成する 19、結晶粒径を大きくする 20 か、レーザー アニーリングを使用して化学組成を変更することでシート抵抗を下げる 21。

レーザー技術を使用した表面改質に関して、Jiang et al.22 は、赤外 (1030 nm) フェムト秒レーザー源を使用して ITO 薄膜をテクスチャリングしました。 生成された周期的透明ナノワイヤは、特に赤外 1200 ～ 2000 nm のスペクトル領域で、未処理の ITO と比較して平均透過率が最大 197% 相対的に増加しました。 しかし、導電性材料を除去した結果、レーザー処理した膜の抵抗率は、適用されたレーザーフルエンスに応じて直線的に増加しました。 同様に、Liu ら 23 は、ピコ秒 (10 ps) 赤外 (1064 nm) 固体レーザーを使用して、ITO 薄膜上にレーザー誘起周期表面構造 (LIPSS) を作製しました。 平均全透過率は、1200 ～ 1900 nm の範囲で ~ 100% (相対) という顕著な向上を遂げました。 それにもかかわらず、レーザー処理された ITO 薄膜は、未処理の基準と比較して 3 倍高い表面電気抵抗を経験しました。 これは、透明電極を構造化するためにレーザー技術を使用する場合、透過率の向上と電気的特性の悪化の間のトレードオフを慎重に考慮する必要があることを意味します。

テクスチャーのある表面を作成する別の方法は、直接レーザー干渉パターニング (DLIP)24 です。 DLIP では、2 つ以上のレーザー ビームをサンプル表面上で重ね合わせて干渉パターンを生成し、周期的な強度分布の最大位置で材料を局所的に溶融またはアブレーションできます 25、26、27。 いくつかの TCO 材料はすでにこの技術で処理されています。 例えば、Eckhardt et al.28 は、355 nm ナノ秒レーザー光源を使用して、厚さ 900 nm の Al ドープ ZnO に対して 2 ビームおよび 3 ビームの DLIP プロセスを実行し、約 2 μm の線状および六角形状の構造を取得しました。空間周期のこと。 生成された周期的微細構造の結果として光の広がりが強化され、300 ～ 800 nm のスペクトル範囲で拡散透過率が最大 50% 増加しました。 それにもかかわらず、レーザー処理後、シート抵抗の最大 11.3% というわずかな増加が観察されました。 他の研究では、Ring ら 29 は、UV (355 nm) ピコ秒 (10 ps) レーザー光源を使用して、厚さ 450 nm の Al ドープ ZnO 上に 2 ビーム DLIP を採用することにより、空間周期 860 nm の U 字型の溝構造を取得しました。 。 得られた TCO は、シリコンベースのタンデム太陽電池のフロントコンタクトとして利用され、構造化されていない電極で構築されたセルと比較して効率の 10% の相対的な向上を達成しました。 前述の効率の向上は、マイクロテクスチャーによって生成された光トラップの改善によるものです。