Сравнение, синтез и получение прозрачных проводящих покрытий в лабораторных условиях

Размещено на http://www.allbest.ru/

СРАВНЕНИЕ, СИНТЕЗ И ПОЛУЧЕНИЕ ПРОЗРАЧНЫХ ПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Перунков Максим Алексеевич1, Шамин Алексей Алексеевич2 1Пензенский государственный университет, магистр кафедры «нано- и микроэлектроника» 2Пензенский государственный университет, аспирант кафедры «нано- и микроэлектроника»

Аннотация Данная статья посвящена проблеме получения прозрачных проводящих покрытий (ППП), использующихся в качестве функционального слоя солнечных элементов нового поколения (СКСЭ и СЭ ГОНП). Также в статье предложен метод получения прозрачных проводящих покрытий золь-гель методом. Приведены изображения ППП, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Ключевые слова: золь-гель метод, прозрачные проводящие покрытия, сканирующий электронный микроскоп, солнечная энергетика, солнечные элементы

COMPARISON, SYNTHESIS AND PREPARATION OF TRANSPARENT CONDUCTIVE COATINGS

Perunkov Maxim Alexeevich1, Shamin Alexey Alexeevich2 1Penza State University, master at the department “Nano- and microelectronics” 2Penza State University, post-graduate student at the department “Nano- and microelectronics”

Abstract This article deals with the problem of obtaining a transparent conductive coating (TCO) is used as the functional layer solar cells of new generation. The article also provided a method of producing transparent conductive coating sol-gel method. TCO images obtained using a scanning electron microscope.

Keywords: SEM, Sol-gel method, solar cells, solar energetics, TCO

покрытие проводящий элемент солнечный

Прозрачное проводящее покрытие представляет собой тонкую пленку из оптически прозрачного проводящего материала. В качестве основного материала, использующегося для получения прозрачного проводящего покрытия используется слой оксида индия, легированного оловом (ITO). Данный материал имеет малое сопротивление (10-4 Ом/см) и высокую проницаемость (не менее 80%). Однако, производство ITO является дорогим, поскольку индий - основной материал соединения - не сильно распространён в земной коре. Так, например, в 2006 году стоимость одного килограмма данного металла превышала 800$ [1].

Поэтому, не смотря на имеющиеся преимущества ITO, постоянно ведутся работы по поиску альтернатив. Так, например, довольно-таки часто используется оксид олова, легированный фтором (FTO). По последним данным физикам удалось достичь сопротивления 4.3 * 10-4 Ом/см и прозрачности, равной 86%. Также в качестве альтернативы может быть использован оксид олова, легированный сурьмой (ATO), обладающий сопротивлением, равным 28010-4 Ом/см [2]. Помимо уже обозначенных материалов могут быть использованы оксид цинка (AZO), легированный алюминием, или оксид цинка, легированный галлием (GZO) [3]. Несмотря на ощутимые достоинства последних (чуть большее сопротивление сопротивление и проводимость), они обладают рядом неприятных недостатков, таких как высокая чувствительность к кислороду и невозможность их нанесения на большие подложки.

Активно ведутся поиски органического материала, обладающего схожими с ITO свойствами. В качестве альтернативы называют соединения на основе графена, а также такие сети органических полимеров, как PEDOT (3,4-этилендиокситиофен).

Несмотря на все преимущества ITO, в качестве прозрачного проводящего покрытия для солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов будут использоваться покрытия на основе оксида олова, легированного фтором FTO с целью уменьшения стоимости конечного устройства. В рамках данной работы оптимальными будут считаться те параметры FTO, которые будут иметь следующие значения (таблица 1).

Таблица 1 - Оптимальные параметры подложек с покрытием FTO

Существует несколько способов нанесения ППП на стеклянные подложки. Среди них химическое осаждение металлорганических паров (MOCVD), лучевое осаждение металлорганического пучка (MBE), осаждение раствора, спрей-пиролиз, золь-гель метод, распыление через ультразвуковое сопло и импульсное лазерное осаждение (PLAD или PLD).

В сравнении с остальными методами золь-гель метод является наиболее привлекательным для получения прозрачных проводящих покрытий, поскольку является дешевым, простым в освоении и не токсичным. Данный метод позволяет наносить покрытия на подложки любого размера при комнатной температуре. Более того, за счет простоты организации производства возможно постоянно изменять свойства конечного раствора за счет изменения концентрации вводимых компонентов, что в конечном счете позволяет получать растворы, обладающие различными свойствами. Как правило, полученные в результате дальнейшей сушки пленки обладают одинаковыми свойствами. Таким образом, золь-гель метод может лечь в основу серийного производства. К тому же, данная технология хорошо изучена и активно применяется на кафедре «Нано- и микроэлектроника» Пензенского Государственного Университета.

Для получения прозрачного проводящего покрытия FTO на стеклянных подложках использовалось следующее оборудование кафедры: вытяжной шкаф и дозатор Proline, приобретенные в рамках программы У.М.Н.И.К. - 2010 И.А. Прониным, проект - «Разработка методики получения пористой матрицы на основе ортокремневой кислоты в качестве контейнера для полупроводниковой массы чувствительного элемента газового сенсора».

Очистка стеклянных подложек осуществлялась по используемой на кафедре «Нано- и микроэлектроника» технологии, в основе которой лежит проверка на смачиваемость. Результат считался хорошим, если пленка полностью смачивала поверхность подложки после ее погружения в раствор золя. Используемая технология очистки представлена ниже:

1. Проверка на наличие видимых дефектов (трещины, сколы, шероховатости). При их обнаружении экземпляр отбраковывался.

2. Проверка на наличие загрязнений (грязь, пыль, отпечатки пальцев и так далее). При их обнаружении проводилась механическая очистка батистовой салфеткой, смоченной в этаноле.

3. Обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной ацетоном в течение 15-20 минут. Уровень наполненности ванны ацетоном определяется количеством подложек.

4. Обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной жидким стеклоочистителем («Мастер блеск» (состав: изопропиловый спирт, этиленгликоль, сульфоэтоксилат натрия и др.)) в течение 15-20 минут.

5. Обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной дистиллированной водой в течение 15-20 минут.

6. Повторная обработка стеклянных подложек в ультразвуковой ванне УЗВ-4/150- МП, наполненной дистиллированной водой в течение 5-7 минут.

7. Сушка подложек в течение 20-30 минут.

Для получения раствора золя, в который впоследствии погружались стеклянные подложки с целью формирования на них тонкого слоя FTO, могут использоваться следующие химические вещества:

· Дистиллированная вода (H2O)

· Соляная кислота 5% (HCl)

· Тетроэтоксилан (Si(C2H5)4O4)

· Триэтилфторсилан (Si(C2H5O)3F)

· Олова хлорид дигидрат (SnCl22H2O)

· Плавиковая кислота 40% (HF)

· Изопропиловый спирт 99.8% (CH3CH(OH)CH3)

На первом этапе формирования раствора золя производится взвешивание твердых прекурсоров (олова хлорид дигидрат (SnCl22H2O)) на весах с ценой деления, равной 0.1 мг. Необходимое количество вещества помещается в рабочий объем, где растворяется в изопропиловом спирте. Параллельно с этим во второй пробирке производится смешивание триэтилфторсилана (Si(C2H5O)3F), дистиллированной воды (H2O) и плавиковой кислоты 40% (HF). После чего обе пробирки на два часа ставятся в держатель пробирок в вытяжной шкаф [4].

На втором этапе производится перемешивание полученных ранее растворов в объеме магнитной мешалки в течение 1 часа. Для ускорения процесса гомогенизации в итоговый раствор может быть добавлено несколько капель соляной кислоты 5% (HCl) [9].

На третьем этапе начинается погружение стеклянных подложек в раствор золя с их последующей сушкой горячим воздухом с целью формирования на их поверхности прозрачного проводящего покрытия FTO (рисунок 1).

Рисунок 1. Фотография образцов стеклянных подложек с нанесенным на них покрытием FTO

Исследование полученных образцов c нанесенными на них ППП FTO проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа Vega3 Tescan. На рисунке 2 представлено SEM - изображение, полученное с помощью данного микроскопа. Хорошо видно, что полученные покрытия являются плотными и равномерными по толщине.

Рисунок 2. SEM - изображение образцов с нанесенным на них FTO

Библиографический список

1. GEOLOGY // Режим доступа: http://geology.com/metals/

2. Koebel M.M, Nadargi D.Y, Jimenez-Cadena G., Romanyuk Y.E. Transparent, conducting ATO thin films by epoxide-initiated sol-gel chemistry: a highly versatile route to mixed-metal oxide films - 2012 - ACS Publications

3. Fan J. D., Zamani R., Fabrega C., Shavel A., Flox C, Solution-growth and optoelectronic performance of ZnO:CI/Ti02 and ZnOiCl/ZnxTiO/TiOj core¬shell nanowires with tunable shell thickness, J. Phys. D: Appl. Phys. - 2012 - P. 415

4. Sumio Sakka. Sol-Gel Science And Technology, Processing Characterization and Applications. - 2004 - P. 210 - 220.

Размещено на Allbest.ru