Atlas H30臭氧发生器论文：不同氧前体对使用空间原子层沉积系统沉积用于钙钛矿太阳能电池薄膜封装的氧化铝的影响

注：该论文使用同林代理的Atlas H30臭氧发生器

摘要

在常压空间化学气相沉积条件下，采用三甲基铝和不同的氧化剂(水(H2O)、过氧化氢(H2O2)和臭氧(O3)，建立了常压空间原子层沉积系统，沉积氧化铝(AlOx)薄膜。研究了氧前驱体对薄膜结构性能和防潮性能的影响。与用水(H2O-AlOx)沉积的薄膜相比，O3-AlOx薄膜，其次是H2O2-AlOx薄膜，具有更高的折射率，更低的OH -基团浓度和更低的水蒸气透过率。然后在130°C下将AlOx薄膜快速沉积为钙钛矿太阳能电池上的薄膜封装层，而不会损坏对温度敏感的钙钛矿和有机材料。p-i-n甲脒甲基铵碘化铅太阳能电池在标准iso - d -3测试条件下(65°C和85%相对湿度)的稳定性显著提高。具体来说，与未封装的电池相比，O3-AlOx和H2O2-AlOx层使电池降解到原始效率80%所需的时间增加了6倍。

实验

用不同氧化剂沉积AlOx薄膜

AlOx薄膜使用我们定制的双AP-SALD/SCVD系统在露天条件下沉积，该系统采用近距离反应器头配置[37,38]。我们保持所有沉积条件不变，仅改变氧源，以深入了解不同氧前驱体对所得TFE层性能的影响。以三甲基铝(Al2(CH3)6)为金属前驱体，以水(H2O)、过氧化氢(水中含30% H2O2)或臭氧(O2/N2气体中的O3)为氧前驱体。TMA、水和过氧化氢的蒸汽是通过鼓泡惰性氮气通过化学品产生的。此外，氮气作为载气稀释前驱体蒸汽并将其输送到AP-SALD/SCVD反应器头部，该反应器底部表面有平行的气体出口通道，如图1所示。在研究过程中，通过TMA起泡器保持恒定的25 SCCM氮流量，通过水或过氧化氢起泡器保持100 SCCM氮流量。同时，通过TMA和氧化剂载体线的流量分别固定在100 SCCM和150 SCCM。金属前驱体被输送到一个出口通道，氧化剂被输送到两个出口通道(每个通道125 SCCM)。根据前驱体的蒸气压，它们在氮中的浓度可以近似为金属前驱体的0.22体积%，H2O的1.2体积%，H2O2的0.01体积%(含1.2体积%的H2O)。对于O3沉积，将O2/N2气体(7.5%氮平衡氧)提供给设置为80%功率的Atlas H30 臭氧发生器(绝对臭氧)，随后再以每个氧气前驱体通道125 SCCM的流速输送到反应器头部。这些设置的预期臭氧浓度为每正常立方米221.9克(g Nm - 3)。125 SCCM的氮气流也被输送到每个惰性气体通道(图1中的绿色通道)。沉积条件总结如表1所示。我们之前的研究考察了沉积参数对沉积层质量的影响[23,25]。在本研究中，利用优化的工艺参数制备出无针孔、致密、均匀的薄膜。底物放置在加热台上(设置为130°C)，放置在反应器头部下方，垂直距离为100 μm。加热阶段以50 mm s−1的速度来回振荡，使衬底依次暴露于交替的前驱体流中，以沉积具有纳米级厚度控制的薄膜。在本研究中，选择的实验条件使惰性气体流量和排气强度不足以阻止衬底振荡过程中气相中反应物蒸汽的混合，从而使系统在AP-SCVD模式下运行。

图1所示。AP-SALD反应器中同时注入金属前驱体和氧化剂的方案，其中前驱体半反应区由惰性气体幕隔开。通过将底物水平移动到反应器下方，两个半反应在底物上依次发生。

结论

在这项工作中，我们使用AP-SALD系统在AP-SCVD条件下运行，用不同的氧化剂(H2O, H2O2和O3)生产均匀的AlOx薄膜，用于包封psc。在相同的工艺条件下，H2O-AlOx薄膜的生长速率最高(GPC = 0.35 nm/cycle)，其次是O3-AlOx (GPC = 0.30 nm/cycle)和H2O2-AlOx (GPC = 0.26 nm/cycle)。与更具活性的氧化剂如H2O2或O3相比，H2O-AlOx的高GPC可能是由于在低沉积温度(130°C)下基底表面的多层水凝结。用活性更强的氧化剂H2O2和O3代替水，增加了折射率，表明膜密度增加，RMS粗糙度分别降低到0.93和0.76 nm，而H2O-AlOx膜的RMS粗糙度为1.02 nm。更活泼的氧化剂导致更完整的表面反应，减少表面羟基和碳污染物的数量。在65°C和85% RH条件下，WVTR值约为10−4 g m−2 d−1，使用活性较强的氧化剂使WVTR值降低，这是由于OH−缺陷浓度较低。AP-SCVD技术的快速特性使TFE层的沉积不会损坏用于PSC制造的热敏材料。当应用于p-i-n PSCs时，在130°C下用H2O和H2O2沉积TFE层对太阳能电池性能没有明显影响。然而，O3-AlOx TFE沉积导致VOC略有下降，表明Ag电极可能因暴露于高活性臭氧而受损。O3-AlOx提供了最有效的封装，在65°C和85% RH的312小时内，该设备的效率仅降低了20%。然而，用H2O2-AlOx封装的PSC的T80值与H2O-AlOx封装的器件相当(288 h)，并且明显优于H2O-AlOx封装的器件。这说明H2O2- alox和O3-AlOx对PSC都有很好的保护作用，而H2O2对PSC没有任何损伤。总体而言，H2O2-AlOx薄膜具有超低的WVTR值(1.7)

10−4 g m−2 d−1 (iso - d -3条件下)，由于其良好的阻隔性能，与钙钛矿层的兼容性以及商业可用性，可能是更实用和有效的选择。因此，本文提出的AP-SCVD AlOx薄膜不仅为实验室规模的研究，而且为高通量的商业化努力提供了一种有前途的新的psc封装途径。

Author e-mails

kevin.musselman@uwaterloo.ca

Author affiliations

1 Department of Mechanical and Mechatronics Engineering, University of Waterloo, 200 University Ave. West, Waterloo N2L 3G1, Canada

2 Waterloo Institute for Nanotechnology, University of Waterloo, 200 University Ave. West, Waterloo N2L 3G1, Canada

3 Laboratory of Advanced Optoelectronic Materials, Suzhou Key Laboratory of Novel Semiconductor Materials and Devices, Suzhou Key Laboratory of Macromolecular Design and Precision Synthesis, College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science, Soochow University, Suzhou 215123, People's Republic of China

ORCID iDs

Kevin P Musselman https://orcid.org/0000-0002-9752-0015