[論文レビュー] Impedance and electrical properties of Cu doped ZnO thin films

P. Samarasekara, Udumbara Wijesinghe+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2017

ZnO doping and properties参考文献 12被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、スピンコーティングと500 °Cでのアニールを経て作製された銅ドーピングZnO薄膜のインピーダンスおよび電気的特性を調査した。最大5%の銅ドーピングにより、電気的導電性と光電流が向上し、3%銅でインピーダンスが最大値に達するが、透明性などのZnOの基本的特性に顕著な変化は見られなかった。

ABSTRACT

Cu doped transparent ZnO thin films were spin coated on conductive glass substrates. The samples were subsequently annealed in air for 1 hour at 500 0C in order to form the phase of ZnO. ZnO samples were doped with different Cu molar percentages up to 5%. The impedance and photovoltaic properties of sample were measured. Photocurrent and photovoltage of doped and undoped samples were measured in KI/I2 electrolyte. Adding a trace amount of Cu improved the conducting properties of ZnO samples without changing other basic properties of ZnO. The photocurrent gradually increases with the doping concentration due to the high conducting properties of Cu. Investigation was carried out only up to the doping concentration of 5%, because higher doping concentrations may significantly influence the other properties of ZnO such as transparence of the film. Impedance of samples was determined by fitting the data to an equivalent circuit. The impedance reaches the maximum value at Cu concentrations of 3%.

研究の動機と目的

• 銅ドーピングがZnO薄膜の電気的およびインピーダンス特性に与える影響を調査すること。
• 光学的透明性を損なわせずに導電性を向上させる最適な銅濃度を特定すること。
• KI/I2電解質環境下における銅ドーピングZnO薄膜の太陽電池応答を評価すること。
• 等価回路モデルを用いて電気的挙動をモデル化し、インピーダンスパラメータを抽出すること。

提案手法

• ZnO薄膜は導電性FTOガラス基板上にスピンコーティングされ、空気中で1時間、500 °Cでアニール処理を行い、ウルツァイト相を形成した。
• 銅を0%から5%のモル濃度範囲で導入し、ドーピング試料を調製した。
• インピーダンススペクトロスコピーを実施し、データを等価回路モデルにフィッティングして、体積抵抗および界面結合抵抗および静電容量を抽出した。
• KI/I2電解質中で照明下での光電流および光起電力を測定し、太陽電池性能を評価した。
• 銅ドーピング濃度の関数として、電気的およびインピーダンス特性を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銅ドーピングは5%までの範囲でZnO薄膜の電気的導電性にどのように影響するか？
• RQ2 ZnO薄膜のインピーダンスが最大値に達するのはどの銅濃度か？
• RQ3 照明下における銅ドーピングはZnO薄膜の光電流生成にどのように影響するか？
• RQ4 高濃度ドーピングにおいても、銅ドーピングはZnOの光学的透明性を維持するか？
• RQ5 導電性の向上とZnOの基本的特性の劣化を最小限に抑える最適な銅濃度は何か？

主な発見

• 光電流は銅濃度の上昇に従い徐々に増加し、電気的導電性の向上に起因する。
• インピーダンスは3%銅ドーピングで最大値に達し、最適な電荷輸送抵抗を示している。
• 銅ドーピングにより導電性は5%まで向上したが、この範囲内で光学的透明性に顕著な劣化は観察されなかった。
• 等価回路フィッティングにより、界面結合抵抗および静電容量がインピーダンス応答の主要因であることが確認された。
• 微量の銅ドーピングにより、ZnOの基本的構造的および光学的特性に変化をもたらさずに導電特性が向上した。
• 本研究では、3%銅ドーピングが、太陽電池応用に向けた電気的性能と材料安定性のバランスが最良であることを確認した。