[논문 리뷰] Impedance and electrical properties of Cu doped ZnO thin films

P. Samarasekara, Udumbara Wijesinghe외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 05.

ZnO doping and properties참고 문헌 12인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 500 °C에서 스퍼닝 코팅 및 열처리하여 제조한 구리 도핑된 ZnO 박막의 임피던스 및 전기적 성질을 조사한다. 5% 이하의 Cu 도핑은 전기적 도핑도를 향상시키고 광전류를 증가시키며, 3% Cu에서 임피던스가 최대에 도달한다. 이는 ZnO의 기본 성질인 투명도와 유사하게 유지된다.

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%.

연구 동기 및 목표

• Cu 도핑이 ZnO 박막의 전기적 및 임피던스 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 광학적 투명도를 떨어뜨리지 않으면서 도핑도를 향상시키는 최적의 Cu 농도를 결정하기 위해.
• KI/I2 전해질 환경에서 Cu 도핑된 ZnO 박막의 태양전지 반응을 평가하기 위해.
• 등가 회로 모델을 사용하여 전기적 거동을 모델링하고 임피던스 매개변수를 추출하기 위해.

제안 방법

• ZnO 박막은 도전성 FTO 유리 기판에 스퍼닝 코팅되어 500 °C에서 1시간 동안 공기 분雰위에서 열처리되어 워츠라이트 상을 형성하였다.
• 구리는 0%에서 5%까지의 몰 농도 범위에서 도핑하여 도핑된 샘플을 제조하였다.
• 임피던스 스펙트로스코피를 수행하고 데이터를 등가 회로 모델에 피팅하여 기질 및 결정립 경계 저항 및 커패시턴스를 추출하였다.
• 광전류 및 광전압을 KI/I2 전해질에서 조명 조건 하에서 측정하여 태양전지 성능을 평가하였다.
• Cu 도핑 농도에 따라 전기적 및 임피던스 특성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Cu 도핑이 5% 이하의 도핑 범위에서 ZnO 박막의 전기적 도핑도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 ZnO 박막의 임피던스가 최대값에 도달하는 Cu 농도는 어느 정도인가?
• RQ3 조명 조건 하에서 Cu 도핑이 ZnO 박막의 광전류 생성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 높은 도핑 수준에서 Cu 도핑이 ZnO 박막의 광학적 투명도를 유지하는가?
• RQ5 향상된 도핑도를 유지하면서 ZnO의 기본 성질에 최소한의 영향을 주는 최적의 Cu 농도는 무엇인가?

주요 결과

• Cu 도핑에 따라 광전류가 점진적으로 증가하였으며, 이는 전기적 도핑도 향상으로 인한 것이다.
• 3% Cu 도핑에서 임피던스가 최대에 도달하여 최적의 전하 이동 저항을 나타낸다.
• Cu 도핑에 따라 도핑도가 5%까지 향상되었으며, 이 범위 내에서 광학적 투명도에 유의미한 영향을 주지 않았다.
• 등가 회로 피팅 결과, 결정립 경계 저항 및 커패시턴스가 임피던스 반응의 핵심 요소임을 확인하였다.
• 미량의 Cu 도핑이 ZnO의 기본 구조적 또는 광학적 특성을 변화시키지 않은 채 도전 성질을 향상시켰다.
• 이 연구는 3% Cu 도핑이 향후 태양전지 응용을 위한 전기적 성능과 재료 안정성 간의 최적 균형을 이룬다는 것을 확인한다.