Influencia de las condiciones de depósito en las propiedades de óxidos conductores transparentes fabricados mediante pulverización de alta presión, para células fotovoltaicas avanzadas

Abstract

Optimizar las propiedades optoelectrónicas del óxido de zinc dopado con aluminio (AZO) es crucial para su aplicación en la industria fotovoltaica. Este trabajo investiga el depósito de láminas delgadas de AZO con una técnica poco convencional, la pulverización catódica de alta presión, y evalúa la influencia de las condiciones de depósito sobre su conductividad eléctrica y su transmitancia óptica. Exploramos distintas condiciones de depósito modificando las atmósferas de trabajo (empleando mezclas de un 99% argón y 1% oxígeno/hidrógeno), la presión de trabajo entre 0.4 y 1.9 mbar y la temperatura del sustrato entre 100 y 300ºC, incluyendo depósitos sin calentamiento. Realizamos la caracterización óptica mediante espectrofotometría UV-Vis-NIR en el rango 200-2500 nm, mientras que medimos las propiedades eléctricas (resistencia de hoja, movilidad y concentración de portadores) con el método de las cuatro puntas alineadas y el método Van der Pauw en configuración Hall. También determinamos el espesor de las láminas mediante perfilometría de contacto. Las láminas depositadas en la atmósfera de argón y oxígeno presentan una muy buena transmitancia en el rango visible e infrarrojo cercano, alcanzando valores promedio del 82%, mientras que sus espesores oscilan entre 100 y 200 nm. Sin embargo, sus propiedades eléctricas empeoran considerablemente, con resistividades en el rango 2-12 Ω·cm, 3-4 órdenes de magnitud por encima de los resultados obtenidos en trabajos anteriores con atmósferas de argón puro, y movilidades cercanas a 1 cm2 /V·s. Estos comportamientos pueden explicarse con la reducción del número de vacantes de oxígeno en el material. Por su parte, las láminas depositadas con una atmósfera de argón e hidrógeno mantienen unas buenas propiedades eléctricas en un cierto rango de condiciones de depósito (1-1.4 mbar, sin calentar el sustrato), donde se consiguen resistividades del orden de 10-2 -10-3 Ω·cm y movilidades en torno a 3 cm2 /V·s, pero a costa de perder su buen comportamiento óptico, ya que muestran transmitancias en el rango 40- 60% y espesores menores a 100 nm. Estos resultados confirman que, en las condiciones estudiadas, no se ha conseguido depositar láminas delgadas de AZO con propiedades adecuadas para células fotovoltaicas mediante pulverización catódica de alta presión. Su posible aplicación en la industria requeriría de un trabajo de optimización adicional.

Optimizing the optoelectronic properties of aluminium-doped zinc oxide (AZO) is crucial for its application in the photovoltaic industry. This work investigates the growth of AZO thin films using an unconventional technique, High Pressure Sputtering, and evaluates the influence of deposition conditions on their electrical conductivity and optical transmittance. We explored different deposition conditions by modifying the working atmospheres (using mixtures of 99% argon and 1% oxygen/hydrogen), the working pressure between 0.4 and 1.9 mbar, and the substrate temperature between 100 and 300ºC, including unheated depositions. We performed optical characterization using UV-Vis-NIR spectrophotometry in the 200-2500 nm range, and measured electrical properties (sheet resistance, mobility, and carrier concentration) using the four-point probe method and the Van der Pauw method in the Hall configuration. We also determined film thickness using contact profilometry. Films deposited in argon and oxygen atmosphere exhibit very good transmittance in the visible and near-infrared range, reaching average values of 82%, while their thickness range is between 100 and 200 nm. However, their electrical properties deteriorate considerably, with resistivities in the 2-12 Ω·cm range, 3-4 orders of magnitude above the results obtained in previous works with pure argon atmospheres, and mobilities close to 1 cm2 /V·s. These behaviors can be explained by the reduction in the number of oxygen vacancies in the material. On the other hand, films deposited with an argon and hydrogen atmosphere maintain good electrical properties within a certain range of deposition conditions (1-1.4 mbar, without substrate heating), where resistivities on the order of 10-2 - 10-3 Ω·cm and mobilities around 3 cm2 /V·s are achieved, but at the cost of losing their good optical behavior, as they show transmittances in the 40-60% range and thicknesses below 100 nm. These results confirm that, under the conditions studied, it has not been possible to deposit AZO thin films with adequate properties for photovoltaic cells using High Pressure Sputtering. Their potential application in the industry would require additional optimization work