Películas de ZnO/metal/ZnO (metal = Ag, Pt, Au) para energía

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15575 (2022) Citar este artículo

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En este artículo, se investiga el impacto de diferentes metales (Ag, Pt y Au) en las muestras de ZnO/metal/ZnO, que se recubren sobre un sustrato de vidrio mediante un sistema de pulverización catódica de magnetrón RF/CC. Las propiedades estructurales, ópticas y térmicas de las muestras preparadas se estudiaron sistemáticamente con el fin de almacenar y producir energía en la industria. Nuestros resultados muestran que estas capas se pueden utilizar como recubrimientos adecuados en ventanas de edificios para aplicaciones de almacenamiento de energía. En las mismas condiciones experimentales, el caso del Au como capa intermedia ha demostrado tener mejores condiciones ópticas y eléctricas. Luego, la capa de Pt también condujo a una mayor mejora de las propiedades de las muestras en lugar de las de Ag. Además, la muestra de ZnO/Au/ZnO ha mostrado la transmitancia más alta en la región visible (68,95 %) y el FOM más alto (5,1 × 10–4 Ω−1). Por lo tanto, se puede considerar como la muestra relativamente óptima para que las ventanas del edificio ahorren energía debido a su bajo valor U (2,16 W/cm2 K) y su baja emisividad (0,45). Finalmente, al aplicar el voltaje equivalente de 12 V en los extremos de la muestra, la temperatura de la superficie de la muestra ha aumentado de 24 a 120 °C.

Los óxidos conductores transparentes de baja emisión (low-E) son parte integral de los electrodos conductores transparentes en la nueva generación de dispositivos óptico-eléctricos de baja emisividad, que son candidatos potenciales para diversas aplicaciones, como pantallas planas, pantallas de plasma, pantallas táctiles, luz orgánica -diodos emisores y celdas solares. Hoy en día, prevalece el uso de tales estructuras como revestimiento de ventanas de ahorro de energía.

Las películas delgadas altamente transparentes de baja emisividad y termorreflectoras (TCO) tienen espectros de alta transmisión y reflexión en los rangos visible e infrarrojo, respectivamente. Estas películas se pueden utilizar como recubrimientos en vidrios de construcción para ahorrar energía. Además, dichas muestras se están aplicando como películas conductoras transparentes en la industria, como el vidrio para automóviles, debido a su notable baja resistencia eléctrica1,2,3. ITO siempre ha sido considerado como un TCO de uso común en la industria. Debido a su fragilidad, toxicidad, alto costo y recursos limitados de indio, los investigadores están buscando materiales alternativos4,5.

Debido al creciente consumo de energía en todo el mundo, los materiales de baja emisividad se utilizan ampliamente. Los vidrios revestidos con materiales de baja emisividad, por ejemplo, son aplicables en edificios como ventanas o puertas para disminuir el consumo de energía. En verano, las películas de baja emisividad permiten el paso de la luz visible y evitan que las ondas IR entren en el edificio. En cambio, en invierno evitan que la radiación infrarroja que emiten los aparatos de calefacción del edificio pase al exterior. En otras palabras, las películas de baja emisividad tienen una alta transmitancia en la región visible y una alta reflectancia en la región infrarroja6.

Investigaciones recientes han demostrado que los electrodos conductores de tres capas de óxido de metal/metal/óxido de metal (O/M/O) tienen mejor conductividad eléctrica, resolución óptica y menos emisividad que las películas de ITO del mismo espesor a temperatura ambiente. En esos experimentos, se sugirió aplicar óxidos metálicos como ITO, ZnO, AZO, ZnS, WO3, MoO3, Nb2O5 y SnO2 como capas superior e inferior, así como metales que incluyen Ag, Cu, Ni, Al, Pt. como capa intermedia7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. La investigación ha llevado a mejorar las propiedades eléctricas y ópticas de los electrodos de tres capas al cambiar las condiciones de deposición, como su temperatura, presión, voltaje de polarización, etc. La elección del dieléctrico en las capas superior e inferior y el metal en la capa intermedia será crucial en el cambio de las propiedades ópticas y eléctricas. Además, el ZnO se ha aplicado ampliamente en diversas aplicaciones industriales, incluidos monitores planos, sensores de gas, fotosensores y pantallas táctiles17. Además, el ZnO es muy apreciado como un material abundante, económico y no tóxico que es estable frente al plasma de hidrógeno y los procesos a alta temperatura. Por ejemplo, en 2012, Girtan et al. mostró que los electrodos de ZnO/Ag/ZnO tenían un mejor rendimiento fotovoltaico que los electrodos de ITO/Ag/ITO en células solares18.

Hasta el momento, no se han comparado las propiedades ópticas, eléctricas y térmicas de tres metales de Au, Pt y Ag en estructuras de tres capas de ZnO/metal/ZnO, para su uso en recubrimientos de almacenamiento de energía en ventanas de edificios. En este estudio, examinamos y comparamos las propiedades ópticas, eléctricas y térmicas de los electrodos conductores transparentes de ZnO/metal/ZnO, considerando los metales Ag, Au y Pt en la capa intermedia, en las mismas condiciones de deposición para lograr la condición óptima. . Además, estos electrodos multicapa se comparan con electrodos individuales de ZnO. Para ello se realizan análisis FESEM y RBS para evaluar el espesor y concentración de los elementos de las muestras. Además, midiendo el espectro UV-Vis-NIR de cada muestra se examina el gap de energía y sus propiedades ópticas; y finalmente, utilizando el software de simulación Window7.8, se estudian las propiedades térmicas de cada muestra. Para evaluar y comparar las muestras preparadas para su uso en la industria, calculamos tres parámetros importantes; emisividad, figura de mérito y valor U. Cuando el vidrio absorbe calor o energía luminosa, se transfiere al exterior por medio de una corriente de aire o se refleja en la superficie del vidrio. En un material, la capacidad de irradiar energía se conoce como emisividad. En su mayoría, los productos de fenestración emiten o irradian calor (energía infrarroja lejana de onda larga), lo que es importante en el ahorro de energía. Por lo tanto, sería posible mejorar sus propiedades aislantes al disminuir su emisión de calor.

En este sentido, se ha sugerido que el valor U es una buena medida para la cantidad de aislamiento, que muestra la tasa de transferencia de calor en un producto de fenestración (W/m2 °C). Este parámetro incluye la transferencia de calor por conducción, convección y radiación de un sistema. Como se puede deducir, cuanto menor sea el valor U de un material, menor será la tasa de flujo de calor. Además, al calcular el valor R total, se puede representar la resistencia térmica de una muestra, que es el recíproco del valor U total (R = 1/U)19.

La muestra de ZnO se revistió sobre un sustrato de vidrio mediante la técnica de deposición del instrumento de pulverización catódica de magnetrón de RF (Nanostructured Coatings Co. DST3-T) con el objetivo de ZnO (99,995 % de pureza) con una potencia de RF de 80 W. El sustrato se situó a una distancia de 75 mm. del objetivo. El tiempo de deposición de ZnO en las capas superior e inferior es de 200 s con potencia de RF. En el caso de la capa intermedia, los metales Au, Ag y Pt con objetivos de metal puro (99,995 % de pureza) se han depositado en ángulos cero y el tiempo de depósito ha sido de 40 s con alimentación de CC; las muestras se denominan S1, S2 y S3, respectivamente.

Antes de cada deposición, la presión de la cámara alcanzó 5 × 10–3 Torr, y los metales y el objetivo de ZnO se pulverizaron previamente durante 5 min.

Vale la pena señalar que la cámara se evaporó con gas Ar (99,995 % de pureza) tres veces para eliminar cualquier contaminante. Después de preparar las muestras, se utilizaron la técnica de sonda de cuatro puntos y el espectrofotómetro ultravioleta-visible-infrarrojo cercano (UV-Vis-NIR) (JASCO V-670) para determinar la resistencia de la lámina y las propiedades ópticas de las muestras, respectivamente.

Para evaluar la concentración elemental y el grosor de cada capa, se ha proporcionado un análisis de espectrometría de retrodispersión (RBS) de Rutherford utilizando un haz de helio con una energía de 2 MeV. El experimento se realizó en una línea de carril izquierdo de 15 ° del Laboratorio Vandograph de Teherán en una cámara de duendecillo convencional. Se usó un detector de barrera de superficie con un ángulo de 165° para registrar las partículas dispersas. Se encuentra que el error de datos informado relacionado con el ajuste, los datos de la sección transversal, la energía del haz y la medición de la carga incidente es del 10 %. El espesor total de las películas multicapa se determinó con la sección transversal del microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FESEM) (Zeiss Sigma 300-HV).

La Figura 1 muestra espectros RBS de 2 MeV de muestras de ZnO/metal/ZnO para diferentes metales (Ag, Au, Pt). De acuerdo con la forma de los diagramas simulados por el software SIMNRA, están bien equipados con datos experimentales. Como resultado, el espesor y la concentración del material pueden determinarse adecuadamente. Estas curvas proporcionan las energías retrodispersadas de las partículas incidentes para todas las muestras. La región del canal a 500–600 y 600–700 nm, respectivamente, contiene un pico relacionado con los metales Zn, Au, Ag y Pt. La profundidad del valle entre las señales Zn-Au y Zn-Pt es igual, y el valle entre las señales Zn-Ag se reduce, mientras que la penetración entre capas aumenta20. Los espesores se han calculado en términos de monocapa (1015 átomos/cm2), correspondientes a una densidad atómica areal y suponiendo una distribución uniforme de las capas. En el caso de que consideremos la estequiometría nominal de densidad atómica conocida (5,9 × 1022 átomos/cm3 para Au, 5,8 × 1022 átomos/cm3 para Ag y 6,6 × 1022 átomos/cm3 para Pt), el espesor se puede obtener fácilmente en escala nm. La densidad de área de los metales Au, Ag y Pt en la capa intermedia obtenida del análisis RBS es 25,5, 32,2 y 27,31 (× 1015 átomos/cm2), respectivamente. Como resultado, suponiendo que la capa sea uniforme, el espesor de las capas metálicas de Au, Ag y Pt en las muestras S1, S2 y S3 es de 4,08, 5,44 y 4,09 nm, respectivamente21.

Espectros RBS (experimentales y de simulación) de muestras.

La Figura 2 muestra las imágenes FESEM de sección transversal de todas las muestras. En las mismas condiciones experimentales, los espesores de las muestras S1, S2 y S3 son de 77, 61 y 63 nm, respectivamente.

Diagrama de sección transversal FESEM de muestras.

La resistencia de lámina de todas las muestras se mide utilizando una sonda de cuatro puntos, que se muestran en la Tabla 1. La resistencia de lámina de las muestras en las mismas condiciones y duración del recubrimiento indica que la resistencia de la muestra de una sola capa de ZnO es muy alta. alto. La presencia de la capa intermedia del metal reduce la resistencia eléctrica. Como se muestra en su estructura de tiras, estas estructuras pueden considerarse conectando metal a un semiconductor. En el estudio de la estructura de ZnO/metal, no se encuentra ninguna barrera para transferir los electrones del metal al semiconductor después del enlace; los electrones se transfieren fácilmente de la capa de metal al ZnO y viceversa. En este caso, la densidad de los portadores de carga aumenta debido a la inyección de electrones del metal al semiconductor o viceversa20,22. La resistencia de lámina de la muestra con metal Ag es mayor que la de las muestras recubiertas con metales Au y Pt; mientras que en la mayoría de los artículos sobre estructuras tricapa se utilizó Ag metal en la capa intermedia y se menciona baja resistencia. Ag crece en modo Volmer-Weber (isla) en sustratos de óxido. La alta resistencia en la muestra con Ag metal es probablemente el resultado de la presencia de islas separadas en la superficie de Ag metal, y para la desaparición y cohesión de estas islas, se requiere más capa de recubrimiento de Ag. De acuerdo con los resultados obtenidos en nuestro artículo anterior23, a espesores inferiores a 10 nm, Ag se deposita como una isla discontinua. Esto indica que tener una estructura de tres capas con diferentes metales requiere más Ag que Au y Pt, lo cual es más rentable.

Los espectros de transmisión y reflexión de las muestras se proporcionan en las longitudes de onda de 190 a 2700 nm, que se muestran en la Fig. 3. En la Fig. 3a, que está relacionada con el diagrama de transmitancia de las muestras, los picos de la muestra con diferentes metales son ubicado en diferentes longitudes de onda; de modo que los picos de S1, S2 y S3 están a 626, 400 y 380 nm y tienen una transmitancia del 71, 72 y 57%, respectivamente.

Los espectros de transmitancia y reflexión.

Debido a la importancia de la transmisión en el rango de 400 a 800 nm en la industria y su mejor comparación para muestras con diferentes metales, el coeficiente de transmisión (Tav) para cada muestra se calcula para visible (Tvis), solar (Tsolar) y Región NIR (TNIR), que se muestra en la Tabla 2.

El coeficiente de transmisión se obtiene de la siguiente manera:

donde V(λ) y T(λ) son, respectivamente, la eficiencia espectral luminosa y la transmisión de las muestras19,23.

Los valores de Tvis de las muestras S1, S2 y S3 son 68,95, 58,76 y 47,54 %, respectivamente; el valor más alto pertenece a la muestra S1.

No se ha investigado la comparación de la reflexión en la región IR para electrodos de tres capas de ZnO/metal/ZnO considerando diferentes metales en el mismo proceso de fabricación. La reflectancia infrarroja es uno de los parámetros más cruciales de los electrodos para su uso en la industria. En este estudio se investigó por primera vez la comparación de la reflectancia de estos electrodos en la región IR.

Según la Fig. 3b, la reflexión de las muestras S1, S2 y S3 en la región del infrarrojo cercano es igual al 19, 35 y 36 % a una longitud de onda de 1700 nm, respectivamente. La capa única de ZnO tiene la reflectancia más baja en este rango. La Tabla 2 muestra la reflexión promedio en las regiones solar e infrarroja cercana, que se calcula utilizando la ecuación. (1), con la diferencia de que la cantidad de reflexión en las regiones solar e infrarroja ha sido reemplazada por la cantidad de transmisión.

Tanto los parámetros de conductividad como los de transparencia son muy críticos en la industria. Para una mejor comparación de las propiedades de los electrodos de tres capas de óxido de metal/metal/óxido de metal, se utiliza el parámetro de la figura de mérito, que se puede calcular a partir de la siguiente ecuación24.

Cuanto mayor sea la cantidad de FOM, más transparente será el electrodo conductor. Los valores de FOM de las muestras se muestran en la Tabla 3. De acuerdo con los valores mencionados, la cantidad máxima de FOM está relacionada con la muestra S1 con el valor de 5.1 × 10–4 Ω−1.

Los electrodos conductores transparentes con características de baja emisividad son un recubrimiento no tóxico, incoloro y delgado como una navaja que se usa en el vidrio de las ventanas para mejorar la eficiencia energética. Tales ventanas son notablemente seguras y se están estandarizando desde el punto de vista de la eficiencia energética en el hogar moderno. Las ventanas Low-E evitan que la luz infrarroja penetre en el vidrio desde el exterior. Además, estas ventanas mantienen la energía de calefacción/refrigeración. La emisividad depende del Rsh y se puede obtener en el rango de longitud de onda de 780 a 2700 nm usando la siguiente ecuación6,19,20

Además de eso, las muestras que tienen longitudes de onda equivalentes de λ > 3 µm y Rsh ˂˂ Z0 también se pueden obtener de la siguiente manera:

donde Z0 es la impedancia del vacío (377 Ω). Los datos de emisividad adquiridos para todas las muestras se muestran en la Tabla 3. La cantidad mínima de emisividad está relacionada con la muestra S1 con el valor de 0,45.

El coeficiente de absorción (α) se ha obtenido para la transición directa mediante la siguiente ecuación25:

donde h y A representan la energía de radiación incidente y una constante, respectivamente. La Eg directa se obtiene extrapolando las partes lineales de los gráficos a absorción cero (αhυ = 0). Los cambios de Eg para el sistema multicapa ZnO/metal/ZnO se proporcionan en la Fig. 4. De acuerdo con los resultados obtenidos del cálculo de la energía de banda prohibida, la brecha de energía de la muestra de ZnO es igual a 3,31 eV, que disminuye para el ZnO /M/ZnO (M = Au, Ag y Pt) muestras de película delgada. Estos cambios de banda prohibida en estructuras de tres capas con diferentes metales son consistentes con los cambios de transmisión en la región visible, por lo que la transmitancia de una sola capa de ZnO fue máxima, y ​​se puede ver que la banda prohibida para esta muestra también es máxima. Además, la transmitancia de la muestra S1 es mayor que la de la muestra S2, y la banda prohibida de la muestra S3 es mínima26.

Energía de banda prohibida óptica de todas las muestras.

Para estudiar los impactos de calentamiento de las muestras, su comportamiento electrotérmico se examina y se muestra en la Fig. 5. Para este propósito, los contactos de plata han sido revestidos en ambos lados de las muestras por un evaporador de haz de electrones. Luego, aplicando un cierto voltaje durante 300 s, la temperatura máxima del calor producido entre los contactos fue medida por una cámara térmica. De acuerdo con la Fig. 5, la temperatura de la muestra S1, con un cambio de voltaje de 4 a 12 V, tiene un fuerte aumento de temperatura de 35 a 120 °C, mientras que este incremento de temperatura es menor para la muestra S3 ( de 30 a 80 °C), y la muestra S2 no mostró ningún cambio de temperatura con el aumento del voltaje.

Temperatura del calentador de película delgada basado en multicapa de ZnO/metal/ZnO en función del voltaje de CC de entrada.

Aquí, la pérdida de calor como resultado de la conducción y la radiación desde la parte posterior puede despreciarse ya que el sustrato de vidrio no es un buen conductor térmico. Por lo tanto, la ruta principal de pérdida de calor, que es la convección del aire, se obtiene de acuerdo con la siguiente fórmula27:

Qg es el calor generado a la potencia P durante un tiempo de Δt, hconv es el coeficiente de transferencia de calor por convección, Aconv es el área superficial y ts y ti son las temperaturas de saturación e inicial, respectivamente. Como se puede inferir, con el incremento de voltaje y la disminución de resistencia, la temperatura de saturación aumenta. La muestra S1 tiene menos resistencia de hoja y más hconv que la muestra S3 y, por esta razón, se puede ver en la Fig. 5 que la cantidad de producción de calor en la muestra S1 a un voltaje específico aumenta significativamente en comparación con la de la muestra. muestra S3. La temperatura de la muestra S2, probablemente debido a su alta resistencia, no descendió por debajo de 4 a 12 V.

Para estimar la cantidad de calor que atraviesa el material, se deben calcular los valores Tvis, Rvis, Tsolar, Rsolar, TNIR, RNIR y la emisividad de las muestras28. Tvis y Rvis son la tasa de transmisión y reflexión en el área de 400 < λ < 800 nm, Tsolar, Rsolar son la tasa de transmisión y reflexión en el área de 250 < λ < 2500 nm, y TNIR, RNIR son la tasa de transmitancia y reflexión en el área de 780 < λ < 2500 nm; todos los cuales se muestran en la Tabla 2. En este estudio, para calcular el valor U de cada muestra, utilizando el software Window7.8, simulamos un sistema de doble acristalamiento compuesto por dos capas de vidrio con un espesor de 4 mm y un capa de separación que contiene gas argón. Los valores U de todas las muestras se enumeran en la Tabla 3. En ausencia del revestimiento de ZnO/metal/ZnO en las ventanas de doble acristalamiento, el valor U es de 2,730 W/m2 K. Sin embargo, después del proceso de deposición del material transparente recubrimiento de electrodo conductor, el valor U disminuyó significativamente. La muestra S1 (ZnO/Au/ZnO) tiene el valor más bajo y la muestra S2 (ZnO/Ag/ZnO) tiene el valor U más alto debido a su alta resistencia laminar y alta emisividad.

En este trabajo se estudian las propiedades estructurales, ópticas, eléctricas y térmicas de películas tricapa ZnO/metal/ZnO, en las cuales se depositan metales Au, Ag y Pt en la capa intermedia sobre sustrato de vidrio mediante la técnica de pulverización catódica magnetrónica. . Las propiedades estructurales de las muestras se han estudiado mediante análisis RBS y FESEM. Además, se investigaron las propiedades ópticas del material midiendo su espectro de transmisión y reflexión en el rango de 190 a 2700 nm. La menor cantidad de resistencia antes y después del recocido está relacionada con la muestra de ZnO/Au/ZnO, seguida por la mayor cantidad de producción de calor al aplicar voltaje. Los espectros de transmitancia y reflectancia de las muestras muestran que los valores más altos de la transmitancia promedio en la región visible y la reflectancia en la longitud de onda de 1700 nm están relacionados con las muestras de ZnO/Au/ZnO y ZnO/Pt/ZnO, respectivamente. Además, los valores de FOM en la muestra de ZnO/Au/ZnO tienen un valor máximo de 5,1 × 10–4 Ω−1. Los valores de FOM de las muestras de ZnO/Ag/ZnO y ZnO/Pt/ZnO son 0,136 × 10–4 y 0,105 × 10–4 (Ω−1), respectivamente. Las cantidades de emisividad, Tav y R1700 son muy efectivas en la tasa de transferencia de calor a través del material (valor U). Por ejemplo, la muestra de ZnO/Au/ZnO tiene el valor U más bajo de 2,16 W/m2 K. Según los análisis y cálculos proporcionados, las muestras de ZnO/Au/ZnO y ZnO/Pt/ZnO tienen un mejor rendimiento en la producción de calor. aplicando voltaje y reduciendo la transferencia de calor a través de la materia y la emisividad que ZnO/Ag/ZnO.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Mina Rabizadeh, Mohammad Hossein Ehsani y Mohammad Mahdi Shahidi

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Todos los autores han participado en (a) concepción y diseño, o análisis e interpretación de los datos; (b) redactar el artículo o revisarlo críticamente en busca de contenido intelectual importante; y (c) aprobación de la versión final.

Correspondencia a Mohammad Hossein Ehsani.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Rabizadeh, M., Ehsani, MH & Shahidi, MM Películas de ZnO/metal/ZnO (metal = Ag, Pt, Au) para aplicaciones de ahorro de energía en ventanas. Informe científico 12, 15575 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20043-8

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Recibido: 25 mayo 2022

Aceptado: 07 septiembre 2022

Publicado: 16 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20043-8

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Revista de Materiales Electrónicos (2023)

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