Films ZnO/métal/ZnO (métal = Ag, Pt, Au) pour l'énergie

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15575 (2022) Citer cet article

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Dans cet article, l'impact de différents métaux (Ag, Pt et Au) sur les échantillons de ZnO/métal/ZnO déposés sur un substrat de verre via un système de pulvérisation magnétron RF/DC est étudié. Les propriétés structurelles, optiques et thermiques des échantillons préparés ont été systématiquement étudiées à des fins de stockage et de production d'énergie dans l'industrie. Nos résultats montrent que ces couches peuvent être utilisées comme revêtements appropriés sur les fenêtres des bâtiments pour des applications de stockage d'énergie. Dans les mêmes conditions expérimentales, le cas de Au comme couche intermédiaire s'est avéré avoir de meilleures conditions optiques et électriques. Ensuite, la couche de Pt a également conduit à une amélioration supplémentaire des propriétés des échantillons plutôt que de celles de l'Ag. De plus, l'échantillon ZnO/Au/ZnO a montré la transmittance la plus élevée dans la région visible (68,95 %) et le FOM le plus élevé (5,1 × 10–4 Ω−1). Par conséquent, il peut être considéré comme relativement l'échantillon optimal pour que les fenêtres du bâtiment économisent de l'énergie en raison de sa faible valeur U (2,16 W/cm2 K) et de sa faible émissivité (0,45). Enfin, en appliquant la tension équivalente de 12 V aux extrémités de l'échantillon, la température de surface de l'échantillon est passée de 24 à 120 °C.

Les oxydes conducteurs transparents à faible émission (low-E) font partie intégrante des électrodes conductrices transparentes de la nouvelle génération de dispositifs opto-électriques à faible émissivité, qui sont des candidats potentiels pour diverses applications telles que les écrans plats, les écrans plasma, les écrans tactiles, les diodes électroluminescentes organiques et les cellules solaires. De nos jours, l'utilisation de structures telles que le revêtement de fenêtres à économie d'énergie est répandue.

Les films minces hautement transparents à faible émissivité et réfléchissant la chaleur (TCO) ont des spectres de transmission et de réflexion élevés dans les gammes visible et infrarouge, respectivement. Ces films peuvent être utilisés comme revêtements sur le verre du bâtiment pour économiser de l'énergie. De plus, ces échantillons sont appliqués en tant que films conducteurs transparents dans l'industrie, comme le verre automobile, en raison de leur remarquable faible résistance électrique1,2,3. L'ITO a toujours été considéré comme un TCO couramment utilisé dans l'industrie. En raison de sa fragilité, de sa toxicité, de son coût élevé et des ressources limitées en indium, les chercheurs recherchent des matériaux alternatifs4,5.

En raison de la consommation d'énergie croissante dans le monde, les matériaux à faible émissivité sont largement utilisés. Les verres revêtus de matériaux à faible émissivité, par exemple, sont applicables dans les bâtiments comme fenêtres ou portes pour réduire la consommation d'énergie. En été, les films à faible émissivité laissent passer la lumière visible et empêchent les ondes infrarouges de pénétrer dans le bâtiment. En revanche, en hiver, ils évitent que le rayonnement infrarouge émis par les appareils de chauffage du bâtiment ne passe vers l'extérieur. En d'autres termes, les films à faible émissivité ont une transmission élevée dans la région visible et une réflectance élevée dans la région infrarouge6.

Des recherches récentes ont montré que les électrodes conductrices à trois couches oxyde métallique/métal/oxyde métallique (O/M/O) ont une meilleure conductivité électrique, une résolution optique et moins d'émissivité que les films ITO de même épaisseur à température ambiante. Dans ces expériences, il a été suggéré d'appliquer des oxydes métalliques tels que ITO, ZnO, AZO, ZnS, WO3, MoO3, Nb2O5 et SnO2 comme couches supérieure et inférieure, ainsi que des métaux tels que Ag, Cu, Ni, Al, Pt comme couche intermédiaire7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. La recherche a conduit à l'amélioration des propriétés électriques et optiques des électrodes à trois couches en modifiant les conditions de dépôt telles que leur température, leur pression, leur tension de polarisation, etc. Le choix du diélectrique dans les couches supérieure et inférieure et du métal dans la couche intermédiaire sera crucial pour modifier les propriétés optiques et électriques. De plus, le ZnO a été largement utilisé dans diverses applications industrielles, notamment les moniteurs plats, les capteurs de gaz, les photocapteurs et les écrans tactiles17. En outre, le ZnO est hautement considéré comme un matériau abondant, peu coûteux et non toxique, stable contre le plasma d'hydrogène et les processus à haute température. Par exemple, en 2012, Girtan et al. ont montré que les électrodes ZnO/Ag/ZnO avaient de meilleures performances photovoltaïques que les électrodes ITO/Ag/ITO dans les cellules solaires18.

Jusqu'à présent, les propriétés optiques, électriques et thermiques de trois métaux Au, Pt et Ag dans des structures à trois couches de ZnO/métal/ZnO, à utiliser dans les revêtements de stockage d'énergie sur les fenêtres des bâtiments, n'ont pas été comparées. Dans cette étude, nous avons examiné et comparé les propriétés optiques, électriques et thermiques des électrodes conductrices transparentes ZnO/métal/ZnO, en tenant compte des métaux Ag, Au et Pt dans la couche intermédiaire, dans les mêmes conditions de dépôt pour atteindre la condition optimale. De plus, ces électrodes multicouches sont comparées à des électrodes simples en ZnO. A cet effet, des analyses FESEM et RBS sont réalisées pour évaluer l'épaisseur et la concentration des éléments des échantillons. De plus, en mesurant le spectre UV-Vis-NIR de chaque échantillon, la bande interdite et leurs propriétés optiques sont examinées ; et enfin, à l'aide du logiciel de simulation Window7.8, les propriétés thermiques de chaque échantillon sont étudiées. Pour évaluer et comparer les échantillons tels que préparés pour une utilisation dans l'industrie, nous avons calculé trois paramètres importants ; émissivité, facteur de mérite et valeur U. Lorsque le verre absorbe de la chaleur ou de l'énergie lumineuse, celle-ci est soit transférée vers l'extérieur par le courant d'air, soit réfléchie par la surface du verre. Dans un matériau, la capacité de rayonner de l'énergie est connue sous le nom d'émissivité. Généralement, les produits de fenestration émettent ou rayonnent de la chaleur (énergie infrarouge lointaine à ondes longues), ce qui est important pour les économies d'énergie. Par conséquent, l'amélioration de leurs propriétés isolantes serait possible en diminuant leur émission de chaleur.

À cet égard, la valeur U a été suggérée comme étant une bonne mesure de la quantité isolante, qui montre le taux de transfert de chaleur dans un produit de fenêtrage (W/m2 °C). Ce paramètre comprend le transfert de chaleur conductif, convectif et radiatif d'un système. Comme on peut en déduire, plus la valeur U d'un matériau est petite, plus le débit de chaleur est faible. De plus, en calculant la valeur R totale, la résistance thermique d'un échantillon peut être représentée, qui est l'inverse de la valeur U totale (R = 1/U)19.

L'échantillon de ZnO a été déposé sur un substrat de verre par la technique de dépôt d'un instrument de pulvérisation magnétron RF (revêtements nanostructurés co. DST3-T) avec la cible de ZnO (pureté de 99,995 %) avec une puissance RF de 80 W. Le substrat était situé à 75 mm de distance de la cible. Le temps de dépôt de ZnO dans les couches supérieure et inférieure est de 200 s avec une puissance RF. Dans le cas de la couche intermédiaire, les métaux Au, Ag et Pt avec des cibles métalliques pures (pureté de 99,995 %) ont été déposés à des angles nuls, et le temps de dépôt a été de 40 s avec une alimentation CC ; les échantillons sont nommés S1, S2 et S3, respectivement.

Avant chaque dépôt, la pression de la chambre a atteint 5 × 10–3 Torr, et les métaux et la cible ZnO ont été pré-pulvérisés pendant 5 min.

Il convient de noter que la chambre a été flashée trois fois avec du gaz Ar (pur à 99,995 %) pour éliminer tout contaminant. Après avoir préparé les échantillons, la technique de sonde à quatre points et le spectrophotomètre Ultraviolet-Visible-Near IR (UV-Vis-NIR) (JASCO V-670) ont été utilisés pour déterminer la résistance de feuille et les propriétés optiques des échantillons, respectivement.

Pour évaluer la concentration élémentaire et l'épaisseur de chaque couche, une analyse par spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) a été fournie à l'aide d'un faisceau d'hélium d'une énergie de 2 MeV. L'expérience a été réalisée sur une ligne de voie gauche de 15 ° du laboratoire Vandograph de Téhéran dans une chambre de lutin conventionnelle. Un détecteur à barrière de surface à l'angle de 165° a été utilisé pour enregistrer les particules diffusées. L'erreur de données rapportée liée à l'ajustement, aux données transversales, à l'énergie du faisceau et à la mesure de la charge incidente est de 10 %. L'épaisseur totale des films multicouches a été déterminée avec une coupe transversale au microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM) (Zeiss Sigma 300-HV).

La figure 1 représente des spectres RBS de 2 MeV d'échantillons de ZnO/métal/ZnO pour différents métaux (Ag, Au, Pt). Selon la forme des diagrammes simulés par le logiciel SIMNRA, ils sont bien équipés de données expérimentales. En conséquence, l'épaisseur et la concentration du matériau peuvent être déterminées de manière appropriée. Ces courbes fournissent les énergies rétrodiffusées des particules incidentes pour tous les échantillons. La région du canal à 500–600 et 600–700 nm, respectivement, contient un pic lié aux métaux Zn, Au, Ag et Pt. La profondeur de la vallée entre les signaux Zn–Au et Zn–Pt est égale, et la vallée entre les signaux Zn–Ag est réduite, tandis que la pénétration intercouche est augmentée20. Les épaisseurs ont été calculées en termes de monocouche (1015 atomes/cm2), correspondant à une densité atomique surfacique et en supposant une distribution uniforme des couches. Dans le cas où l'on considère la stoechiométrie nominale de densité atomique connue (5,9 × 1022 atomes/cm3 pour Au, 5,8 × 1022 atomes/cm3 pour Ag et 6,6 × 1022 atomes/cm3 pour Pt), l'épaisseur peut être facilement obtenue à l'échelle nm. La densité surfacique des métaux Au, Ag et Pt au niveau de la couche intermédiaire obtenue à partir de l'analyse RBS est de 25,5, 32,2 et 27,31 (× 1015 atomes/cm2), respectivement. En conséquence, en supposant que la couche est uniforme, l'épaisseur des couches métalliques Au, Ag et Pt dans les échantillons S1, S2 et S3 est de 4,08, 5,44 et 4,09 nm, respectivement21.

Spectres RBS (expérimentaux et de simulation) d'échantillons.

La figure 2 montre les images FESEM en coupe de tous les échantillons. Dans les mêmes conditions expérimentales, les épaisseurs des échantillons S1, S2 et S3 sont respectivement de 77, 61 et 63 nm.

Diagramme en coupe FESEM des échantillons.

La résistance de feuille de tous les échantillons est mesurée à l'aide d'une sonde à quatre points, indiquée dans le tableau 1. La résistance de feuille des échantillons dans les mêmes conditions et la même durée de revêtement indiquent que la résistance de l'échantillon monocouche de ZnO est très élevée. La présence de la couche médiane du métal réduit la résistance électrique. Comme le montre sa structure en bande, ces structures peuvent être considérées comme reliant un métal à un semi-conducteur. Dans l'étude de la structure ZnO/métal, aucune barrière de transfert des électrons du métal vers le semi-conducteur n'est trouvée après collage ; les électrons sont facilement transférés de la couche métallique vers le ZnO et inversement. Dans ce cas, la densité de porteurs de charge est augmentée du fait de l'injection d'électrons du métal dans le semi-conducteur ou inversement20,22. La résistance de feuille de l'échantillon avec du métal Ag est supérieure à celles des échantillons recouverts de métaux Au et Pt ; tandis que dans la plupart des articles sur les structures à trois couches, le métal Ag a été utilisé dans la couche intermédiaire et une faible résistance est mentionnée. Ag se développe en mode Volmer – Weber (île) sur des substrats d'oxyde. La résistance élevée dans l'échantillon avec du métal Ag est probablement due à la présence d'îlots séparés à la surface du métal Ag, et pour la disparition et la cohésion de ces îlots, une couche de revêtement plus Ag est nécessaire. D'après les résultats obtenus dans notre article précédent23, à des épaisseurs inférieures à 10 nm, Ag se dépose sous forme d'îlot discontinu. Cela indique qu'avoir une structure à trois couches avec différents métaux nécessite plus d'Ag que d'Au et de Pt, ce qui est plus rentable.

Les spectres de transmission et de réflexion des échantillons ont été fournis dans les longueurs d'onde de 190 à 2700 nm, illustrées à la Fig. 3. Sur la Fig. 3a, qui est liée au diagramme de transmission des échantillons, les pics de l'échantillon avec différents métaux sont situés à différentes longueurs d'onde ; de sorte que les pics de S1, S2 et S3 sont à 626, 400 et 380 nm et ont une transmittance de 71, 72 et 57 %, respectivement.

Les spectres de transmission et de réflexion.

En raison de l'importance de la transmission dans la plage de 400 à 800 nm dans l'industrie et de sa meilleure comparaison pour les échantillons avec différents métaux, le coefficient de transmission (Tav) pour chaque échantillon est calculé pour la région visible (Tvis), solaire (Tsolar) et NIR (TNIR), comme indiqué dans le tableau 2.

Le coefficient de transmission est obtenu comme suit :

où V(λ) et T(λ) sont respectivement l'efficacité spectrale lumineuse et la transmission des échantillons19,23.

Les valeurs Tvis des échantillons S1, S2 et S3 sont respectivement de 68,95, 58,76 et 47,54 % ; la valeur la plus élevée appartient à l'échantillon S1.

La comparaison de la réflexion dans la région IR pour les électrodes à trois couches ZnO/métal/ZnO considérant différents métaux dans le même processus de fabrication n'a pas été étudiée. La réflectance infrarouge est l'un des paramètres les plus cruciaux des électrodes utilisées dans l'industrie. Dans cette étude, la comparaison de la réflectance de ces électrodes dans la région IR a été étudiée pour la première fois.

Selon la figure 3b, la réflexion des échantillons S1, S2 et S3 dans la région du proche infrarouge est égale à 19, 35 et 36 % à une longueur d'onde de 1700 nm, respectivement. La couche unique de ZnO a la réflectance la plus faible dans cette gamme. Le tableau 2 montre la réflexion moyenne dans les régions solaire et proche infrarouge, qui est calculée à l'aide de l'équation. (1), à la différence que la quantité de réflexion dans les régions solaire et infrarouge a été remplacée par la quantité de transmission.

Les paramètres de conductivité et de transparence sont très critiques dans l'industrie. Pour une meilleure comparaison des propriétés des électrodes à trois couches métal-oxyde/métal/métal-oxyde, le facteur de mérite est utilisé, qui peut être calculé à partir de l'équation suivante24.

Plus la quantité de FOM est grande, plus l'électrode conductrice sera transparente. Les valeurs de FOM des échantillons sont présentées dans le tableau 3. Selon les valeurs mentionnées, la quantité maximale de FOM est liée à l'échantillon S1 avec la valeur de 5,1 × 10–4 Ω−1.

Les électrodes conductrices transparentes à faible émissivité sont un revêtement incolore, incolore et non toxique qui est utilisé dans le verre à vitre pour améliorer l'efficacité énergétique. De telles fenêtres sont remarquablement sûres et se standardisent du point de vue de l'efficacité énergétique dans la maison moderne. Les fenêtres Low-E empêchent la lumière infrarouge de pénétrer dans le verre depuis l'extérieur. De plus, ces fenêtres conservent l'énergie de chauffage/refroidissement. L'émissivité dépend du Rsh et peut être obtenue dans la gamme de longueurs d'onde de 780 à 2700 nm en utilisant l'équation suivante6,19,20

En plus de cela, pour des échantillons ayant les longueurs d'onde équivalentes de λ > 3 µm et Rsh ˂˂ Z0 peuvent également être obtenus comme suit :

où Z0 est l'impédance du vide (377 Ω). Les données d'émissivité acquises pour tous les échantillons sont présentées dans le tableau 3. La quantité minimale d'émissivité est liée à l'échantillon S1 avec la valeur de 0,45.

Le coefficient d'absorption (α) a été obtenu pour la transition directe à l'aide de l'équation suivante25 :

où h et A représentent respectivement l'énergie de rayonnement incident et une constante. L'Eg direct est acquis en extrapolant les parties linéaires des tracés à l'absorption nulle (αhυ = 0). Les changements d'Eg pour le système multicouche ZnO/métal/ZnO sont fournis à la Fig. 4. Selon les résultats obtenus à partir du calcul de l'énergie de la bande interdite, l'écart énergétique de l'échantillon de ZnO est égal à 3,31 eV, ce qui diminue pour les échantillons de couches minces ZnO/M/ZnO (M = Au, Ag et Pt). Ces changements de bande interdite dans les structures à trois couches avec différents métaux sont cohérents avec les changements de transmission dans la région visible, de sorte que la transmittance de la couche unique de ZnO était maximale, et on peut voir que la bande interdite pour cet échantillon est également maximale. De plus, la transmittance de l'échantillon S1 est supérieure à celle de l'échantillon S2 et la bande interdite de l'échantillon S3 est minimale26.

Énergie de la bande interdite optique de tous les échantillons.

Pour étudier les impacts de chauffage des échantillons, leur comportement électrothermique est examiné et illustré à la Fig. 5. À cette fin, des contacts en argent ont été revêtus des deux côtés des échantillons par un évaporateur à faisceau d'électrons. Ensuite, en appliquant une certaine tension pendant 300 s, la température maximale de la chaleur produite entre les contacts a été mesurée par une caméra thermique. Selon la Fig. 5, la température de l'échantillon S1, avec un changement de tension de 4 à 12 V, a une forte augmentation de température de 35 à 120 °C, alors que cet incrément de température s'avère inférieur pour l'échantillon S3 (de 30 à 80 °C), et l'échantillon S2 n'a montré aucun changement de température avec l'augmentation de la tension.

Température de l'élément chauffant à couches minces multicouche ZnO/métal/ZnO en fonction de la tension continue d'entrée.

Ici, la perte de chaleur due à la conduction et au rayonnement depuis l'arrière peut être négligée puisque le substrat en verre n'est pas un bon conducteur thermique. Par conséquent, la principale voie de perte de chaleur, qui est la convection de l'air, peut être obtenue selon la formule suivante27 :

Qg est la chaleur générée à la puissance P pendant une durée de Δt, hconv est le coefficient de transfert de chaleur par convection, Aconv est la surface, et ts et ti sont respectivement les températures de saturation et initiales. Comme on peut en déduire, avec l'augmentation de la tension et la diminution de la résistance, la température de saturation augmente. L'échantillon S1 a moins de résistance de feuille et plus de hconv que l'échantillon S3, et pour cette raison, on peut voir sur la Fig. 5 que la quantité de production de chaleur dans l'échantillon S1 à une tension spécifique est considérablement augmentée par rapport à celle de l'échantillon S3. La température de l'échantillon S2, probablement en raison de sa résistance élevée, n'est pas descendue en dessous de 4 à 12 V.

Pour estimer la quantité de chaleur traversant le matériau, les valeurs de Tvis, Rvis, Tsolar, Rsolar, TNIR, RNIR et d'émissivité des échantillons doivent être calculées28. Tvis et Rvis sont les taux de transmission et de réflexion dans la zone de 400 < λ < 800 nm, Tsolar, Rsolar sont les taux de transmission et de réflexion dans la zone de 250 < λ < 2500 nm, et TNIR, RNIR sont les taux de transmission et de réflexion dans la zone de 780 < λ < 2500 nm ; qui sont tous présentés dans le tableau 2. Dans cette étude, pour calculer la valeur U de chaque échantillon, à l'aide du logiciel Window7.8, nous avons simulé un système à double vitrage composé de deux couches de verre d'une épaisseur de 4 mm et d'une couche d'espacement contenant du gaz argon. Les valeurs U de tous les échantillons sont répertoriées dans le tableau 3. En l'absence du revêtement ZnO/métal/ZnO sur les fenêtres à double vitrage, la valeur U est de 2,730 W/m2 K. Cependant, après le processus de dépôt du revêtement d'électrode conducteur transparent, la valeur U a considérablement diminué. L'échantillon S1 (ZnO/Au/ZnO) a la valeur la plus faible et l'échantillon S2 (ZnO/Ag/ZnO) a la valeur U la plus élevée en raison de sa résistance de feuille élevée et de son émissivité élevée.

Dans ce travail, les propriétés structurelles, optiques, électriques et thermiques des films à trois couches ZnO/métal/ZnO sont étudiées, dans lesquelles les métaux Au, Ag et Pt sont déposés dans la couche intermédiaire sur un substrat de verre en utilisant la technique de pulvérisation magnétron. Les propriétés structurales des échantillons ont été étudiées à l'aide d'analyses RBS et FESEM. De plus, les propriétés optiques du matériau ont été étudiées en mesurant leur spectre de transmission et de réflexion dans la plage de 190 à 2700 nm. La plus faible quantité de résistance avant et après le recuit est liée à l'échantillon ZnO/Au/ZnO, suivie de la plus grande quantité de production de chaleur en appliquant une tension. Les spectres de transmission et de réflectance des échantillons montrent que les valeurs les plus élevées de la transmission moyenne dans la région visible et de la réflectance à la longueur d'onde de 1700 nm sont liées aux échantillons ZnO/Au/ZnO et ZnO/Pt/ZnO, respectivement. De plus, les valeurs de FOM dans l'échantillon ZnO/Au/ZnO ont une valeur maximale de 5,1 × 10–4 Ω−1. Les valeurs de FOM des échantillons ZnO/Ag/ZnO et ZnO/Pt/ZnO sont respectivement de 0,136 × 10–4 et 0,105 × 10–4 (Ω−1). Les quantités d'émissivité, Tav et R1700 sont très efficaces pour le taux de transfert de chaleur à travers le matériau (valeur U). Par exemple, l'échantillon ZnO/Au/ZnO a la valeur U la plus basse de 2,16 W/m2 K. Selon les analyses et les calculs fournis, les échantillons ZnO/Au/ZnO et ZnO/Pt/ZnO ont une meilleure performance de production de chaleur en appliquant une tension et en réduisant le transfert de chaleur à travers la matière et l'émissivité que ZnO/Ag/ZnO.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Faculté de physique, Université de Semnan, Semnan, 35195-363, Iran

Mina Rabizadeh, Mohammad Hossein Ehsani & Mohammad Mahdi Shahidi

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Correspondance à Mohammad Hossein Ehsani.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Rabizadeh, M., Ehsani, MH & Shahidi, MM Films ZnO/métal/ZnO (métal = Ag, Pt, Au) pour l'économie d'énergie dans les applications de fenêtres. Sci Rep 12, 15575 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20043-8

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Reçu : 25 mai 2022

Accepté : 07 septembre 2022

Publié: 16 septembre 2022

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

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