ניאוביום אוקסיד סרטים שהופקדו על ידי התזה ראקטיבית: השפעת קצב זרימת החמצן
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור ניאוביום בסרטי תחמוצת התצהיר על ידי התזה תגובתי עם שונים זרימת חמצן שיעורי לשימוש כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי השמש פרוביסקיט.
Abstract
התזה תגובתית היא טכניקה רב-תכליתית המשמשת ליצירת סרטים קומפקטיים עם הומוגניות מצוינים. כמו-כן, היא מאפשרת שליטה קלה בפרמטרים כגון שיעור זרימת הגז, שתוצאתה שינויים בקומפוזיציה ולכן בהתאם למאפייני הסרט הנדרשים. בדו ח זה, התזה מגיב משמש להפקדת סרטי תחמוצת ניאובנום. היעד ניאוביום משמש כמקור מתכת וזרימת חמצן שונים שיעורי ההפקדה ניאוביום בסרטי תחמוצת. שיעור זרימת החמצן השתנה מ 3 עד 10 sccm. הסרטים שהופקדו תחת שיעורי זרימת חמצן נמוכה מראים מוליכות חשמלית גבוהה יותר ומספקים התאים הסולאריים טוב יותר פרוביסקיט כאשר משתמשים כשכבת התחבורה האלקטרונים.
Introduction
טכניקת הריסוס משמשת רבות להפקדת סרטים באיכות גבוהה. היישום העיקרי שלה הוא בתעשיית מוליך למחצה, למרות שהוא משמש גם ציפוי פני השטח לשיפור תכונות מכניות, ושכבות רפלקטיבית1. היתרון העיקרי של התזה היא האפשרות להפקיד חומרים שונים על גבי מצעים שונים; הטוב ביותר ושליטה על הפרמטרים התצהיר. טכניקת התזה מאפשרת הפקדת סרטים הומוגניות, עם הדבקה טובה על שטחים גדולים ובעלות נמוכה בהשוואה לשיטות התצהיר האחרות כגון הפקדת אדי כימית (CVD), מחלת הקרן המולקולרית (MBE) ועדות השכבה האטומית (אלד) 1,2. בדרך כלל, סרטים מוליכים למחצה שהופקדו על ידי התזה הם אמורפיים או פוליפשיים, עם זאת, ישנם דיווחים על גידול אפיציאני על ידי התזה3,4. עם זאת, תהליך התזה מורכב מאוד והטווח של הפרמטר הוא רחב5, כך שכדי להשיג סרטים באיכות גבוהה, הבנה טובה של התהליך ומיטוב הפרמטרים נחוצים עבור כל חומר.
ישנם מספר מאמרים המדווחים על התצהיר של ניאוביום הסרטים תחמוצת על ידי התזה, כמו גם ניאוביום ניטריד6 ו ניאובנום קרביד7. בין Nb-תחמוצות, ניאובנום pentoxide (Nb2O5) הוא חומר שקוף, יציב ומלא-מיים המוצגים בחומרים פולימורפיזם נרחבים. זהו מוליך למחצה n-type עם ערכי פער הלהקה החל מ 3.1 כדי 5.3 eV, נותן אלה תחמוצות מגוון רחב של יישומים8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 משכה תשומת לב ניכרת כחומר מבטיח לשמש פרוביסקיט תאים סולאריים בשל היעילות שלה הזרקה אלקטרון ויציבות כימית טובה יותר לעומת טיטניום דו חמצני (TiO2). בנוסף, פער הלהקה של Nb2O5 יכול לשפר את המתח במעגל הפתוח (Voc) של התאים14.
בעבודה זו, Nb2O5 הופקד על ידי התזה תגובתי תחת שיעורי זרימת חמצן שונים. בקצב של זרימת חמצן נמוכה, מוליכות הסרטים הוגדלה מבלי לעשות שימוש בסמים, אשר מציג זיהומים במערכת. סרטים אלה שימשו כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי שמש פרוביסקיט שיפור הביצועים של תאים אלה. נמצא כי הפחתת כמות החמצן גורמת היווצרות של משרות חמצן, אשר מגדיל את המוליכות של הסרטים המובילים לתאי שמש עם יעילות טובה יותר.
Protocol
Representative Results
Discussion
הסרטים תחמוצת ניאוביום שהוכנו בעבודה זו שימש כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי השמש פרוביסקיט. המאפיין החשוב ביותר הנדרש עבור שכבת תחבורה אלקטרון הוא למנוע שילוב מחדש, חסימת חורים והעברת אלקטרונים ביעילות.
במובן זה, השימוש בטכניקת התזה התגובתית הוא יתרון שכן הוא מפיק סרטים צפופי…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
העבודה נתמכת על ידי הפונדסאו דה Amparo à Pesquisa do Estado דה סאו פאולו (FAPESP), סנטרו de Desenvolvimento de חומריות מיקרו (CDMF-FAPESP N º 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 ו 2017/18916-2). תודות מיוחדות לפרופסור מקסימו סיו לי למדידות PL.
Materials
| 2-propanol | Merck | 67-63-0 | solvent with maximum of 0.005% H2O |
| 4-tert-butylpyridine | Sigma Aldrich | 3978-81-2 | chemical with 96% purity |
| acetonitrile | Sigma Aldrich | 75-05-8 | anhydrous solvent , 99.8% purity |
| bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma Aldrich | 90076-65-6 | chemical with ≥99.95% purity |
| chlorobenzene | Sigma Aldrich | 108-90-7 | anhydrous solvent , 99.8% purity |
| ethanol | Sigma Aldrich | 200-578-6 | solvent |
| Fluorine doped tin oxide (SnO2:F) glass substrate | Solaronix | TCO22-7/LI | substrate to deposit films |
| Kaptom tape | Usinainfo | 04227 | thermal tape used to cover the substrates |
| Kurt J Lesker magnetron sputtering system | Kurt J Lesker | —— | Sputtering equipment used to deposit compact films |
| Lead (II) iodide | Alfa Aesar | 10101-63-0 | PbI2 salt- 99.998% purity |
| methylammonium iodide | Dyesol | 14965-49-2 | CH3NH3I salt |
| N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-octakis (4-methoxyphenyl)-9,9′-spirobi [9H-fluorene]-2,2′,7,7′-tetramine | Sigma Aldrich | 207739-72-8 | Spiro-OMeTAD salt, 99% purity |
| Niobium target of 3” | CBMM- Brazilian Metallurgy and Mining Company | —— | niobium sputtering target used in the sputtering system |
| N-N dimethylformamide | Merck | 68-12-2 | solvent with maximum of 0.003% H2O |
| TiO2 paste | Dyesol | DSL 30NR-D | titanium dioxide paste |
| tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)cobalt(III) tri[bis(trifluoromethane)sulfonimide] | Dyesol | 329768935 | FK 209 Co(III) TFSL salt |
Referenzen
- Wasa, K., Kitabatake, M., Adachi, H. . Thin film materials technology : sputtering of compound materials. , (2004).
- Kelly, P. J., Arnell, R. D. Magnetron sputtering: A review of recent developments and applications. Vacuum. 56, 159-172 (2000).
- Chen, W. -. C., Peng, C. Y., Chang, L. Heteroepitaxial growth of TiN film on MgO (100) by reactive magnetron sputtering. Nanoscale Research Letters. 9, 551 (2014).
- Guo, Q. X., et al. Heteroepitaxial growth of gallium nitride on ( 1 1 1 ) GaAs substrates by radio frequency magnetron sputtering. Journal of Crystal Growth. 239, 1079-1083 (2002).
- Berg, S., Nyberg, T. Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes. Thin Solid films. (476), 215-230 (2005).
- Wong, M. S., Sproul, W. D., Chu, X., Barnett, S. A. Reactive magnetron sputter deposition of niobium nitride films. Journal Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces and Films. 11, 1528-1533 (2002).
- Zoita, C. N., Braic, L., Kiss, A., Braic, M. Characterization of NbC coatings deposited by magnetron sputtering method. Surface and Coatings Technology. 204, 2002-2005 (2010).
- Nico, C., Monteiro, T., Graça, M. P. F. Niobium oxides and niobates physical properties: Review and prospects. Progress in Materials Science. 80, 1-37 (2016).
- Aegerter, M. A., Schmitt, M., Guo, Y. Sol-gel niobium pentoxide coatings: Applications to photovoltaic energy conversion and electrochromism. International Journal of Photoenergy. 4, 1-10 (2002).
- Fernandes, S. L., et al. Hysteresis dependence on CH3NH3PbI3 deposition method in perovskite solar cells. Proceedings of SPIE – International Society for Optics and Photonics. 9936, 9936 (2016).
- Fernandes, S. L., et al. Nb2O5hole blocking layer for hysteresis-free perovskite solar cells. Materials Letters. 181, 103-107 (2016).
- Hamada, K., Murakami, N., Tsubota, T., Ohno, T. Solution-processed amorphous niobium oxide as a novel electron collection layer for inverted polymer solar cells. Chemical Physics Letters. 586, 81-84 (2013).
- Aegerter, M. a. Sol-gel niobium pentoxide: A promising material for electrochromic coatings, batteries, nanocrystalline solar cells and catalysis. Solar Energy Materials and Solar Cells. 68, 401-422 (2001).
- Rani, R. A., Zoolfakar, A. S., O’Mullane, A. P., Austin, M. W., Kalantar-Zadeh, K. Thin films and nanostructures of niobium pentoxide: fundamental properties, synthesis methods and applications. Journal Materials Chemistry A. 2, 15683-15703 (2014).
- Foroughi-Abari, A., Cadien, K. C. Growth, structure and properties of sputtered niobium oxide thin films. Thin Solid Films. 519, 3068-3073 (2011).
- Numata, Y., et al. Nb-doped amorphous titanium oxide compact layer for formamidinium-based high efficiency perovskite solar cells by low-temperature fabrication. Journal Materials Chemistry A. 6, 9583-9591 (2018).
- Graça, M. P. F., Meireles, A., Nico, C., Valente, M. A. Nb2O5 nanosize powders prepared by sol-gel – Structure, morphology and dielectric properties. Journal of Alloys and Compounds. 553, 177-182 (2013).
- Kogo, A., Numata, Y., Ikegami, M., Miyasaka, T. Nb 2 O 5 Blocking Layer for High Open-circuit Voltage Perovskite Solar Cells. Chemistry Letters. 44, 829-830 (2015).
- Ueno, S., Fujihara, S. Effect of an Nb2O5 nanolayer coating on ZnO electrodes in dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta. 56, 2906-2913 (2011).
- Fernandes, S. L., et al. Exploring the Properties of Niobium Oxide Films for Electron Transport Layers in Perovskite Solar Cells. Frontiers in Chemistry. 7, 1-9 (2019).
- Shirani, A., et al. Tribologically enhanced self-healing of niobium oxide surfaces. Surface and Coatings Technology. 364, 273-278 (2014).
- Yan, J., et al. Nb2O5/TiO2 heterojunctions: Synthesis strategy and photocatalytic activity. Applied Catalysis B: Environmental. 152 (1), 280-288 (2014).
