Ниобий оксида Пленки депонируется реактивного распыления: Влияние скорости кислородного потока
Summary
Здесь мы представляем протокол для осаждения оксидов ниобия путем реактивного распыления с различными тарифами потока кислорода для использования в качестве электронного транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах.
Abstract
Реактивный распыление является универсальным методом, используемым для формирования компактных пленок с отличной однородностью. Кроме того, это позволяет легко контролировать параметры осаждения, такие как скорость потока газа, что приводит к изменениям по составу и, таким образом, в пленке требуются свойства. В этом отчете реактивное распыление используется для депонирования оксидов ниобия. Цель ниобия используется в качестве источника металла и различных ставок потока кислорода для депонировании оксидов ниобия. Скорость потока кислорода была изменена с 3 до 10 скм. Пленки, отложенные при низких уровнях подачи кислорода, показывают более высокую электрическую проводимость и обеспечивают лучшие перовскитные солнечные элементы при использовании в качестве слоя электронного транспорта.
Introduction
Техника распыления широко используется для депонирования высококачественных пленок. Его основное применение в полупроводниковой промышленности, хотя он также используется в поверхностном покрытии для улучшения механических свойств, и отражающие слои1. Основным преимуществом распыления является возможность депонирования различных материалов на различных субстратах; хорошая воспроизводимость и контроль над параметрами осаждения. Техника распыления позволяет осаждения однородных пленок, с хорошей сливкой на больших площадях и при недорогой цене по сравнению с другими методами осаждения химических паров (CVD), молекулярной эпитаксии пучка (MBE) и осаждением атомного слоя (ALD) 1,2. Как правило, полупроводниковые пленки, отложенные при распылении, являются аморфными или поликристаллическими, однако, есть некоторые сообщения о росте эпитаксиального путем распыления3,4. Тем не менее, процесс распыления очень сложный и диапазон параметра широк5,поэтому для достижения высококачественных пленок для каждого материала необходимо хорошее понимание процесса и оптимизация параметров.
Есть несколько статей, сообщающих о осаждении оксида ниобия пленки распыления, а также ниобий нитрида6 и ниобия карбида7. Среди Nb-оксидов пентоксид ниобия (Nb2O5) является прозрачным, воздушно-стабильным и водорастворимым материалом, который обладает обширным полиморфизмом. Это n-тип полупроводника с диапазоном разрыв значения в диапазоне от 3,1 до 5,3 eV, давая эти оксиды широкий спектр приложений8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 привлек значительное внимание как перспективный материал, который будет использоваться в перовскитных солнечных элементах из-за его сопоставимой эффективности инъекций электрона и лучшей химической стабильности по сравнению с диоксидом титана (TiO2). Кроме того, разрыв полосы Nb2O5 может улучшить напряжение открытого контура (Voc) клеток14.
В этой работе Nb2O5 откладывался реактивным распылением при различных показателях потока кислорода. При низких уровнях потока кислорода проводимость пленок была увеличена без применения допинга, что вводит примеси в систему. Эти пленки использовались в качестве электронного транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах, улучшая производительность этих элементов. Выяснилось, что уменьшение количества кислорода приводит к образованию кислородных вакансий, что повышает проводимость пленок, ведущих к солнечным клеткам с большей эффективностью.
Protocol
Representative Results
Discussion
Пленки оксида ниобия, подготовленные в этой работе, использовались в качестве электронного транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах. Наиболее важной характеристикой, необходимой для электронного транспортного слоя, является предотвращение рекомбинации, блокирование о?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа была поддержана Фондом ампаро-де-Пескиса-ду-Эстадо де Сан-Паулу (FAPESP), Центр де Desenvolvimento де Materiais Cer’micos (CDMF- ФАПЕСП No 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 и 2017/18916-2). Особая благодарность профессору Максимо Сиу Ли за измерения 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).
