Nioboxid-Filme, die durch reaktives Sputtern abgelagert werden: Wirkung des Sauerstoffdurchflusses
Summary
Hier stellen wir ein Protokoll zur Nioboxid-Filmabscheidung durch reaktives Sputtern mit unterschiedlichen Sauerstoffdurchflussraten zur Verwendung als Elektronentransportschicht in Perowskit-Solarzellen vor.
Abstract
Reaktives Sputtern ist eine vielseitige Technik zur Herstellung von Kompaktfolien mit ausgezeichneter Homogenität. Darüber hinaus ermöglicht es eine einfache Steuerung von Abscheidungsparametern wie Gasdurchfluss, was zu Veränderungen der Zusammensetzung und damit der filmerforderlichen Eigenschaften führt. In diesem Bericht wird reaktives Sputtern verwendet, um Nioboxid-Filme abzulagern. Ein Niobziel wird als Metallquelle und unterschiedliche Sauerstoffdurchflussraten verwendet, um Nioboxid-Filme abzulagern. Die Sauerstoffdurchflussrate wurde von 3 auf 10 sccm geändert. Die unter niedrigen Sauerstoffdurchflussraten abgelagerten Folien zeigen eine höhere elektrische Leitfähigkeit und bieten bessere Perowskit-Solarzellen, wenn sie als Elektronentransportschicht verwendet werden.
Introduction
Die Sputtertechnik wird häufig verwendet, um hochwertige Filme zu hinterlegen. Seine Hauptanwendung ist in der Halbleiterindustrie, obwohl es auch in der Oberflächenbeschichtung zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften verwendet wird, und reflektierende Schichten1. Der Hauptvorteil des Sputterns ist die Möglichkeit, verschiedene Materialien über verschiedene Substrate zu deponieren; die gute Reproduzierbarkeit und Kontrolle über die Abscheidungsparameter. Die Sputtertechnik ermöglicht die Abscheidung homogener Folien mit guter Haftung über große Flächen und kostengünstig im Vergleich zu anderen Abscheidungsmethoden wie chemischer Dampfabscheidung (CVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Atomschichtabscheidung (ALD) 1,2. Üblicherweise sind Halbleiterfolien, die durch Sputtern abgelagert werden, amorph oder polykristallin, jedoch gibt es einige Berichte über das epitaxiale Wachstum durch Sputtern3,4. Dennoch ist der Sputterprozess sehr komplex und der Bereich des Parameters ist breit5, so dass, um qualitativ hochwertige Folien zu erreichen, ein gutes Verständnis des Prozesses und Parameteroptimierung für jedes Material notwendig ist.
Es gibt mehrere Artikel, die über die Ablagerung von Nioboxid-Filmen durch Sputtern sowie Niobnitrid6 und Niobcarbid7berichten. Unter den Nb-Oxiden ist Niobpentoxid (Nb2O5) ein transparentes, luftstabiles und wasserunlösliches Material, das einen umfangreichen Polymorphismus aufweist. Es ist ein n-Typ Halbleiter mit Band-Lücke Werte von 3,1 bis 5,3 eV, so dass diese Oxide eine breite Palette von Anwendungen8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 hat aufgrund seiner vergleichbaren Elektroneninjektionseffizienz und besseren chemischen Stabilität im Vergleich zu Titandioxid (TiO2) als vielversprechendes Material für den Einsatz in Perowskit-Solarzellen große Aufmerksamkeit erregt. Darüber hinaus könnte der Bandabstand von Nb2O5 die Leerlaufspannung (Voc) der Zellen14verbessern.
In dieser Arbeit wurde Nb2O5 durch reaktives Sputtern unter unterschiedlichen Sauerstoffdurchflussraten abgelagert. Bei niedrigen Sauerstoffdurchflussraten wurde die Leitfähigkeit der Filme ohne Doping erhöht, was Verunreinigungen auf dem System einführt. Diese Filme wurden als Elektronentransportschicht in Perowskit-Solarzellen verwendet, um die Leistung dieser Zellen zu verbessern. Es wurde festgestellt, dass die Verringerung der Sauerstoffmenge die Bildung von Sauerstoffleerständen induziert, was die Leitfähigkeit der Filme erhöht, die zu Solarzellen mit besserer Effizienz führen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die in dieser Arbeit hergestellten Nioboxidfolien wurden als Elektronentransportschicht in Perowskit-Solarzellen verwendet. Die wichtigste Eigenschaft, die für eine Elektronentransportschicht erforderlich ist, ist die Vermeidung von Rekombinationen, blockenden Löchern und die effiziente Übertragung von Elektronen.
In dieser Hinsicht ist der Einsatz von reaktiver Sputtertechnik vorteilhaft, da sie dichte und kompakte Folien produziert. Auch, wie bereits erwähnt, im Vergleich zu Sol-Gel, Elo…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Arbeiten wurden unterstützt von Fundaéo de Amparo , Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de Materiais Cer’micos (CDMF- FAPESP No 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 und 2017/18916-2). Besonderer Dank geht an Professor M’ximo Siu Li für PL-Messungen.
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 |
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