Niobium oxide films afgezet door reactieve sputtering: effect van zuurstof debiet
Summary
Hier presenteren we een protocol voor niobium oxide films afzetting door reactieve sputteren met verschillende zuurstof stroomsnelheden voor gebruik als een elektron transportlaag in perovskietmodule zonnecellen.
Abstract
Reactieve sputteren is een veelzijdige techniek die wordt gebruikt om compacte films te vormen met een uitstekende homogeniteit. Bovendien, het maakt eenvoudige controle over depositie parameters zoals gasstroom snelheid die resulteert in veranderingen op de samenstelling en dus in de film vereiste eigenschappen. In dit rapport wordt reactieve sputteren gebruikt om niobium oxide films te storten. Een niobium doel wordt gebruikt als metaal bron en verschillende zuurstof stroom tarieven om niobium oxide films te storten. Het zuurstof debiet is veranderd van 3 naar 10 SCCM. De films afgezet onder lage zuurstof stroomsnelheden vertonen een hogere elektrische geleiding en bieden betere perovskietmodule zonnecellen bij gebruik als elektronen transportlaag.
Introduction
De sputterende techniek wordt veel gebruikt voor het storten van films van hoge kwaliteit. De belangrijkste toepassing is in de halfgeleiderindustrie, hoewel het ook wordt gebruikt in oppervlaktecoating voor verbetering in mechanische eigenschappen, en reflecterende lagen1. Het belangrijkste voordeel van sputteren is de mogelijkheid om verschillende materialen te deponeren over verschillende ondergronden; de goede reproduceerbaarheid en controle over de depositie parameters. De sputterende techniek maakt de afzetting van homogene films mogelijk, met een goede hechting over grote gebieden en tegen lage kosten in vergelijking met andere Afzettings methoden zoals chemische damp afzetting (CVD), moleculaire straal epitaxy (MBE) en atomaire-laag depositie (ALD) 1,2. Algemeen, halfgeleider films afgezet door sputteren zijn amorf of poly kristallijne, echter, er zijn enkele rapporten over epitaxiale groei door sputteren3,4. Niettemin, het sputterende proces is zeer complex en het bereik van de parameter is breed5, dus om te bereiken van hoge kwaliteit films, een goed begrip van het proces en parameter optimalisatie is nodig voor elk materiaal.
Er zijn verschillende artikelen die rapporteren over de afzetting van niobium oxide films door sputteren, evenals niobium Nitride6 en niobium Carbide7. Onder nb-oxiden, niobium fosforzuuranhydride (nb2O5) is een transparant, lucht-stabiel en water-onoplosbaar materiaal dat uitgebreide polymorfisme vertoont. Het is een n-type halfgeleider met band spleet waarden variërend van 3,1 tot 5,3 EV, waardoor deze oxiden een breed scala aan toepassingen8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. NB2O5 heeft veel aandacht gekregen als een veelbelovend materiaal om te worden gebruikt in perovskietmodule zonnecellen vanwege de vergelijkbare elektron injectie-efficiëntie en betere chemische stabiliteit in vergelijking met titaniumdioxide (Tio2). Bovendien kan de band gap van nb2O5 de open-circuit spanning (VOC) van de cellen14verbeteren.
In dit werk, nb2O5 werd afgezet door reactieve sputteren onder verschillende zuurstof stroomsnelheden. Bij lage zuurstof stroomsnelheden werd de geleiding van de films verhoogd zonder gebruik te maken van doping, wat onzuiverheden op het systeem introduceert. Deze films werden gebruikt als elektronen transportlaag in perovskietmodule zonnecellen die de prestaties van deze cellen verbeterden. Er werd vastgesteld dat het verminderen van de hoeveelheid zuurstof de vorming van zuurstof vacatures induceert, wat de geleiding van de films die leidt tot zonnecellen met een betere efficiëntie verhoogt.
Protocol
Representative Results
Discussion
De niobium oxide films bereid in dit werk werd gebruikt als elektronen transportlaag in perovskietmodule zonnecellen. Het belangrijkste kenmerk dat nodig is voor een elektronen transportlaag is het voorkomen van recombinatie, het blokkeren van gaten en het overbrengen van efficiënte elektronen.
In dit opzicht is het gebruik van reactieve sputterende techniek voordelig omdat het dichte en compacte films produceert. Ook, zoals reeds vermeld, in vergelijking met Sol-gel, anodisatie, hydrothermis…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Het werk werd gesteund door Fundação de Amparo à pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de materiais Cerâmicos (CDMF-FAPESP nº 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 en 2017/18916-2). Speciale dank aan professor Máximo Siu Li voor PL-metingen.
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 |
References
- 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).
