أفلام أكسيد النيوبيوم المودعة من قبل اخرق التفاعلية: تاثير معدل تدفق الأكسجين
Summary
هنا ، ونحن نقدم بروتوكولا ل النيوبيوم أكسيد الأفلام ترسب من قبل اخرق رد الفعل مع معدلات تدفق الأوكسجين المختلفة لاستخدامها كطبقه نقل الكترون في الخلايا الشمسية perovskite.
Abstract
اخرق التفاعلية هي تقنيه متعددة الاستخدامات لتشكيل الأفلام المدمجة مع تجانس ممتاز. الاضافه إلى ذلك ، فانه يسمح بسهوله التحكم في المعلمات ترسب مثل معدل تدفق الغاز الذي يؤدي إلى تغييرات علي تكوين التالي في الخصائص المطلوبة الفيلم. في هذا التقرير ، يتم استخدام اخرق رد الفعل لإيداع الأفلام أكسيد النيوبيوم. ويستخدم هدف النيوبيوم كمصدر معدني ومعدلات تدفق الأكسجين المختلفة لإيداع الأفلام أكسيد النيوبيوم. تم تغيير معدل تدفق الأكسجين من 3 إلى 10 sccm. الأفلام المودعة تحت معدلات تدفق الأكسجين منخفضه تظهر الموصليه الكهربائية اعلي وتوفير أفضل الخلايا الشمسية perovskite عند استخدامها كطبقه النقل الكترون.
Introduction
تستخدم تقنيه اخرق علي نطاق واسع لإيداع الأفلام عاليه الجودة. تطبيقه الرئيسي هو في صناعه أشباه الموصلات ، علي الرغم من انه يستخدم أيضا في طلاء السطح لتحسين الخواص الميكانيكية ، وطبقات عاكسه1. الميزة الرئيسية لأخرق هو امكانيه إيداع مواد مختلفه علي ركائز مختلفه. استنساخ الجيدة والسيطرة علي المعلمات ترسب. تقنيه اخرق يسمح ترسب الأفلام متجانسة ، مع التصاق جيده علي مساحات واسعه وبتكلفه منخفضه بالمقارنة مع طرق الترسيب الأخرى مثل ترسب بخار الكيميائية (الرسوم التعويضية) ، الشعاع الجزيئية (MBE) وترسب الطبقة الذرية (ALD) 1،2. عاده ، والأفلام أشباه الموصلات المودعة من قبل اخرق هي غير متبلور أو الكريستالات ، ومع ذلك ، هناك بعض التقارير عن النمو الفوقي من قبل اخرق3،4. ومع ذلك ، فان عمليه اخرق معقده للغاية ونطاق المعلمة واسعه5، لذلك من أجل تحقيق أفلام ذات جوده عاليه ، والفهم الجيد للعملية والمعلمة الأمثل ضروري لكل ماده.
هناك العديد من المقالات التي تبلغ عن ترسب الأفلام أكسيد النيوبيوم بواسطة اخرق ، وكذلك النيوبيوم نيتريد6 ونيبيوم كربيد7. بين الأكاسيد الدقيقة ، أكسيد النيوبيوم الخماسي (Nb2O5) هو ماده شفافة ، والهواء مستقره والمياه غير قابله للذوبان التي يسلك تعدد الاشكال واسعه النطاق. وهو أشباه الموصلات من نوع n مع القيم الفجوة الفرقة تتراوح بين 3.1 إلى 5.3 eV ، وإعطاء هذه الأكاسيد مجموعه واسعه من التطبيقات8،9،10،11،12،13 ،14،15،16،17،18،19. ملحوظة2O5 وقد اجتذبت اهتماما كبيرا كماده واعده لاستخدامها في الخلايا الشمسية perovskite بسبب الكفاءة المماثلة حقن الكترون والاستقرار الكيميائي أفضل مقارنه مع ثاني أكسيد التيتانيوم (تيو2). الاضافه إلى ذلك ، فان فجوه الفرقة من Nb2O5 يمكن ان تحسن الجهد الدائرة المفتوحة (Voc) من الخلايا14.
في هذا العمل ، تم إيداع Nb2O5 من قبل اخرق رد الفعل تحت معدلات تدفق الأكسجين المختلفة. في انخفاض معدلات تدفق الأكسجين ، تم زيادة الموصليه من الأفلام دون الاستفادة من المنشطات ، والذي يدخل الشوائب علي النظام. واستخدمت هذه الأفلام كطبقه نقل الكترون في الخلايا الشمسية perovskite تحسين أداء هذه الخلايا. وقد وجد ان خفض كميه الأكسجين يدفع تشكيل الوظائف الشاغرة الأكسجين ، مما يزيد من الموصليه الأفلام المؤدية إلى الخلايا الشمسية مع كفاءه أفضل.
Protocol
Representative Results
Discussion
واستخدمت الأفلام أكسيد النيوبيوم التي أعدت في هذا العمل كطبقه نقل الكترون في الخلايا الشمسية perovskite. السمة الأكثر اهميه المطلوبة لطبقه النقل الكترون هو لمنع أعاده تركيبه ، وحجب الثقوب ونقل الكترونات بكفاءة.
في هذا الصدد استخدام تقنيه اخرق رد الفعل هو مفيد لأنه ينتج الأفلام …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد العمل Fundação الحماية من الاعمال الدستورية في ساو باولو (FAPESP) ، Centro de Desenvolvimento de Mmamiis Cerâmicos (CDMF-FAPESP N º 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 و 2017/18916-2). شكر خاص للأستاذ ماكسيمو سيو لي لقياسات 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 |
Riferimenti
- 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).
