Films d'oxyde de niobium déposés par Reactive Sputtering: Effect of Oxygen Flow Rate
Summary
Ici, nous présentons un protocole pour le dépôt de films d’oxyde de niobium par pulvérisation réactive avec différents débits d’oxygène pour une utilisation comme couche de transport d’électrons dans les cellules solaires perovskite.
Abstract
Le pulvérisation réactif est une technique polyvalente utilisée pour former des films compacts avec une excellente homogénéité. En outre, il permet un contrôle facile sur les paramètres de dépôt tels que le débit de gaz qui entraîne des changements sur la composition et donc dans les propriétés nécessaires au film. Dans ce rapport, le pulvérisation réactif est utilisé pour déposer des films d’oxyde de niobium. Une cible de niobium est utilisée comme source de métal et différents débits d’oxygène pour déposer des films d’oxyde de niobium. Le débit d’oxygène a été changé de 3 à 10 sccm. Les films déposés sous de faibles débits d’oxygène montrent une conductivité électrique plus élevée et fournissent de meilleures cellules solaires perovskites lorsqu’elles sont utilisées comme couche de transport d’électrons.
Introduction
La technique de pulvérisation est largement utilisée pour déposer des films de haute qualité. Son application principale est dans l’industrie des semi-conducteurs, bien qu’il soit également utilisé dans le revêtement de surface pour l’amélioration des propriétés mécaniques, et les couches réfléchissantes1. Le principal avantage du pulvérisation est la possibilité de déposer différents matériaux sur différents substrats; la bonne reproductibilité et le contrôle sur les paramètres de dépôt. La technique de pulvérisation permet le dépôt de films homogènes, avec une bonne adhérence sur de grandes surfaces et à faible coût par rapport à d’autres méthodes de dépôt comme le dépôt de vapeur chimique (CVD), l’épitaxie de faisceau moléculaire (MBE) et le dépôt de couche atomique (ALD) 1,2. Généralement, les films semi-conducteurs déposés par pulvérisation sont amorphes ou polycrystalline, cependant, il ya quelques rapports sur la croissance épitaxiale par pulvérisation3,4. Néanmoins, le processus de pulvérisation est très complexe et la gamme du paramètre est large5, afin d’atteindre des films de haute qualité, une bonne compréhension du processus et l’optimisation des paramètres est nécessaire pour chaque matériau.
Il y a plusieurs articles rapportant sur le dépôt des films d’oxyde de niobium par pulvérisation, aussi bien que le nitride de niobium6 et le carbure de niobium7. Parmi les oxydes nb, le niobium pentoxide (Nb2O5) est un matériau transparent, stable à l’air et insoluble dans l’eau qui présente un polymorphisme étendu. Il s’agit d’un semi-conducteur de type n avec des valeurs d’écart de bande allant de 3,1 à 5,3 eV, donnant à ces oxydes un large éventail d’applications8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 a attiré une attention considérable comme un matériau prometteur à utiliser dans les cellules solaires perovskites en raison de son efficacité d’injection d’électrons comparableet et une meilleure stabilité chimique par rapport au dioxyde de titane (TiO2). En outre, l’écart de bande de Nb2O5 pourrait améliorer la tension en circuit ouvert (Voc) des cellules14.
Dans ce travail, Nb2O5 a été déposé par pulvérisation réactive sous différents débits d’oxygène. À faible débit d’oxygène, la conductivité des films a été augmentée sans recourir au dopage, ce qui introduit des impuretés sur le système. Ces films ont été utilisés comme couche de transport d’électrons dans les cellules solaires perovskites améliorant les performances de ces cellules. Il a été constaté que la diminution de la quantité d’oxygène induit la formation de postes vacants d’oxygène, ce qui augmente la conductivité des films menant à des cellules solaires avec une meilleure efficacité.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les films d’oxyde de niobium préparés dans ce travail ont été utilisés comme couche de transport d’électrons dans les cellules solaires perovskites. La caractéristique la plus importante requise pour une couche de transport d’électrons est d’empêcher la recombinaison, le blocage des trous et le transfert efficace des électrons.
À cet égard, l’utilisation de la technique de pulvérisation réactive est avantageuse car elle produit des films denses et compacts. En outre, comme déjà…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le travail a été soutenu par Fundaçao de Amparo à Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de Materiais Cerâmicos (CDMF- FAPESP No 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 et 2017/18916-2). Un merci spécial au Professeur Môximo Siu Li pour les mesures 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).
