Niobium oxid-film deponeret af reaktiv sputtering: effekt af Iltstrømnings hastighed
Summary
Her præsenterer vi en protokol for niobium oxid film deposition af reaktiv spruttende med forskellige oxygen flowhastigheder til brug som et elektron transportlag i perovskite solceller.
Abstract
Reaktiv spruttende er en alsidig teknik, der bruges til at danne kompakte film med fremragende homogenitet. Desuden giver det mulighed for nem kontrol over deposition parametre såsom gas flowhastighed, der resulterer i ændringer på sammensætning og dermed i filmen krævede egenskaber. I denne rapport anvendes reaktiv spruttende til at deponere niobium oxid-film. En niobium Target bruges som metal kilde og forskellige ilt flow satser til at deponere niobium oxid film. Oxygen strømningshastigheden blev ændret fra 3 til 10 SCCM. De film, der deponeres under lave iltflow, viser højere elektrisk ledningsevne og giver bedre perovskite solceller, når de anvendes som elektron transportlag.
Introduction
Den spruttende teknik er almindeligt anvendt til at deponere høj kvalitet film. Dens vigtigste anvendelse er i halvlederindustrien, selv om det også anvendes i overfladebelægning til forbedring af mekaniske egenskaber, og reflekterende lag1. Den største fordel ved spruttende er muligheden for at deponere forskellige materialer over forskellige substrater; den gode reproducerbarhed og kontrol over aflejrings parametrene. Den spruttende teknik tillader deposition af homogene film, med god vedhæftning over store områder og til lave omkostninger sammenlignet med andre deposition metoder som kemisk damp deposition (CVD), molekyle stråle cellen (MBE) og atomlag deposition (ald) 1,2. Almindeligvis er halvleder film deponeret af spruttende er amorfe eller polykrystallinsk, men der er nogle rapporter om epitaksial vækst ved spruttende3,4. Ikke desto mindre er spruttende processen meget kompleks og rækken af parameteren er bred5, så for at opnå høj kvalitet film, en god forståelse af processen og parameter optimering er nødvendig for hvert materiale.
Der er flere artikler rapportering om aflejring af niobium oxid film ved sputtering, samt niobium Magnesiumnitrid6 og niobium carbide7. Blandt NB-oxider er niobium pentoxid (NB2O5) et gennemsigtigt, luft stabilt og vand uopløseligt materiale, der udviser omfattende polymorfi. Det er en n-type halvleder med bånd Gap værdier spænder fra 3,1 til 5,3 EV, hvilket giver disse oxider en bred vifte af applikationer8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. NB2O5 har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed som et lovende materiale, der skal anvendes i perovskite solceller på grund af sin sammenlignelige elektron injektion effektivitet og bedre kemisk stabilitet sammenlignet med titandioxid (TiO2). Desuden kunne båndet Gap af NB2O5 forbedre Open-Circuit spænding (VoC) af cellerne14.
I dette arbejde blev NB2O5 deponeret af reaktiv spruttende under forskellige oxygen strømningshastigheder. Ved lave iltflow hastigheder blev filmens ledningsevne forøget uden at gøre brug af doping, som indfører urenheder på systemet. Disse film blev brugt som elektron transportlag i perovskite solceller forbedre ydeevnen af disse celler. Det blev konstateret, at faldende mængden af ilt inducerer dannelsen af ilt stillinger, hvilket øger ledningsevnen af de film, der fører til solceller med bedre effektivitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
De niobium oxid film udarbejdet i dette arbejde blev brugt som elektron transportlag i perovskite solceller. Den vigtigste egenskab, der kræves for et elektron transportlag, er at forhindre rekombination, blokering af huller og overførsel af effektive elektroner.
I denne henseende er brugen af reaktiv spruttende teknik fordelagtig, da den producerer tætte og kompakte film. Også, som allerede nævnt, sammenlignet med sol-gel, Anodisering, hydrotermiske, og kemisk damp deposition syntesemeto…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Værket blev støttet af 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 og 2017/18916-2). Særlig tak til professor máximo Siu Li for PL-målinger.
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).
