Óxido de nióbio filmes depositados por sputtering reativa: efeito da taxa de fluxo de oxigênio
Summary
Aqui, nós apresentamos um protocolo para o depósito das películas do óxido do nióbio pelo sputtering reactivo com taxas de fluxo diferentes do oxigênio para o uso como uma camada do transporte do elétron em pilhas solares do perovskita.
Abstract
O sputtering reactivo é uma técnica versátil usada para dar forma a películas compactas com homogeneidade excelente. Além, permite o controle fácil sobre parâmetros do depósito tais como a taxa de fluxo do gás que conduz às mudanças na composição e assim nas propriedades exigidas película. Neste relatório, o sputtering reactivo é usado para depositar películas do óxido do nióbio. Um alvo do nióbio é usado como a fonte do metal e as taxas de fluxo diferentes do oxigênio para depositar películas do óxido do nióbio. A vazão de oxigênio foi alterada de 3 para 10 SCCM. As películas depositadas baixas taxas de fluxo do oxigênio mostram uma condutibilidade elétrica mais elevada e fornecem melhores células solares do perovskita quando usadas como a camada do transporte do elétron.
Introduction
A técnica sputtering é amplamente utilizada para depositar filmes de alta qualidade. Sua principal aplicação é na indústria de semicondutores, embora também seja usado em revestimento de superfície para melhoria nas propriedades mecânicas, e camadas reflexivas1. A principal vantagem do sputtering é a possibilidade de depositar diferentes materiais em diferentes substratos; a boa reprodutibilidade e controle sobre os parâmetros de deposição. A técnica de sputtering permite o depósito de películas homogêneas, com boa aderência sobre grandes áreas e a baixo custo quando comparado com outros métodos do depósito como o depósito químico do vapor (CVD), o Epitaxy molecular do feixe (MBE) e a deposição da camada atômica (ALD) 1,2. Comumente, filmes semicondutores depositados por sputtering são amorfos ou policristalinos, no entanto, existem alguns relatos sobre o crescimento epitaxial por sputtering3,4. No entanto, o processo de sputtering é altamente complexo e a escala do parâmetro é largamente5, assim que a fim conseguir películas de alta qualidade, uma boa compreensão do processo e a optimização do parâmetro são necessárias para cada material.
Há vários artigos relatando sobre a deposição de filmes de óxido de nióbio por sputtering, bem como nitreto de nióbio6 e carboneto de nióbio7. Entre os RN-óxidos, O pentóxido de nióbio (NB2O5) é um material transparente, ar-estável e insolúvel em água que apresenta polimorfismo extensivo. É um semicondutor do n-tipo com os valores da abertura da faixa que variam de 3,1 a 5,3 EV, dando a estes óxidos uma escala larga das aplicações8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. NB2O5 atraiu considerável atenção como um material promissor para ser usado em células solares perovskita devido à sua eficiência de injeção de elétrons comparáveis e melhor estabilidade química em comparação com o dióxido de titânio (tio2). Além disso, o Gap de banda do NB2o5 poderia melhorar a tensão de circuito aberto (VOC) das células14.
Neste trabalho, NB2O5 foi depositado por sputtering reativa diferentes taxas de fluxo de oxigênio. Em baixas taxas de fluxo de oxigênio, a condutividade dos filmes foi aumentada sem fazer uso de doping, o que introduz impurezas no sistema. Estas películas foram usadas como a camada do transporte do elétron em pilhas solares do perovskita que melhoram o desempenho destas pilhas. Verificou-se que a diminuição da quantidade de oxigênio induz a formação de vagas de oxigênio, o que aumenta a condutividade dos filmes levando a células solares com melhor eficiência.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os filmes de óxido de nióbio preparados neste trabalho foram utilizados como camada de transporte de elétrons em células solares perovskitas. A característica a mais importante exigida para uma camada do transporte do elétron é impedir o recombination, obstruindo furos e Transferindo eficientemente elétrons.
A este respeito, o uso de técnica de sputtering reativa é vantajoso, uma vez que produz filmes densos e compactos. Também, como já mencionado, comparado ao sol-gel, anodizaçã…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
O trabalho foi apoiado pela Fundação de Amparo à pesquisa do estado de São Paulo (FAPESP), centro de desenvolvimento de materiais cerâmicos (CDMF-FAPESP N º 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 e 2017/18916-2). Agradecimentos especiais ao professor máximo Siu li para medições de 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 |
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