Películas de óxido de niobio depositadas por sputtering reactivo: efecto de la tasa de flujo de oxígeno
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para la deposición de películas de óxido de niobio mediante sputtering reactivo con diferentes caudales de oxígeno para su uso como capa de transporte de electrones en células solares de perovskita.
Abstract
El sputtering reactivo es una técnica versátil utilizada para formar películas compactas con una excelente homogeneidad. Además, permite un fácil control sobre los parámetros de deposición, como el caudal de gas, que da como resultado cambios en la composición y, por lo tanto, en las propiedades requeridas de la película. En este informe, la esputo reactiva se utiliza para depositar películas de óxido de niobio. Un objetivo de niobio se utiliza como fuente de metal y diferentes tasas de flujo de oxígeno para depositar películas de óxido de niobio. El caudal de oxígeno se ha cambiado de 3 a 10 sccm. Las películas depositadas bajo bajos caudales de oxígeno muestran una mayor conductividad eléctrica y proporcionan mejores células solares de perovskita cuando se utilizan como capa de transporte de electrones.
Introduction
La técnica de sputtering se utiliza ampliamente para depositar películas de alta calidad. Su principal aplicación es en la industria de semiconductores, aunque también se utiliza en revestimiento de superficie para la mejora en propiedades mecánicas, y capas reflectantes1. La principal ventaja del sputtering es la posibilidad de depositar diferentes materiales sobre diferentes sustratos; la buena reproducibilidad y el control sobre los parámetros de deposición. La técnica de sputtering permite la deposición de películas homogéneas, con buena adherencia en grandes áreas y a bajo costo en comparación con otros métodos de deposición como la deposición de vapor químico (CVD), la epitaxía de haz molecular (MBE) y la deposición de capa atómica (ALD) 1,2. Comúnmente, las películas semiconductoras depositadas por sputtering son amorfos o policristalinas, sin embargo, hay algunos informes sobre el crecimiento epitaxial por sputtering3,4. Sin embargo, el proceso de sputtering es muy complejo y el rango del parámetro es amplio5,por lo que para lograr películas de alta calidad, es necesaria una buena comprensión del proceso y la optimización de parámetros para cada material.
Hay varios artículos que informan sobre la deposición de películas de óxido de niobio por sputtering, así como nitruro de niobio6 y carburo de niobio7. Entre los óxidos Nb, el pentóxido de niobio (Nb2O5) es un material transparente, estable al aire e insoluble en agua que exhibe un polimorfismo extenso. Es un semiconductor de tipo n con valores de separación de banda que van desde 3.1 a 5.3 eV, dando a estos óxidos una amplia gama de aplicaciones8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 ha atraído una atención considerable como un material prometedor para ser utilizado en células solares de perovskita debido a su eficiencia de inyección de electrones comparable y una mejor estabilidad química en comparación con el dióxido de titanio (TiO2). Además, la brecha de banda de Nb2O5 podría mejorar el voltaje de circuito abierto (Voc) de las celdas14.
En este trabajo, Nb2O5 fue depositado por sputtering reactivo bajo diferentes caudales de oxígeno. A bajos caudales de oxígeno, la conductividad de las películas se incrementó sin hacer uso del dopaje, lo que introduce impurezas en el sistema. Estas películas se utilizaron como capa de transporte de electrones en células solares de perovskita mejorando el rendimiento de estas células. Se encontró que la disminución de la cantidad de oxígeno induce la formación de vacantes de oxígeno, lo que aumenta la conductividad de las películas que conducen a las células solares con mejor eficiencia.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las películas de óxido de niobio preparadas en este trabajo se utilizaron como capa de transporte de electrones en células solares de perovskita. La característica más importante requerida para una capa de transporte de electrones es evitar la recombinación, el bloqueo de agujeros y la transferencia eficiente de electrones.
En este sentido, el uso de la técnica de sputtering reactivo es ventajoso ya que produce películas densas y compactas. También, como ya se ha mencionado, en compar…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La obra fue apoyada por la Fundación de Amparo á Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de Materiais Cerémicos (CDMF- FAPESP No 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 y 2017/18916-2). Agradecimiento especial al profesor Máximo Siu Li por las mediciones 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).
