Reaktif Püskürtme Ile Yatırılan Niyöyum Oksit Filmler: Oksijen Akış Hızının Etkisi
Summary
Burada, perovskit güneş hücrelerinde elektron taşıma tabakası olarak kullanılmak üzere farklı oksijen akış hızları ile reaktif püskürtme ile niobyum oksit filmleri birikimi için bir protokol sunuyoruz.
Abstract
Reaktif püskürtme mükemmel homojenlik ile kompakt filmler oluşturmak için kullanılan çok yönlü bir tekniktir. Buna ek olarak, bileşimve böylece film gerekli özellikleri değişikliklere neden gaz akış hızı gibi biriktirme parametreleri üzerinde kolay kontrol sağlar. Bu raporda, reaktif püskürtme niobium oksit filmleri yatırmak için kullanılır. Bir niyon hedef metal kaynağı ve farklı oksijen akış oranları niobium oksit filmleri yatırmak için kullanılır. Oksijen akış hızı 3’ten 10 sccm’ye değiştirildi. Düşük oksijen akış hızları altında biriken filmler daha yüksek elektriksel iletkenlik göstermek te ve elektron taşıma katmanı olarak kullanıldığında daha iyi perovskit güneş pilleri sağlar.
Introduction
Püskürtme tekniği yaygın olarak yüksek kaliteli filmler yatırmak için kullanılır. Aynı zamanda mekanik özellikleri nin iyileştirilmesi için yüzey kaplama kullanılan rağmen ana uygulama, yarı iletken sektöründe, ve yansıtıcı katmanları1. Püskürtmenin en büyük avantajı farklı yüzeylerin üzerine farklı malzemeler yatırma imkanıdır; iyi tekrarlanabilirlik ve biriktirme parametreleri üzerinde kontrol. Püskürtme tekniği, kimyasal buhar birikimi (CVD), moleküler ışın epitaksisi (MBE) ve atomik tabaka birikimi (ALD) gibi diğer biriktirme yöntemleriile karşılaştırıldığında, geniş alanlar üzerinde iyi yapışma ve düşük maliyetli homojen filmlerin birikmesine olanak sağlar 1,2. Genellikle, yarı iletken filmler püskürtme tarafından yatırılan amorf veya polikristalin, ancak, püskürtme tarafından epitaksial büyüme bazı raporlar vardır3,4. Bununla birlikte, püskürtme işlemi son derece karmaşık ve parametre aralığı geniş5, bu nedenle yüksek kaliteli filmler elde etmek için, sürecin iyi bir anlama ve parametre optimizasyonu her malzeme için gereklidir.
Fışkırtma tarafından niyobyum oksit filmlerin birikimi hakkında raporlama çeşitli makaleler vardır, yanı sıra niyobyum niyobyan6 ve niyobyum karbür7. Nb-oksitler arasında, niyobyum pentoksit (Nb2O5)geniş polimorfizm sergileyen şeffaf, hava kararlı ve suda çözünmez bir malzemedir. Bu 3,1 ila 5,3 eV arasında değişen bant boşluğu değerleri ile bir n-tipi yarı iletken, bu oksitler uygulamaları geniş bir yelpazede veren8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5, karşılaştırılabilir elektron enjeksiyon verimi ve titanyum dioksitle karşılaştırıldığında daha iyi kimyasal stabilitesi nedeniyle perovskit güneş hücrelerinde kullanılacak umut verici bir malzeme olarak büyük ilgi çekmiştir (TiO2). Buna ek olarak, Nb2O5 bant boşluğu hücrelerin açık devre gerilimi artırabilir (Voc)hücrelerin 14.
Bu çalışmada, Nb2O5 farklı oksijen akış hızları altında reaktif püskürtme ile yatırıldı. Düşük oksijen akış hızlarında, filmlerin iletkenliği doping kullanılmadan artırıldı, bu da sistemde kirlere yol açan. Bu filmler perovskit güneş hücrelerinde elektron taşıma katmanı olarak kullanılmıştır ve bu hücrelerin performansını arttırdı. Oksijen miktarının azaltılmasının oksijen boşluklarının oluşumunu tetiklediği ve bu da güneş hücrelerine giden filmlerin iletkenliğini daha iyi verimlilikle arttırdığı bulunmuştur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada hazırlanan niyonoksit filmleri perovskit güneş hücrelerinde elektron taşıma tabakası olarak kullanılmıştır. Bir elektron taşıma katmanı için gerekli olan en önemli özellik, rekombinasyon, delikleri bloke etme ve etkin elektronların aktarılmasını önlemektir.
Bu bakımdan yoğun ve kompakt filmler ürettiği için reaktif püskürtme tekniğinin kullanımı avantajlıdır. Ayrıca, daha önce de belirtildiği gibi, sol-jel ile karşılaştırıldığında, a…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çalışma 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 ve 2017/18916-2). PL ölçümleri için Profesör Máximo Siu Li’ye özel teşekkür.
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).
