Niobium oxid filmer deponeras genom reaktiv sputtring: effekten av syre flöde
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för niob oxid filmer deposition av reaktiv sputtring med olika syre flöden för användning som ett elektrontransport skikt i Perovskit solceller.
Abstract
Reaktiv sputtring är en mångsidig teknik som används för att bilda kompakta filmer med utmärkt homogenitet. Dessutom ger det enkel kontroll över deposition parametrar såsom gas flöde som resulterar i förändringar på sammansättningen och därmed i filmen krävs egenskaper. I denna rapport, reaktiv sputtring används för att sätta in niob oxid filmer. En niob mål används som metall källa och olika syre flöden för att sätta in niob oxid filmer. Syreflödet ändrades från 3 till 10 SCCM. Filmerna deponeras under låg syreflödet visar högre elektrisk ledningsförmåga och ger bättre Perovskit solceller när den används som elektrontransport skikt.
Introduction
Sputtring tekniken används ofta för att deponera högkvalitativa filmer. Dess huvudsakliga tillämpning är i halvledarindustrin, även om det används också i ytbeläggning för förbättring av mekaniska egenskaper, och reflekterande lager1. Den största fördelen med sputtring är möjligheten att deponera olika material över olika substrat; god reproducerbarhet och kontroll över deponerings parametrarna. Sputtring tekniken tillåter deposition av homogena filmer, med god vidhäftning över stora områden och till låg kostnad jämfört med andra deponerings metoder som kemisk Vapor deposition (CVD), molekylstråle epitaxyen (MBE) och atomlager deposition (ALD) 1,2. Vanligtvis halvledar filmer deponeras av sputtring är amorft eller polykristallint, men det finns några rapporter om epitaxiell tillväxt genom sputtring3,4. Ändå är sputtring processen mycket komplex och räckvidden av parametern är bred5, så för att uppnå högkvalitativa filmer, en god förståelse av processen och parameter optimering är nödvändig för varje material.
Det finns flera artiklar som rapporterar om deposition av niob oxid filmer av sputtring, samt niob nitrid6 och niob Carbide7. Bland NB-oxider, niob pentoxid (NB2O5) är en transparent, luft-stabil och vatten-olösligt material som uppvisar omfattande polymorfism. Det är en n-typ halvledare med band gap värden mellan 3,1 till 5,3 EV, vilket ger dessa oxider ett brett spektrum av tillämpningar8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. NB2O5 har väckt stor uppmärksamhet som ett lovande material som skall användas i Perovskit solceller på grund av dess jämförbara elektron injektion effektivitet och bättre kemisk stabilitet jämfört med titandioxid (tio2). Dessutom kan bandet gap av NB2O5 förbättra den öppna kretsen spänning (Voc) av cellerna14.
I detta arbete deponerades NB2O5 av reaktiv sputtring under olika syre flödeshastigheter. Vid låga syre flöden, var konduktivitet av filmerna ökas utan att använda sig av doping, som introducerar föroreningar på systemet. Dessa filmer användes som elektrontransport skikt i Perovskit solceller förbättra prestandan hos dessa celler. Det konstaterades att minska mängden syre inducerar bildandet av syre lediga, vilket ökar konduktivitet av filmerna som leder till solceller med bättre effektivitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den niob oxid filmer som utarbetats i detta arbete användes som elektrontransport skikt i Perovskit solceller. Den viktigaste egenskapen som krävs för ett elektrontransport skikt är att förhindra rekombination, blockera hål och överföra effektivt elektroner.
I detta avseende är användningen av reaktiv sputtring teknik fördelaktigt eftersom det ger täta och kompakta filmer. Också, som redan nämnts, jämfört med sol-gel, anodisering, hydrotermisk, och kemisk Vapor deposition synte…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Arbetet stöddes av 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 och 2017/18916-2). Speciellt tack till professor Máximo Siu Li för PL mätningar.
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 |
References
- 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).
