مقالة منهجية

أفلام أكسيد النيوبيوم المودعة من قبل اخرق التفاعلية: تاثير معدل تدفق الأكسجين

7.1K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/59929

⸱

سبتمبر 28, 2019

 ,  ,  ,  ,  , 
1Chemistry Department, Federal University of São Carlos (UFSCAR), 2Physics Department, School of Sciences, São Paulo State University (UNESP)

في هذه المقالة

ملخص

هنا ، ونحن نقدم بروتوكولا ل النيوبيوم أكسيد الأفلام ترسب من قبل اخرق رد الفعل مع معدلات تدفق الأوكسجين المختلفة لاستخدامها كطبقه نقل الكترون في الخلايا الشمسية perovskite.

الملخص

اخرق التفاعلية هي تقنيه متعددة الاستخدامات لتشكيل الأفلام المدمجة مع تجانس ممتاز. الاضافه إلى ذلك ، فانه يسمح بسهوله التحكم في المعلمات ترسب مثل معدل تدفق الغاز الذي يؤدي إلى تغييرات علي تكوين التالي في الخصائص المطلوبة الفيلم. في هذا التقرير ، يتم استخدام اخرق رد الفعل لإيداع الأفلام أكسيد النيوبيوم. ويستخدم هدف النيوبيوم كمصدر معدني ومعدلات تدفق الأكسجين المختلفة لإيداع الأفلام أكسيد النيوبيوم. تم تغيير معدل تدفق الأكسجين من 3 إلى 10 sccm. الأفلام المودعة تحت معدلات تدفق الأكسجين منخفضه تظهر الموصليه الكهربائية اعلي وتوفير أفضل الخلايا الشمسية perovskite عند استخدامها كطبقه النقل الكترون.

المقدمة

تستخدم تقنيه اخرق علي نطاق واسع لإيداع الأفلام عاليه الجودة. تطبيقه الرئيسي هو في صناعه أشباه الموصلات ، علي الرغم من انه يستخدم أيضا في طلاء السطح لتحسين الخواص الميكانيكية ، وطبقات عاكسه1. الميزة الرئيسية لأخرق هو امكانيه إيداع مواد مختلفه علي ركائز مختلفه. استنساخ الجيدة والسيطرة علي المعلمات ترسب. تقنيه اخرق يسمح ترسب الأفلام متجانسة ، مع التصاق جيده علي مساحات واسعه وبتكلفه منخفضه بالمقارنة مع طرق الترسيب الأخرى مثل ترسب بخار الكيميائية (الرسوم التعويضية) ، الشعاع الجزيئية (MBE) وترسب الطبقة الذرية (ALD) 1،2. عاده ، والأفلام أشباه الموصلات المودعة من قبل اخرق هي غير متبلور أو الكريستالات ، ومع ذلك ، هناك بعض التقارير عن النمو الفوقي من قبل اخرق3،4. ومع ذلك ، فان عمليه اخرق معقده للغاية ونطاق المعلمة واسعه5، لذلك من أجل تحقيق أفلام ذات جوده عاليه ، والفهم الجيد للعملية والمعلمة الأمثل ضروري لكل ماده.

هناك العديد من المقالات التي تبلغ عن ترسب الأفلام أكسيد النيوبيوم بواسطة اخرق ، وكذلك النيوبيوم نيتريد6 ونيبيوم كربيد7. بين الأكاسيد الدقيقة ، أكسيد النيوبيوم الخماسي (Nb2O5) هو ماده شفافة ، والهواء مستقره والمياه غير قابله للذوبان التي يسلك تعدد الاشكال واسعه النطاق. وهو أشباه الموصلات من نوع n مع القيم الفجوة الفرقة تتراوح بين 3.1 إلى 5.3 eV ، وإعطاء هذه الأكاسيد مجموعه واسعه من التطبيقات8،9،10،11،12،13 ،14،15،16،17،18،19. ملحوظة2O5 وقد اجتذبت اهتماما كبيرا كماده واعده لاستخدامها في الخلايا الشمسية perovskite بسبب الكفاءة المماثلة حقن الكترون والاستقرار الكيميائي أفضل مقارنه مع ثاني أكسيد التيتانيوم (تيو2). الاضافه إلى ذلك ، فان فجوه الفرقة من Nb2O5 يمكن ان تحسن الجهد الدائرة المفتوحة (Voc) من الخلايا14.

في هذا العمل ، تم إيداع Nb2O5 من قبل اخرق رد الفعل تحت معدلات تدفق الأكسجين المختلفة. في انخفاض معدلات تدفق الأكسجين ، تم زيادة الموصليه من الأفلام دون الاستفادة من المنشطات ، والذي يدخل الشوائب علي النظام. واستخدمت هذه الأفلام كطبقه نقل الكترون في الخلايا الشمسية perovskite تحسين أداء هذه الخلايا. وقد وجد ان خفض كميه الأكسجين يدفع تشكيل الوظائف الشاغرة الأكسجين ، مما يزيد من الموصليه الأفلام المؤدية إلى الخلايا الشمسية مع كفاءه أفضل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1. النقش وتنظيف الركيزة

  1. باستخدام نظام قطع الزجاج ، شكل ركائز 2.5 × 2.5 سم من أكسيد فلوريد رقيقه (FTO).
  2. حماية جزء من سطح الركيزة مع شريط الحرارية ترك 0.5 سم من جانب واحد يتعرض.
  3. إيداع كميه صغيره من مسحوق الزنك (ما يكفي لتغطيه المنطقة التي سيتم حفرها) علي الجانب العلوي من المكشوفة FTO وقطره حمض الهيدروكلوريك المركزة (HCl) علي مسحوق الزنك ببطء حتى يتم استهلاك جميع مسحوق الزنك من قبل رد الفعل. بعد ذلك مباشره ، شطف الركيزة مع الماء منزوع الأيونات (DI).
    تحذير: يتم توليد غاز الهيدروجين في وفره من تفاعل الزنك وحمض الهيدروكلوريك.
  4. أزاله الشريط ويغسل مع الماء والصابون DI باستخدام فرشاه صغيره.
    ملاحظه: الفرشاة يساعد علي أزاله بعض الغراء المتبقية من الشريط.
  5. ترك الركيزة محفورا في محلول الصابون (50 ٪ في الماء) والاحتفاظ بها لمده 15 دقيقه في حمام ultrasonicate. ثم ، sonicate لمده 15 دقيقه في المياه دي (2 مرات) ، تليها 10 دقيقه أكثر في الأسيتون وأخيرا 10 دقيقه في الكحول الايزوبروبيل. تجفيف الركيزة مع غاز النيتروجين.

2. ترسب الأفلام أكسيد النيوبيوم

  1. إصلاح الركيزة من خلال قناع الظل حماية 0.5 سم من كلا الجانبين.
    ملاحظه: علي الجانب حيث تم حفر fto ، من المهم التصديق علي ان FTO مغطاه من أجل منع الدوائر القصيرة عند بناء الخلية.
  2. إدخال الركيزة في غرفه اخرق وختم الغرفة.
  3. بدء تشغيل مضخة ميكانيكي. في الدقيقة 10 الاولي ، تغيير صمام 3 في الاتجاه إلى وضع التخشين لتسخين النفط والإفراج عن المياه لتحسين ضخ. المضخة الاوليه تعمل وحدها حتى الضغط هو 6 × 10-2 torr.
  4. تغيير صمام 3-طريقه لدعم الموقف ، وتحويل مضخة الجزيئية توربو علي. بمجرد بدء تشغيل المضخة الجزيئية ، افتح صمام البوابة عند إدخال مضخة التفريغ. يبدا الترسيب عندما يصل الضغط إلى 3 × 10-6 مرات.
    ملاحظه: قبل البدء في المضخة الجزيئية ، يجب ان يكون الفراغ الأساسي أفضل من 6 × 10-2 تور ، ومع ذلك ، ليس اعلي من 5 × 10-2 تور من أجل منع تلويث الغرفة مع ضخ النفط.
  5. عندما يصل الفراغ 5 × 10-5 torr ، فتح نظام بروده المياه وتشغيل نظام التدفئة الركيزة. اضبط درجه الحرارة عند 500 درجه مئوية. زيادة درجه الحرارة ببطء ، 100 درجه مئوية كل 5 دقائق حتى تصل إلى القيمة المطلوبة.
  6. تعيين معلمات الغازات لاستخدامها في الترسيب: الارجون من 40 sccm والأكسجين من 3 إلى 10 sccm.
    ملاحظه: تم تنويع معدل تدفق الأكسجين في كل ترسب: 3 ، 3.5 ، 4 و 10 sccm. يتفاعل الأكسجين مع النيوبيوم وتشكيل أكسيد النيوبيوم.
  7. إدخال الارجون علي الغرفة ، وتعيين الضغط علي 5 × 10-3 تور وتردد الراديو (RF) إلى 120 W. تشغيل الترددات لاسلكيه علي ولحن باستخدام مربع مطابقه معاوقه. في حاله عدم بدء تشغيل البلازما ، وزيادة الضغط ببطء حتى تصل إلى 2 × 10-2 torr. في هذا الضغط ، يجب ان يبدا البلازما. اضبط الضغط باستخدام صمام البوابة الذي يمكن فتحه أو إغلاقه لتغيير معدل الضخ.
  8. الحفاظ علي البلازما في 120 W لمده 10 دقيقه لتنظيف الهدف النيوبيوم أزاله اي طبقه أكسيد الموجودة في سطحه.
    ملاحظه: اثناء تنظيف الهدف ، يتم الاحتفاظ مصراع الركيزة مغلقه لحماية الركيزة من اي ترسب المواد.
  9. إدخال الأكسجين في الغرفة ، وبعد الاستقرار ، وتعيين السلطة تردد الراديو إلى 240 W وفتح مصراع الركيزة. الترسب يبدا تعيين وقت الترسيب ليكون سمك النهائي من 100 نانومتر استنادا إلى الدراسات السابقة التي حددت معدل ترسب. النسبة لكل شرط ترسيب ، من المتوقع ان يكون معدل ترسب مختلفا ، التالي فان وقت الترسيب يختلف أيضا.
  10. مره واحده يتم الانتهاء من وقت الترسيب ، إغلاق مصراع علي الفور ، وتحويل RF قباله ، وإغلاق الغازات وخفض درجه حرارة الركيزة إلى درجه حرارة الغرفة.
  11. كما درجه حرارة الركيزة تصل إلى درجه حرارة الغرفة ، وإدخال الهواء لأعاده تاسيس الضغط المحيط وفتح الغرفة.
    ملاحظه: عموما ، ياخذ النظام 4 h للوصول إلى درجه حرارة 40 درجه مئوية.

3. بناء الخلايا الشمسية

  1. اعداد الحلول المستخدمة لبناء الاجهزه
    1. الحل تيو2 لصق: مزيج 150 ملغ من تيو2 لصق في 1 مل من المياه دي. يحرك الخليط لمده يوم واحد قبل الاستخدام.
      ملاحظه: الحفاظ علي تعليق التحريك حتى عندما كنت لا تستخدم للتاكد من ان التعليق هو دائما متجانسة.
    2. اعداد محلول يوديد الرصاص (2) عن طريق خلط 420 ملغ من المترتبة2 في 1 مل من ديميثيلفورماميد لامائية. استخدام المذيبات لامائية فقط.
    3. اعداد يوديد ميثيل الأمونيوم (CH3nh3i) الحل عن طريق أضافه 8 ملغ من ch3nh3 i في1 مل من الكحول الايزوبروبيل (IPA).
      ملاحظه: يجب ان يكون محتوي المياه في IPA اقل من 0.0005 ٪.
  2. إيداع تيو2 ميسوبوروس طبقه علي راس طبقه أكسيد النيوبيوم باستخدام المغطي تدور في 4,000 لفه في الدقيقة لمده 30 ثانيه.
  3. وضع الركيزة علي الفرن بعد الخطوات: 270 درجه مئوية لمده 30 دقيقه ؛ 370 درجه مئوية لمده 30 دقيقه و 500 درجه مئوية ل 1 ح. انتظر حتى يصل الفرن إلى درجه حرارة الغرفة ويزيل الركيزة.
    ملاحظه: المعالجة الحرارية تتحلل الجزء العضوي من العجينة تاركه طبقه مساميه فوق الفيلم.
  4. إيداع طبقتين من المبلغ2 علي راس ميسوبوروس2 باستخدام المغطي تدور في 6,000 لفه في الدقيقة ل 90 s وبعد كل ترسب وضع الركيزة في صفيحه ساخنه في 70 °c لمده 10 دقيقه.
    ملاحظه: يجب ان يكون ترسب2 المترتبة عليها داخل صندوق القفازات مليئه النيتروجين النقي أو الارجون ومع الغلاف الجوي الخاضعة للرقابة (الماء والأكسجين < 0.1 جزء في المليون).
  5. إيداع الحل CH3NH3I. قطره 0.3 mL من CH3NH3I الحل علي المترتبة2، والانتظار 20 ثانيه ومن ثم تدور في 4,000 rpm ل 30 s. وضع الركيزة علي صفيحه ساخنه في 100 درجه مئوية لمده 10 دقيقه.
    ملاحظه: يجب ان يكون الترسيب CH3NH3I داخل صندوق القفازات. المبلغ الإجمالي لل CH3NH3يجب ان يتم إسقاط الحل بسرعة في خطوه واحده فقط.
  6. إيداع الحل سبيرو-اومياد علي راس طبقه perovskite بواسطة الطلاء تدور في 4,000 لفه في الدقيقة لمده 30 ثانيه. اترك الركيزة في جو الأكسجين بين عشيه وضحيها.
    ملاحظه: يجب ان يكون ترسب سبيرو-ميتاد داخل صندوق القفازات. بعد الترسيب ، من المهم ان تترك الركيزة بين عشيه وضحيها في جو الأكسجين من أجل أكسده سبيرو-ميتاد زيادة الموصليه.
  7. تتبخر 70 نانومتر من الذهب الاتصال باستخدام قناع الظل بمعدل 0.2 A/s حتى يتم التوصل إلى 5 نانومتر ومن ثم زيادة معدل إلى 1 A/s.
    ملاحظه: من المهم استخدام معدل بطيء في البداية لمنع انتشار الذهب من خلال الخلية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

في نظام الأخرق ، يتاثر معدل الترسب بشده بمعدل تدفق الأكسجين. ينخفض معدل الترسب عند زيادة تدفق الأكسجين. النظر إلى الظروف الحالية للمنطقة المستهدفة المستخدمة والطاقة البلازما ، لوحظ انه من 3 إلى 4 sccm هناك انخفاض معبره علي معدل ترسب ، ومع ذلك ، عندما يتم زيادة الأكسجين من 4 إلى 10 sccm يصبح اقل وضوحا. في نظام 3 sccm معدل ترسب هو 1.1 nm/ثانيه ، وانخفاض فجاه إلى 0.1 نانومتر/ثانيه ل 10 sccm كما راينا في الشكل 1.

مرحله أكسيد النيوبيوم شكلت تعتمد علي معدل تدفق الأكسجين...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

واستخدمت الأفلام أكسيد النيوبيوم التي أعدت في هذا العمل كطبقه نقل الكترون في الخلايا الشمسية perovskite. السمة الأكثر اهميه المطلوبة لطبقه النقل الكترون هو لمنع أعاده تركيبه ، وحجب الثقوب ونقل الكترونات بكفاءة.

في هذا الصدد استخدام تقنيه اخرق رد الفعل هو مفيد لأنه ينتج الأفلام الكثيفة والمدمجة. أيضا ، كما سبق ذكره ، بالمقارنة مع سول هلام ، والطلاء بالأكسيد ، الحرارية المائية ، والكيميائية البخار ترسيب أساليب التوليف14،21،

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

وليس لدي المؤلفين ما يفصحون عنه.

شكر وتقدير

وأيد العمل Fundação الحماية من الاعمال الدستورية في ساو باولو (FAPESP) ، Centro de Desenvolvimento de Mmamiis Cerâmicos (CDMF-FAPESP N º 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 و 2017/18916-2). شكر خاص للأستاذ ماكسيمو سيو لي لقياسات PL.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
2-بروبانولميرك67-63-0مذيب بحد أقصى 0.005٪ H2< / sub>O
4-tert-butylpyridineSigma Aldrich3978-81-2مادة كيميائية مع 96٪ نقاء
أسيتونيتريلسيجما ألدريتش75-05-8مذيب لامائي ، 99.8٪ نقاء
ثنائي (ثلاثي فلورو ميثان) ملح ليثيوم سلفونيميدسيجما ألدريتش90076-65-6مادة كيميائية مع &GE ؛ 99.95٪
نقاء كلوروبنزينسيجما ألدريتش108-90-7مذيب لامائي ، 99.8٪ نقاء
الإيثانولسيجما ألدريتش200-578-6مذيب
أكسيد القصدير المخدر بالفلور (SnO2: F) الركيزة الزجاجيةSolaronixTCO22-7 / LIالركيزة لإيداع الأفلام
شريط KaptomUsinainfo04227الشريط الحراري المستخدم لتغطية الركائز
Kurt J Lesker نظام الاخرق المغنطرونKurt J Lesker------معدات الاخرق المستخدمة لإيداع الأفلام المدمجة
الرصاص (II) يوديدAlfa Aesar10101-63-0PbI2< / sub> ملح - 99.998٪ نقاء
يوديد ميثيل أمونيومDyesol14965-49-2CH3< / sub>NH3< / sub>I
ملحN2< / sup> ، N2< / sup> ، N2 & prime; < / sup> ، N2 & prime; < / sup> ، N7< / sup> ، N7< / sup> ، N7 & prime; < / sup> ، N7 & prime; < / sup>-octakis (4-methoxyphenyl) -9،9 & prime ؛ -spirobi [9H-fluorene] -2،2 & prime;, 7,7′-tetramineSigma Aldrich207739-72-8ملح Spiro-OMeTAD ، 99٪ نقاء
هدف النيوبيوم من 3 "CBMM- الشركة البرازيلية للتعدينوالتعدين ------هدف الاخرق النيوبيوم المستخدم في نظام الاخرق
N-N ثنائي ميثيل فورماميدميرك68-12-2المذيب بحد أقصى 0.003٪ H2< / sub>O
TiO2< / sub> لصقDyesolDSL 30NR-Dمعجون ثاني أكسيد التيتانيوم
تريس (2- (1H-pyrazol-1-yl) -4-tert-butylpyridine) الكوبالت (III) ثلاثي [مكرر ( ثلاثي فلورو ميثان) سلفونيميد]Dyesol329768935FK 209 Co (III) ملح TFSL

المراجع

  1. Wasa, K., Kitabatake, M., Adachi, H. Thin film materials technology : sputtering of compound materials. , William Andrew Pub. (2004).
  2. Kelly, P. J., Arnell, R. D. Magnetron sputtering: A review of recent developments and applications. Vacuum. 56, 159-172 (2000).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Berg, S., Nyberg, T. Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes. Thin Solid films. (476), 215-230 (2005).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Fernandes, S. L., et al. Nb2O5hole blocking layer for hysteresis-free perovskite solar cells. Materials Letters. 181, 103-107 (2016).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Foroughi-Abari, A., Cadien, K. C. Growth, structure and properties of sputtered niobium oxide thin films. Thin Solid Films. 519, 3068-3073 (2011).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Ueno, S., Fujihara, S. Effect of an Nb2O5 nanolayer coating on ZnO electrodes in dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta. 56, 2906-2913 (2011).
  20. 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).
  21. Shirani, A., et al. Tribologically enhanced self-healing of niobium oxide surfaces. Surface and Coatings Technology. 364, 273-278 (2014).
  22. Yan, J., et al. Nb2O5/TiO2 heterojunctions: Synthesis strategy and photocatalytic activity. Applied Catalysis B: Environmental. 152 (1), 280-288 (2014).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة