本文介绍了一种通过反应溅射在不同氧气流量条件下制备五氧化二铌薄膜的实验方案，该薄膜可用于钙钛矿太阳能电池中的电子传输层。
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本文内容
摘要
摘要
反应溅射是一种用于制备具有优异均匀性的致密薄膜的多功能技术。此外，该方法可方便地控制沉积参数（如气体流速），从而改变薄膜的成分及其所需性能。本报告中采用反应溅射技术沉积二氧化铌薄膜。以铌金属靶作为金属源，并通过调节不同的氧气流速来实现薄膜沉积。氧气流速调节范围为3至10 sccm。在较低氧气流速下制备的薄膜表现出更高的电导率，当用作电子传输层时，可获得更优异的钙钛矿太阳能电池性能。
引言
溅射技术被广泛用于沉积高质量薄膜。其主要应用领域是半导体工业，但也用于表面涂层以改善机械性能以及制备反射层1。溅射的主要优势在于能够在不同基底上沉积多种材料，并具有良好的可重复性以及对沉积参数的精确控制。与其他沉积方法（如化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）和原子层沉积（ALD））相比，溅射技术能够以较低成本在大面积上沉积均匀性良好、附着力强的薄膜1,2。通常情况下，通过溅射沉积的半导体薄膜为非晶态或多晶态，但也有少数关于通过溅射实现外延生长的报道3,4。然而，溅射过程高度复杂，参数范围广泛5，因此为了获得高质量薄膜，必须针对每种材料深入理解该工艺并优化参数。
已有若干文章报道了通过溅射法沉积氧化铌薄膜以及氮化铌的研究6 和碳化铌7在铌氧化物中，五氧化二铌（Nb2O5是一种透明、对空气稳定且不溶于水的材料，具有广泛的多晶型特性。它是一种n型半导体，带隙值介于3.1至5.3 eV之间，使这类氧化物具有广泛的....
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方案
1. 刻蚀和清洗基底
- 使用玻璃切割系统，制备 2.5 x 2.5 cm 的氟掺杂氧化锡（FTO）基底。
- 用耐热胶带覆盖基底表面的一部分，使其中一侧 0.5 cm 区域暴露出来。
- 在暴露的 FTO 表面放置少量锌粉（足以覆盖待刻蚀区域），然后缓慢滴加浓盐酸（HCl），直至锌粉完全反应消耗完毕。反应结束后立即用去离子水（DI 水）冲洗基底。
注意：锌与盐酸反应会产生大量氢气。 - 去除胶带，并用去离子水和肥皂配合小刷子清洗基底。
备注：刷子有助于清除胶带残留的胶状物。 - 将刻蚀后的基底置于肥皂溶液（水中稀释 50%）中，放入超声波清洗器中浸泡 15 分钟。随后在去离子水中超声清洗 15 分钟（重复两次），再在丙酮中超声 10 分钟，最后在异丙醇中超声 10 分钟。用氮气吹干基底。
2. 二氧化铌薄膜的沉积
- 通过掩膜固定基底，掩膜需保护两侧各 0.5 cm 的区域。
注意：在 FTO 被刻蚀的一侧，必须确保 FTO 被完全覆盖，以防止在电池组装过程中发生短路。 - 将基底放入溅射腔室并密封腔室。
- 启动机械泵。前 10 分钟内，将三通阀切换至粗抽位置，以加热泵油并释放水分，从而提高抽气效率。初级泵单独工作，直至压力降至 6 × 10-2 Torr。
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结果
在溅射系统中，沉积速率受氧气流量的强烈影响。当增加氧气流量时，沉积速率会降低。考虑到当前所用靶材区域的条件和等离子体功率，观察到当氧气流量从 3 增加到 4 sccm 时，沉积速率显著下降；然而，当氧气流量从 4 增加到 10 sccm 时，下降趋势变得较为平缓。在 3 sccm 的条件下，沉积速率为 1.1 nm/s，当流量增至 10 sccm 时急剧下降至 0.1 nm/s，如图 1所示。
生成的氧化铌相取决于氧气流速。当流速低于 3 sccm 时，主要生成二氧化铌（NbO2）相；当流速高于 3.5 sccm 时，氧气量过高而无法形成 NbO2，此时主要相为 Nb2O5（图 2）。电子显微镜图像（图 2）显示了在 3.5、4 和 10 sccm 条件下沉积薄膜的纳米级球形颗粒。相比之下，在 3 sccm 条件下沉积.......
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讨论
本研究中制备的氧化铌薄膜被用作钙钛矿太阳能电池中的电子传输层。电子传输层所需最重要的特性是防止复合，有效阻挡空穴并高效传输电子。
在这方面，使用反应溅射技术具有优势，因为它能够生成致密且结构紧凑的薄膜。此外，如前所述，与其他合成方法（如溶胶-凝胶法、阳极氧化法、水热法和化学气相沉积法）14,21,22相比，反应溅射最适合用于大面积沉积1,2,14。然而，理解沉积参数对薄膜性能的影响仍是一个挑战5,15,20，尤其是在五氧化二铌的.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由圣保罗研究基金会（FAPESP）、中心 陶瓷材料开发（CDMF- FAPESP） 编号 2013/07296-2、2017/11072-3、2013/09963-6 和 2017/18916-2。特别感谢 Máximo Siu Li 教授进行光致发光（PL）测量。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-丙醇 | Merck | 67-63-0 | 含水量不超过 0.005% H2O 的溶剂 |
| 4-叔丁基吡啶 | Sigma Aldrich | 3978-81-2 | 纯度为 96% 的化学品 |
| 乙腈 | Sigma Aldrich | 75-05-8 | 无水溶剂，纯度 99.8% |
| 双(三氟甲烷)磺酰亚胺锂盐 | Sigma Aldrich | 90076-65-6 | 纯度 ≥99.95% 的化学品 |
| 氯苯 | Sigma Aldrich | 108-90-7 | 无水溶剂，纯度 99.8% |
| 乙醇 | Sigma Aldrich | 200-578-6 | 溶剂 |
| 氟掺杂氧化锡（SnO2:F）玻璃基底 | Solaronix | TCO22-7/LI | 用于薄膜沉积的基底 |
| Kaptom 胶带 | Usinainfo | 04227 | 用于覆盖基底的耐热胶带 |
| Kurt J Lesker 磁控溅射系统 | Kurt J Lesker | ------ | 用于致密薄膜沉积的溅射设备 |
| 碘化铅（II） | Alfa Aesar | 10101-63-0 | PbI2 盐，纯度 99.998% |
| 甲基碘化铵 | Dyesol | 14965-49-2 | CH3NH3I 盐 |
| N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-八(4-甲氧基苯基)-9,9′-螺二[9H-芴]-2,2′,7,7′-四胺 | Sigma Aldrich | 207739-72-8 | Spiro-OMeTAD 盐，纯度 99% |
| 3” 铌靶材 | CBMM-巴西冶金与矿业公司 | ------ | 溅射系统中使用的铌溅射靶材 |
| N-N 二甲基甲酰胺 | Merck | 68-12-2 | 含水量不超过 0.003% H2O 的溶剂 |
| TiO2 浆料 | Dyesol | DSL 30NR-D | 二氧化钛浆料 |
| 三(2-(1H-吡唑-1-基)-4-叔丁基吡啶)钴(III)三[双(三氟甲烷)磺酰亚胺] | Dyesol | 329768935 | FK 209 Co(III) TFSL 盐 |
参考文献
- Wasa, K., Kitabatake, M., Adachi, H. Thin film materials technology : sputtering of compound materials. , William Andrew Pub. (2004).
- Kelly, P. J., Arnell, R. D. Magnetron sputtering: A review of recent developments and applications. Vacuum. 56, 159-172 (2000).
- Chen, W. -C., P....
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