מאמר שיטה

ניאוביום אוקסיד סרטים שהופקדו על ידי התזה ראקטיבית: השפעת קצב זרימת החמצן

7.1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/59929

⸱

28 בספטמבר 2019

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

במאמר זה

סיכום

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עבור ניאוביום בסרטי תחמוצת התצהיר על ידי התזה תגובתי עם שונים זרימת חמצן שיעורי לשימוש כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי השמש פרוביסקיט.

תקציר

התזה תגובתית היא טכניקה רב-תכליתית המשמשת ליצירת סרטים קומפקטיים עם הומוגניות מצוינים. כמו-כן, היא מאפשרת שליטה קלה בפרמטרים כגון שיעור זרימת הגז, שתוצאתה שינויים בקומפוזיציה ולכן בהתאם למאפייני הסרט הנדרשים. בדו ח זה, התזה מגיב משמש להפקדת סרטי תחמוצת ניאובנום. היעד ניאוביום משמש כמקור מתכת וזרימת חמצן שונים שיעורי ההפקדה ניאוביום בסרטי תחמוצת. שיעור זרימת החמצן השתנה מ 3 עד 10 sccm. הסרטים שהופקדו תחת שיעורי זרימת חמצן נמוכה מראים מוליכות חשמלית גבוהה יותר ומספקים התאים הסולאריים טוב יותר פרוביסקיט כאשר משתמשים כשכבת התחבורה האלקטרונים.

מבוא

טכניקת הריסוס משמשת רבות להפקדת סרטים באיכות גבוהה. היישום העיקרי שלה הוא בתעשיית מוליך למחצה, למרות שהוא משמש גם ציפוי פני השטח לשיפור תכונות מכניות, ושכבות רפלקטיבית1. היתרון העיקרי של התזה היא האפשרות להפקיד חומרים שונים על גבי מצעים שונים; הטוב ביותר ושליטה על הפרמטרים התצהיר. טכניקת התזה מאפשרת הפקדת סרטים הומוגניות, עם הדבקה טובה על שטחים גדולים ובעלות נמוכה בהשוואה לשיטות התצהיר האחרות כגון הפקדת אדי כימית (CVD), מחלת הקרן המולקולרית (MBE) ועדות השכבה האטומית (אלד) 1,2. בדרך כלל, סרטים מוליכים למחצה שהופקדו על ידי התזה הם אמורפיים או פוליפשיים, עם זאת, ישנם דיווחים על גידול אפיציאני על ידי התזה3,4. עם זאת, תהליך התזה מורכב מאוד והטווח של הפרמטר הוא רחב5, כך שכדי להשיג סרטים באיכות גבוהה, הבנה טובה של התהליך ומיטוב הפרמטרים נחוצים עבור כל חומר.

ישנם מספר מאמרים המדווחים על התצהיר של ניאוביום הסרטים תחמוצת על ידי התזה, כמו גם ניאוביום ניטריד6 ו ניאובנום קרביד7. בין Nb-תחמוצות, ניאובנום pentoxide (Nb2O5) הוא חומר שקוף, יציב ומלא-מיים המוצגים בחומרים פולימורפיזם נרחבים. זהו מוליך למחצה n-type עם ערכי פער הלהקה החל מ 3.1 כדי 5.3 eV, נותן אלה תחמוצות מגוון רחב של יישומים8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 משכה תשומת לב ניכרת כחומר מבטיח לשמש פרוביסקיט תאים סולאריים בשל היעילות שלה הזרקה אלקטרון ויציבות כימית טובה יותר לעומת טיטניום דו חמצני (TiO2). בנוסף, פער הלהקה של Nb2O5 יכול לשפר את המתח במעגל הפתוח (Voc) של התאים14.

בעבודה זו, Nb2O5 הופקד על ידי התזה תגובתי תחת שיעורי זרימת חמצן שונים. בקצב של זרימת חמצן נמוכה, מוליכות הסרטים הוגדלה מבלי לעשות שימוש בסמים, אשר מציג זיהומים במערכת. סרטים אלה שימשו כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי שמש פרוביסקיט שיפור הביצועים של תאים אלה. נמצא כי הפחתת כמות החמצן גורמת היווצרות של משרות חמצן, אשר מגדיל את המוליכות של הסרטים המובילים לתאי שמש עם יעילות טובה יותר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. תצריב וניקוי המצע

  1. באמצעות מערכת חיתוך זכוכית, טופס 2.5 x 2.5 מצעים בגודל של פלואוריד דק (FTO).
  2. הגן על חלק ממשטח המצע עם קלטת תרמית עוזב 0.5 ס מ של צד אחד חשוף.
  3. הפקדה כמות קטנה של אבקת אבץ (מספיק כדי לכסות את האזור להיות חרוט) על גבי החלק העליון של FTO חשוף ושחרר חומצה הידרוכלורית מרוכז (HCl) על אבקת אבץ לאט עד כל אבקת אבץ נצרך על ידי התגובה. מיד לאחר מכן, לשטוף את המצע עם מים מפוהים (DI).
    התראה: גז מימן בשפע מופק אבץ ותגובת HCl.
  4. להסיר את הקלטת ולשטוף עם די מים וסבון באמצעות מברשת קטנה.
    הערה: המברשת מסייעת להסיר דבק שיורית מהקלטת.
  5. השאר את המצע החרוט בתמיסת סבון (50% במים) ושמור אותו למשך 15 דקות באמבט ultrasonicate. אז, sonicate עבור 15 דקות ב-DI מים (2 פעמים), ואחריו 10 דקות יותר ב אצטון ולבסוף 10 דקות אלכוהול איזופרופיל. יבש את המצע עם גז חנקן.

2. התצהיר של ניאוביום תחמוצת הסרטים

  1. תקן את המצע דרך מסיכת צל הגנה על 0.5 ס מ של שני הצדדים.
    הערה: בצידו השני של ה-FTO, חשוב לאשר כי ה-FTO מכוסה כדי למנוע מעגלים קצרים בעת בניית התא.
  2. הציגו את המצע לחדר הניקוז. ואטמו את החדר
  3. . הפעל את משאבת המכונאי ב -10 דקות הראשונות, לשנות את השסתום 3-הדרך למצב האלימה כדי לחמם את הנפט שלה לשחרר מים כדי לשפר את שאיבה. המשאבה הראשית עובדת לבד עד שהלחץ הוא 6 x 10-2 Torr.
  4. לשנות את השסתום 3-כיוון לתנוחת הגיבוי, ולהפוך את המשאבה טורבו מולקולרי on. לאחר הפעלת המשאבה המולקולרית, פתח את שסתום השער בכניסה למשאבת הוואקום. התצהיר מתחיל כאשר הלחץ מגיע 3 x 10-6 torr.
    הערה: לפני תחילת משאבה מולקולרית, ואקום הראשי צריך להיות טוב יותר 6 x 10-2 torr, עם זאת, לא גבוה יותר 5 x 10-2 torr על מנת למנוע זיהום החדר עם שמן משאבה.
  5. כאשר ואקום מגיע 5 x 10-5 torr, לפתוח את מערכת קריר מים ולהפעיל את מערכת החימום מצע. הגדר את הטמפרטורה ב 500 ° c. הגדילו את הטמפרטורה לאט, 100 ° c כל 5 דקות עד שהוא מגיע לערך הרצוי.
  6. הגדר את הפרמטרים של גזים לשימוש בתצהיר: ארגון של 40 sccm וחמצן של 3 כדי 10 sccm.
    הערה: שיעור זרימת החמצן היה מגוון בכל התצהיר: 3, 3.5, 4 ו 10 sccm. חמצן מגיב עם ניאוביום להרכיב תחמוצת ניאוביום.
  7. להציג ארגון על החדר, ולהגדיר את הלחץ על 5 x 10-3 torr ואת תדר רדיו (RF) כדי 120 W. להפעיל את RF ולכוון באמצעות תיבת התאמת עכבה. במקרה פלזמה לא מתחיל, להגדיל את הלחץ לאט עד שהוא מגיע 2 x 10-2 Torr. , בלחץ הזה. הפלסמה אמורה להתחיל הפעילו את הלחץ באמצעות שסתום שער שניתן לפתוח או לסגור כדי לשנות את קצב השאיבה.
  8. לשמור על פלזמה ב 120 W עבור 10 דקות כדי לנקות את היעד ניאוביום הסרת כל שכבת תחמוצת להציג על פני השטח שלה.
    הערה: בעת ניקוי היעד, תריס המצע סגור כדי להגן על המצע מכל התצהיר החומרי.
  9. להציג חמצן לתוך החדר, לאחר ייצוב, להגדיר את הכוח תדר רדיו כדי 240 W ולפתוח את תריס המצע. . התצהיר מתחיל הגדר את זמן התצהיר להיות בעובי הסופי של 100 ננומטר על בסיס מחקרים קודמים שקבעו את שיעור התצהיר. עבור כל תנאי תצהיר צפוי שיעור התצהיר שונה, כך זמן התצהיר גם שונה.
  10. לאחר זמן התצהיר הושלמה, לסגור את התריס מיד, לכבות את ה-RF, לסגור את הגזים ולהקטין את טמפרטורת המצע לטמפרטורת החדר.
  11. ככל שטמפרטורת המצע מגיעה לטמפרטורת החדר, הציגו אוויר ליצירה מחדש של לחץ הסביבה ופתחו את החדר.
    הערה: בדרך כלל, המערכת אורכת 4 שעות כדי להגיע לטמפרטורה של 40 ° c.

3. בניית תאי השמש

  1. הכנת הפתרונות המשמשים לבניית המכשירים
    1. TiO2 הדבק פתרון: מערבבים 150 מ"ג של TiO2 הדבק 1 מ ל של די מים. מערבבים את זה ליום אחד לפני השימוש.
      הערה: לשמור על ההשעיה ערבוב גם כאשר אתה לא משתמש בו כדי להיות בטוח כי ההשעיה היא תמיד הומוגנית.
    2. הכינו את פתרון היודיד המוביל (PbI2) על-ידי ערבוב 420 מ"ג של pbi2 ב-1 מ ל של הידרופראיד דימתיפימיד. השתמש רק בממיסים הידרומים.
    3. הכינו את התמיסה של מתיונין (CH3nh3I) על ידי הוספת 8 מ"ג של CH3nh3אני 1 מ ל של אלכוהול איזופרופיל (IPA).
      הערה: תוכן המים ב-IPA חייב להיות פחות מ 0.0005%.
  2. הפקדה TiO2 mesoporous שכבה על גבי שכבת תחמוצת ניאוביום באמצעות מרובע ספין ב 4,000 rpm עבור 30 s.
  3. הניחו את המצע על התנור בעקבות השלבים: 270 ° צ' למשך 30 דקות; 370 ° c עבור 30 דקות ו 500 ° c עבור 1 h. המתן עד שהתנור יגיע לטמפרטורת החדר ויסיר את המצע.
    הערה: הטיפול בחום מבטל את החלק האורגני של ההדבקה ומותיר שכבה נקבובי על הסרט.
  4. הפקדה שתי שכבות של PbI2 על גבי TiO2 mesoporous באמצעות מרובע ספין ב 6,000 rpm עבור 90 s ואחרי כל התצהיר לשים את המצע בצלחת חמה ב 70 ° c עבור 10 דקות.
    הערה: התצהיר של PbI2 חייב להיות בתוך תיבת כפפה מלאה חנקן טהור או ארגון עם אווירה מבוקרת (מים וחמצן < 0.1 ppm).
  5. הפקדת הפתרון שלהמלון. ירידה 0.3 mL של CH3NH3אני פתרון אל pbi2, לחכות 20 s ולאחר מכן ספין ב 4,000 Rpm עבור 30 s. לשים את המצע על צלחת חמה ב 100 ° c עבור 10 דקות.
    הערה: The CH3NH3אני התצהיר חייב להיות בתוך תיבת הכפפות. הסכום הכולל שלהפתרון CH 3NH3I חייב להיות ירד במהירות בצעד אחד בלבד.
  6. הפקדה של ספירו-ometad פתרון על גבי שכבת פרוביסקיט על ידי ציפוי ספין ב 4,000 סל ד עבור 30 s. להשאיר את המצע באווירת חמצן בלילה.
    הערה: ההצהרה של ספירו-מאת. חייבת להיות בתוך תא כפפות לאחר התצהיר, חשוב להשאיר את המצע לילה באווירת חמצן, כדי לעשות התחמיתו של ספירו-מקומלי מגביר את המוליכות שלה.
  7. התאדה 70 nm של מגע זהב באמצעות מסיכת צל בקצב של 0.2 A/s עד 5 ננומטר הוא הגיע ולאחר מכן להגדיל את הקצב ל 1 A/s.
    הערה: חשוב להשתמש בקצב איטי בהתחלה כדי למנוע דיפוזיה של הזהב דרך התא.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

במערכת הריסוס, שיעור התצהיר מושפע מאוד מקצב זרימת החמצן. שיעור התצהיר פוחת. כאשר זרימת החמצן מוגברת בהתחשב בתנאים הנוכחיים של אזור היעד בשימוש וכוח פלזמה, הוא ציין כי מ 3 עד 4 sccm יש ירידה הבעה על שיעור התצהיר, עם זאת, כאשר החמצן הוא גדל מ 4 כדי 10 sccm זה הופך פחות מבוטא. במשטר 3 sccm שיעור התצהיר הוא 1.1 ננומטר/s, הפחתת בפתאומיות ל 0.1 ננומטר/s עבור 10 sccm כפי שנראה באיור 1.

השלב תחמוצת ניאוביום נוצר תלוי בקצב זרימת החמצן. עבור זרימות פחות מ 3 sccm, ניאוביום ד...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הסרטים תחמוצת ניאוביום שהוכנו בעבודה זו שימש כשכבת התחבורה אלקטרון בתאי השמש פרוביסקיט. המאפיין החשוב ביותר הנדרש עבור שכבת תחבורה אלקטרון הוא למנוע שילוב מחדש, חסימת חורים והעברת אלקטרונים ביעילות.

במובן זה, השימוש בטכניקת התזה התגובתית הוא יתרון שכן הוא מפיק סרטים צפופים וקומפקטיים. כמו כן, כפי שהוזכר כבר, לעומת סול-ג'ל, אנוזציה, הידרותרמי ואדים כימיים שיטות סינתזה14,21,22, התזה תגובתי היא המתאימה ב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

. למחברים אין מה לגלות

תודות

העבודה נתמכת על ידי הפונדסאו דה Amparo à Pesquisa do Estado דה סאו פאולו (FAPESP), סנטרו de Desenvolvimento de חומריות מיקרו (CDMF-FAPESP N º 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 ו 2017/18916-2). תודות מיוחדות לפרופסור מקסימו סיו לי למדידות PL.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
2-פרופנולMerck67-63-0ממס עם מקסימום של 0.005% H2O
4-tert-butylpyridineSigma Aldrich3978-81-2כימיקל עם 96%
טוהר אצטוניטרילסיגמא אולדריץ'75-05-8ממס נטול מים, 99.8% טוהר
ביס(טריפלואורומתאן)סולפונימיד מלח ליתיוםסיגמא אולדריץ'90076-65-6כימי עם ≥ 99.95%
טוהר כלורבנזןסיגמא אולדריץ'108-90-7ממס נטול מים, 99.8% טוהר
אתנולסיגמא אולדריץ'200-578-6ממס
פלואור מסומם תחמוצת פח (SnO2: F) מצע זכוכיתSolaronixTCO22-7 / LIמצע להפקדת סרטי
Kaptom קלטתUsinainfo04227סרט תרמי המשמש לכיסוי המצעים
קורט ג'יי לסקר מערכת התזה מגנטרוןקורט ג'יי לסקר------ציוד מקרטע המשמש להפקדת סרטים קומפקטיים
עופרת (II) יודידאלפא אסאר10101-63-0PbI2 מלח- 99.998% טוהר
מתילאמוניום יודידDyesol14965-49-2CH3NH3I מלח
N2,N2,N2′ ,N2′ ,N7,N7,N7′ ,N7′ -octakis (4-methoxyphenyl)-9,9′-spirobi [9H-fluorene]-2,2′,7,7′-tetramineSigma Aldrich207739-72-8מלח Spiro-OMeTAD, יעד ניוביום בטוהר 99%
של 3 אינץ'CBMM- חברת מטלורגיה וכרייה ברזילאית------יעד מקרטע ניוביום המשמש במערכת המקרטעת
N-N dimethylformamideMerck68-12-2ממס עם מקסימום של 0.003% H2O
TiO2 pasteDyesolDSL 30NR-Dמשחת טיטניום דו חמצני
tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine) cobalt(III) tri[bis( טריפלואורומתאן)סולפונימיד]Dyesol329768935FK 209 Co(III) מלח TFSL

מקורות

  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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים