방법 논문

반응성 스퍼터링에 의해 증착된 니오비움 옥사이드 필름: 산소 유량의 효과

7.1K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/59929

⸱

2019년 9월 28일

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

이 논문에서

요약

여기서, 우리는 페로브스카이트 태양전지에서 전자 수송층으로서 사용하기 위해 상이한 산소 유량으로 반응성 스퍼터링에 의한 산화질소 필름 증착에 대한 프로토콜을 제시한다.

초록

반응성 스퍼터링은 우수한 균질성으로 컴팩트 필름을 형성하는 데 사용되는 다목적 기술입니다. 또한, 가스 유량과 같은 증착 파라미터를 쉽게 제어할 수 있어 조성및 필름 요구 특성의 변화를 초래합니다. 이 보고서에서 반응성 스퍼터링은 산화 질소 니오듐 필름을 증착하는 데 사용됩니다. 니오브 타겟은 니오브산화물 필름을 증착하기 위해 금속 공급원 및 상이한 산소 유량으로 사용된다. 산소 유량은 3 에서 10 sccm로 변경되었다. 낮은 산소 유량하에서 증착된 필름은 더 높은 전기 전도도를 보여주고 전자 수송 층으로 사용될 때 더 나은 페로브스카이트 태양 전지를 제공합니다.

서론

스퍼터링 기술은 고품질 필름을 증착하는 데 널리 사용됩니다. 그것의 주요 응용 프로그램은 반도체 산업에, 그것은 또한 기계적 특성의 개선을위한 표면 코팅에 사용되지만, 반사 층1. 스퍼터링의 주요 장점은 다른 기판에 다른 재료를 증착 할 수있는 가능성입니다; 좋은 재현성 및 증착 매개 변수에 대한 제어. 스퍼터링 기술은 화학 기증 (CVD), 분자 빔 에피택시 (MBE) 및 원자 층 증착 (ALD)과 같은 다른 증착 방법과 비교할 때 넓은 영역에 걸쳐 좋은 접착력과 저렴한 비용으로 균일 한 필름의 증착을 허용합니다. 1,2. 일반적으로 스퍼터링에 의해 증착된 반도체 필름은 비정질 또는 다결정성이지만,스퍼터링3,4에의한 에피탁탁증 성장에 대한 보고가 있다. 그럼에도 불구하고 스퍼터링 공정은 매우 복잡하고 파라미터의 범위가5이므로고품질 필름을 얻으려면 각 재료에 대해 공정 및 파라미터 최적화에 대한 좋은 이해가 필요합니다.

스퍼터링에 의한 니오비움 옥사이드 필름의 증착에 대한 보고는 여러 가지가 있으며, 질화니오브6 및 니오브탄화물7도있다. Nb-oxides 중, 니오브 펜타사이드 (Nb2O5)는광범위한 다형성을 나타내는 투명하고 공기 안정적이며 불용성 물질입니다. 3.1에서 5.3 eV에 이르는 대역 간격 값을 가진 n형 반도체로, 이러한 산화물에8,9,10,11,12,13의 광범위한 응용 프로그램을 제공합니다. ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5는 이산화 티타늄(TiO2)에비해 유사한 전자 분사 효율과 더 나은 화학적 안정성으로 인해 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 유망한 물질로서 상당한 주목을 받고 있다. 또한,Nb2O5의 대역 갭은셀(14)의개방 회로 전압(Voc)을향상시킬 수 있었다.

이 작업에서, Nb2O5는 상이한 산소 유량 하에서 반응성 스퍼터링에 의해 증착되었다. 낮은 산소 유량에서, 필름의 전도도는 시스템에 불순물을 소개 도핑을 사용하지 않고 증가했다. 이들 필름은 페로브스카이트 태양전지에서 전자 수송층으로서 이들 세포의 성능을 향상시키는 데 사용되었다. 산소의 양을 줄이면 산소 공석의 형성을 유도하여 더 나은 효율을 가진 태양 전지로 이어지는 필름의 전도도를 증가시키는 것으로 나타났습니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

1. 기판에 에칭 및 세척

  1. 유리 절단 시스템을 사용하여 불소 얇은 산화물 (FTO)의 2.5 x 2.5 cm 기판을 형성합니다.
  2. 한 쪽이 0.5cm 노출된 열 테이프로 기판 표면의 일부를 보호합니다.
  3. 노출 된 FTO의 상단에 소량의 아연 분말 (에칭 할 영역을 덮을 만큼)을 적착시키고 모든 아연 분말이 반응에 의해 소비 될 때까지 아연 분말에 농축 된 염산 (HCl)을 천천히 떨어 뜨립니다. 직후, 디이온화(DI) 물로 기판을 헹구어 낸다.
    주의: 수소 가스는 아연과 HCl 반응에서 생성됩니다.
  4. 테이프를 제거하고 작은 브러시를 사용하여 DI 물과 비누로 씻으십시오.
    참고: 브러시는 테이프에서 일부 잔여 접착제를 제거하는 데 도움이 됩니다.
  5. 에칭 된 기판을 비누 용액 (물에 50 %)에 두고 초음파 욕조에서 15 분 동안 보관하십시오. 이어서, DI 물(2회)에서 15분 간 초음파 처리한 다음, 아세톤에서 10분, 마지막으로 이소프로필 알코올로 10분 더 진행합니다. 질소 가스로 기판을 건조시면 됩니다.

2. 산화 니오듐 필름의 증착

  1. 양쪽의 0.5cm를 보호하는 섀도우 마스크를 통해 기판을 고정합니다.
    참고: FTO가 에칭된 쪽에서는 셀을 구축할 때 단락을 방지하기 위해 FTO가 덮여 있음을 증명하는 것이 중요합니다.
  2. 스퍼터링 챔버에 기판을 도입하고 챔버를 밀봉합니다.
  3. 정비사 펌프를 시작합니다. 처음 10 분, 펌핑을 개선하기 위해 오일을 가열하고 물을 방출하기 위해 황삭 위치로 3 방향 밸브를 변경합니다. 기본 펌프는 압력이 6 x 10-2 Torr가 될 때까지 단독으로 작동합니다.
  4. 3방향 밸브를 백업 위치로 변경하고 터보 분자 펌프를 켭니다. 분자 펌프가 시작되면 진공 펌프 입구에서 게이트 밸브를 엽니다. 증착은 압력이 3 x 10-6 토르에 도달하면 시작됩니다.
    참고 : 분자 펌프를 시작하기 전에, 기본 진공펌프 오일챔버를 오염 방지하기 위해, 그러나, 5 x 10-2 토르보다 높지 않아야합니다.
  5. 진공이 5 x 10-5 토르에 도달하면 물 냉각기 시스템을 열고 기판 가열 시스템을 켭니다. 온도를 500 °C로 설정합니다. 원하는 값에 도달할 때까지 5분마다 100°C의 온도를 천천히 증가시다.
  6. 증착에 사용되는 기체 파라미터를 설정합니다: 40 sccm의 아르곤과 3~10sccm의 산소.
    참고: 산소 유량은 각 증착에서 3, 3.5, 4 및 10 sccm에서 변화되었다. 산소는 산화 니코움을 형성하는 니오비움과 반응합니다.
  7. 챔버에 아르곤을 도입하고 압력을 5 x10-3 토르및 무선 주파수(RF)를 120W로 설정하고 임피던스 매칭 박스를 사용하여 RF를 켜고 튜닝합니다. 플라즈마가 시작되지 않는 경우 2 x 10-2 Torr에 도달 할 때까지 천천히 압력을 증가시다. 이 압력에서 플라즈마가 시작되어야합니다. 펌핑 속도를 변경하려면 개폐할 수 있는 게이트 밸브를 사용하여 압력을 설정합니다.
  8. 플라즈마를 120W에서 10분 동안 유지하여 표면에 존재하는 산화물 층을 제거하는 니오브 타겟을 청소합니다.
    참고: 대상을 청소하는 동안 기판 셔터는 모든 재료 증착으로부터 기판을 보호하기 위해 닫혀 있습니다.
  9. 산소를 챔버에 도입하고 안정화 후 무선 주파수 전력을 240W로 설정하고 기판 셔터를 엽니다. 증착이 시작됩니다. 증착 속도를 결정한 이전 연구에 기초하여 100 nm의 최종 두께를 갖도록 증착 시간을 설정한다. 각 증착 조건에 대해 다른 증착 속도가 예상되므로 증착 시간도 다릅니다.
  10. 증착 시간이 완료되면 셔터를 즉시 닫고 RF를 끄고 가스를 닫고 기판 온도를 실온으로 낮춥니다.
  11. 기판 온도가 실온에 도달하면 공기를 도입하여 주변 압력을 재설정하고 챔버를 엽니다.
    참고 : 일반적으로 시스템은 40 °C의 온도에 도달하는 데 4 시간이 걸립니다.

3. 태양전지 건설

  1. 장치 구성에 사용되는 솔루션 준비
    1. TiO2 페이스트 솔루션: 1mL의 DI 물에 150 mg의 TiO2 페이스트를 섞으세요. 사용하기 1일 전에 저어주세요.
      참고: 서스펜션을 사용하지 않을 때에도 서스펜션이 항상 균일한지 확인하려면 서스펜션을 교반하십시오.
    2. 무수 디메틸포마미드의 1 mL에 420 mg의 PbI2를 혼합하여 납 요오드화 용액(PbI2)을준비한다. 무수 용매만 사용하십시오.
    3. 메틸라모늄 요오드화물(CH3 NH3I) 용액을CH3NH3I의 8 mg을 이소프로필 알코올(IPA)의 1 mL에 첨가하여 준비한다.
      참고: IPA의 수분 함량은 0.0005% 미만이어야 합니다.
  2. 30s에 대한 4,000 rpm에서 스핀 코터를 사용하여 니오비움 산화물 층 의 상단에 TiO2 메소다공성 층을 증착.
  3. 다음 단계에 따라 오븐에 기판을 놓습니다: 270°C 30분; 370 °C에서 30분, 500°C에서 1시간 동안 오븐이 실온에 도달할 때까지 기다렸다가 기판을 제거합니다.
    참고 : 열처리는 필름 위에 다공성 층을 떠나 페이스트의 유기 부분을 분해.
  4. 90s에 대한 6,000 rpm에서 스핀 코터를 사용하여 TiO2 의 상부에 PbI2의 두 층을 증착하고 각 증착 후 10 분 동안 70 °C에서 핫 플레이트에 기판을 넣습니다.
    참고 : PbI2 증착은 순수한 질소 또는 아르곤으로 채워진 장갑 상자 안에 있어야하며 통제 된 분위기 (물과 산소 및 0.1 ppm)가 있어야합니다.
  5. CH3NH3I 용액을 입금하십시오. CH3NH3I 용액을 PBI2에0.3 mL 떨어뜨리고 20s를 기다린 다음 30 초 동안 4,000 rpm에서 회전합니다.
    참고 : CH3NH3I 증착은 글러브 박스 안에 있어야합니다. CH3 NH3I 솔루션의 총량은 단 한 단계로 빠르게 떨어뜨려야 합니다.
  6. 30s. 4,000 rpm에서 스핀 코팅으로 페로브스카이스트 층 위에 스피로-OMeTAD 용액을 증착합니다.
    참고: 스피로-오메타드 증착은 글러브 박스 안에 있어야 합니다. 증착 후, 스피로-오메타드의 전도도를 증가시키기 위해 산소 분위기에서 밤새 기판을 방치하는 것이 중요하다.
  7. 5 nm에 도달 할 때까지 0.2 A / s의 속도로 그림자 마스크를 사용하여 70 nm의 금 접촉을 증발 한 다음 속도를 1 A / s로 증가시다.
    참고 : 세포를 통해 금 확산을 방지하기 위해 처음에 느린 속도를 사용하는 것이 중요합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

스퍼터링 시스템에서, 증착 속도는 산소 유량에 의해 강하게 좌우된다. 산소 흐름이 증가하면 증착 속도가 감소합니다. 사용되는 표적 영역및 플라즈마 전력의 현재 상태를 고려할 때, 3~4sccm에서 증착 속도에 대한 표현적 감소가 관찰되지만, 산소가 4에서 10 sccm로 증가하면 덜 두드러진다. 3 sccm의 정권에서 증착 속도는 1.1 nm/s이며, 그림 1에서볼 수 있듯이 10 sccm에 대해 0.1 nm/s로 급격히 감소합니다.

형성된 산화니오듐 상은 산소 유량에 의존한다. 3 sccm 미만의 흐름의 경우, 이산화 니오브 (NbO2)가형성된 주요 상입니다. 3.5 sccm 보다 높은 흐름의 경우 산소 량이 NbO2를발생시키기에는 너무 높으며, 대신, Nb2O5는 본상으로 관찰된다(도2). 전...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

이 작업에서 제조된 산화니오듐 필름은 페로브스카이트 태양전지에서 전자 수송층으로 사용되었다. 전자 수송 층에 필요한 가장 중요한 특성은 재조합, 구멍 차단 및 효율적으로 전자 전달을 방지하는 것입니다.

이 점에서 반응성 스퍼터링 기술의 사용은 조밀하고 컴팩트 한 필름을 생산하기 때문에 유리하다. 또한, 이미 언급 한 바와 같이, 솔 겔, 양극 산화, 수열 및 화학 증착 합성 방법14,21,22,반응성 스퍼터링은 넓은영역을 증착하기에 가장 적합1 ,2,14. 그러나, 필름 특성에 대한 증착 파라미터의역할을 ...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 공개 할 것이 없다.

감사의 글

이 작품은 Fundação 드 암파로 아 페스키사 두 상파울루 (FAPESP), 센트로 드 데센볼비멘토 드 마테리아 세라미코스 (CDMF- FAPESP Nº 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 및 2017/18916-2). PL 측정을 위한 Máximo Siu Li 교수에게 특별한 감사를 드립니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
2- 프로판올Merck67-63-0용매, 최대 0.005 % H2< / sub>O
4- tert- 부틸 피리딘시그마 알드리치3978-81-2화학 물질, 96 %
순도 아세토 니트릴시그마 알드리치75-05-8무수 용매, 99.8 % 순도
비스 (트리 플루오로 메탄) 설포 아 미드 리튬 염시그마 알드리치90076-65-6&ge를 가진 화학; 99.95 % 순도
chlorobenzene시그마 Aldrich108-90-7무수 용매, 99.8 % 순도
에탄올Sigma Aldrich200-578-6용매
불소 도핑 주석 산화물 (SnO2 : F) 유리 기판SolaronixTCO22-7 / LI기판 기판
덮는
데 사용되는 Kaptom 테이프 Usinainfo 04227 열 테이프Kurt J Lesker 마그네트론 스퍼터링 시스템Kurt J Lesker------스퍼터링 장비 컴팩트 필름을 증착하는 데 사용되는 장비
요오드화 납 (II)Alfa Aesar10101-63-0PbI2 염 - 99.998% 순도
요오드화 메틸암모늄염료졸14965-49-2CH3NH3I 염
N2,N2,N2′ ,N2′ ,N7,N7,N7′ ,N7′ -octakis(4-메톡시페닐)-9,9′-spirobi [9H-플루오렌]-2,2′,7,7′-tetramineSigma Aldrich207739-72-8Spiro-OMeTAD salt, 99% 순도
니오븀 타겟 3"CBMM- 브라질 야금 및 광업 회사------니오븀 스퍼터링 타겟 스퍼터링 시스템
N-N 디메틸 포름 아미드Merck68-12-2용매 최대 0.003 % H2O
TiO2 페이스트염료솔DSL 30NR-D이산화 티타늄 페이스트
트리스 (2- (1H- 피라 졸 -1- 일) -4- tert- 부틸 피리딘) 코발트 (III) 트리 [비스 ( 트리플루오로메탄)설폰아미드]염료329768935FK 209 Co(III) TFSL 염
을

참고문헌

  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).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

이 JoVE 논문의 텍스트 또는 그림 재사용 허가 요청

허가 요청

태그

관련 논문