Methodenartikel

Niobium oxide films afgezet door reactieve sputtering: effect van zuurstof debiet

7.1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/59929

⸱

28 september 2019

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

In dit artikel

Samenvatting

Hier presenteren we een protocol voor niobium oxide films afzetting door reactieve sputteren met verschillende zuurstof stroomsnelheden voor gebruik als een elektron transportlaag in perovskietmodule zonnecellen.

Samenvatting

Reactieve sputteren is een veelzijdige techniek die wordt gebruikt om compacte films te vormen met een uitstekende homogeniteit. Bovendien, het maakt eenvoudige controle over depositie parameters zoals gasstroom snelheid die resulteert in veranderingen op de samenstelling en dus in de film vereiste eigenschappen. In dit rapport wordt reactieve sputteren gebruikt om niobium oxide films te storten. Een niobium doel wordt gebruikt als metaal bron en verschillende zuurstof stroom tarieven om niobium oxide films te storten. Het zuurstof debiet is veranderd van 3 naar 10 SCCM. De films afgezet onder lage zuurstof stroomsnelheden vertonen een hogere elektrische geleiding en bieden betere perovskietmodule zonnecellen bij gebruik als elektronen transportlaag.

Inleiding

De sputterende techniek wordt veel gebruikt voor het storten van films van hoge kwaliteit. De belangrijkste toepassing is in de halfgeleiderindustrie, hoewel het ook wordt gebruikt in oppervlaktecoating voor verbetering in mechanische eigenschappen, en reflecterende lagen1. Het belangrijkste voordeel van sputteren is de mogelijkheid om verschillende materialen te deponeren over verschillende ondergronden; de goede reproduceerbaarheid en controle over de depositie parameters. De sputterende techniek maakt de afzetting van homogene films mogelijk, met een goede hechting over grote gebieden en tegen lage kosten in vergelijking met andere Afzettings methoden zoals chemische damp afzetting (CVD), moleculaire straal epitaxy (MBE) en atomaire-laag depositie (ALD) 1,2. Algemeen, halfgeleider films afgezet door sputteren zijn amorf of poly kristallijne, echter, er zijn enkele rapporten over epitaxiale groei door sputteren3,4. Niettemin, het sputterende proces is zeer complex en het bereik van de parameter is breed5, dus om te bereiken van hoge kwaliteit films, een goed begrip van het proces en parameter optimalisatie is nodig voor elk materiaal.

Er zijn verschillende artikelen die rapporteren over de afzetting van niobium oxide films door sputteren, evenals niobium Nitride6 en niobium Carbide7. Onder nb-oxiden, niobium fosforzuuranhydride (nb2O5) is een transparant, lucht-stabiel en water-onoplosbaar materiaal dat uitgebreide polymorfisme vertoont. Het is een n-type halfgeleider met band spleet waarden variërend van 3,1 tot 5,3 EV, waardoor deze oxiden een breed scala aan toepassingen8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. NB2O5 heeft veel aandacht gekregen als een veelbelovend materiaal om te worden gebruikt in perovskietmodule zonnecellen vanwege de vergelijkbare elektron injectie-efficiëntie en betere chemische stabiliteit in vergelijking met titaniumdioxide (Tio2). Bovendien kan de band gap van nb2O5 de open-circuit spanning (VOC) van de cellen14verbeteren.

In dit werk, nb2O5 werd afgezet door reactieve sputteren onder verschillende zuurstof stroomsnelheden. Bij lage zuurstof stroomsnelheden werd de geleiding van de films verhoogd zonder gebruik te maken van doping, wat onzuiverheden op het systeem introduceert. Deze films werden gebruikt als elektronen transportlaag in perovskietmodule zonnecellen die de prestaties van deze cellen verbeterden. Er werd vastgesteld dat het verminderen van de hoeveelheid zuurstof de vorming van zuurstof vacatures induceert, wat de geleiding van de films die leidt tot zonnecellen met een betere efficiëntie verhoogt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. etsen en schoonmaken van de ondergrond

  1. Met behulp van een glassnijsysteem, vorm 2,5 x 2,5 cm substraten van fluoride dun oxide (FTO).
  2. Bescherm een deel van het substraat oppervlak met een thermische tape en laat 0,5 cm aan de ene kant bloot.
  3. Stort een kleine hoeveelheid zinkpoeder (genoeg om het te bestrijken gebied te bedekken) op de top van het blootgestelde FTO en drop geconcentreerd zoutzuur (HCl) op het zinkpoeder langzaam totdat al het zinkpoeder wordt verbruikt door de reactie. Spoel het substraat onmiddellijk na met gedeïoniseerd (DI) water.
    Let op: waterstofgas in overvloed wordt gegenereerd uit zink en HCl-reactie.
  4. Verwijder de tape en was met DI water en zeep met behulp van een kleine borstel.
    Opmerking: het penseel helpt bij het verwijderen van enkele resterende lijm van de tape.
  5. Laat het geëtste substraat in een zeepoplossing (50% in water) en bewaar het gedurende 15 minuten in een ultrasonicaatbad. Dan, sonificeren voor 15 min in di water (2 keer), gevolgd door 10 meer min in aceton en ten slotte 10 min in isopropylalcohol. Droog het substraat met stikstofgas.

2. afzetting van niobium oxide films

  1. Bevestig het substraat door middel van een schaduwmasker dat 0,5 cm aan beide zijden beschermt.
    Opmerking: aan de kant waar de FTO is geëtst, is het belangrijk om te certificeren dat de FTO wordt bedekt om kortsluitingen te voorkomen bij het bouwen van de cel.
  2. Introduceer het substraat in de sputterende kamer en verzegel de kamer.
  3. Start de mechanische pomp. Verander in de eerste 10 min de 3-wegafsluiter in de voorbewerken positie om de olie te verwarmen en watervrij te maken om het pompen te verbeteren. De primaire pomp werkt alleen tot de druk 6 x 10-2 Torr is.
  4. Verander de 3-wegafsluiter in een ondersteunende positie en draai de turbo moleculaire pomp aan. Zodra de moleculaire pomp is gestart, opent u de poortklep bij de invoer van de vacuümpomp. De afzetting begint wanneer de druk 3 x 10-6 Torr bereikt.
    Opmerking: voordat de moleculaire pomp wordt gestart, moet het primaire vacuüm beter zijn dan 6 x 10-2 Torr, echter niet hoger dan 5 x 10-2 Torr om verontreiniging van de kamer met pomp olie te voorkomen.
  5. Wanneer het vacuüm 5 x 10-5 Torr bereikt, open dan het waterkoeler systeem en zet het substraat verwarmingssysteem aan. Stel de temperatuur in op 500 °C. Verhoog de temperatuur langzaam, 100 °C elke 5 min totdat het de gewenste waarde bereikt.
  6. Stel de in de afzetting te gebruiken gassen parameters in: argon van 40 SCCM en zuurstof van 3 tot 10 SCCM.
    Opmerking: het zuurstof debiet varieerde in elke depositie: 3, 3,5, 4 en 10 SCCM. Zuurstof reageert met niobium vorming van niobium oxide.
  7. Introduceer Argon op de kamer en stel de druk in op 5 x 10-3 Torr en de radiofrequentie (RF) tot 120 W. zet het RF aan en stem af met de impedantie matching box. In het geval dat het plasma niet start, Verhoog de druk langzaam totdat het 2 x 10-2 Torr bereikt. In deze druk, het plasma moet beginnen. Stel de druk in met behulp van een poort ventiel dat geopend of gesloten kan worden om de pompsnelheid te veranderen.
  8. Houd het plasma op 120 W voor 10 min voor het schoonmaken van de niobium doel verwijderen van een oxide laag aanwezig in het oppervlak.
    Opmerking: bij het schoonmaken van het doelwit wordt de ondergrond sluiter gesloten om de ondergrond te beschermen tegen elke materiële depositie.
  9. Breng zuurstof in de kamer, na stabilisatie, zet het radiofrequentie vermogen op 240 W en open de ondergrond sluiter. De afzetting begint. Stel de Afzettings tijd in op een eind dikte van 100 nm op basis van eerdere onderzoeken die de depositie graad bepaalden. Voor elke depositie voorwaarde wordt een verschillend depositie percentage verwacht, dus de depositie tijd verschilt ook.
  10. Zodra de depositie tijd is voltooid, sluit u de sluiter onmiddellijk, schakelt u het RF uit, sluit u de gassen af en verlaagt u de substraat temperatuur tot kamertemperatuur.
  11. Als de substraat temperatuur kamertemperatuur bereikt, introduceren lucht om de omgevingsdruk te herstellen en open de kamer..
    Opmerking: over het algemeen duurt het systeem 4 uur om een temperatuur van 40 °C te bereiken.

3. bouw van de zonnecellen

  1. De oplossingen voorbereiden die worden gebruikt om de apparaten te construeren
    1. TiO2 pasta oplossing: meng 150 mg Tio2 pasta in 1 ml di water. Roer het 1 dag voor gebruik erdoor.
      Let op: Houd de suspensie roeren, zelfs wanneer u deze niet gebruikt om er zeker van te zijn dat de suspensie altijd homogeen is.
    2. Bereid de lood-jodide-oplossing (PbI2) door menging van 420 mg pbi2 in 1 ml watervrij dimethylformamide. Gebruik alleen watervrije oplosmiddelen.
    3. Bereid de oplossing methylammonium jodide (CH3NH3i) voor door toevoeging van 8 mg CH3NH3i in 1 ml isopropylalcohol (IPA).
      Opmerking: het watergehalte in het IPA moet lager zijn dan 0,0005%.
  2. Deposit TiO2 mesoporeuze laag bovenop de niobium oxide laag met behulp van een spin coater bij 4.000 rpm voor 30 s.
  3. Plaats het substraat op de oven na de stappen: 270 °C gedurende 30 min; 370 °C gedurende 30 min en 500 °C gedurende 1 uur. wacht tot de ovenkamer temperatuur bereikt en verwijder de ondergrond.
    Opmerking: de warmtebehandeling ontbindt het organische deel van de pasta en laat een poreuze laag over de film.
  4. Stort twee lagen PbI2 bovenop de Tio2 mesoporeuze met behulp van een spin coater bij 6.000 rpm voor 90 s en zet na elke depositie het substraat in een hete plaat bij 70 °c gedurende 10 minuten.
    Opmerking: de PbI2 -depositie moet in een handschoenenkastje zijn gevuld met zuivere stikstof of argon en met gecontroleerde atmosfeer (water en zuurstof < 0,1 ppm).
  5. Stort de oplossing CH3NH3I. Druppel 0,3 mL CH3NH3I oplossing op pbi2, wacht 20 sec. en draai vervolgens bij 4.000 rpm voor 30 s. plaats het substraat op een hete plaat bij 100 °c gedurende 10 minuten.
    Let op: de CH3NH3I-depositie moet in een handschoenenkastje zitten. De totale hoeveelheid CH3NH3I-oplossing moet in slechts één stap snel worden verwijderd.
  6. Borg Spiro-OMeTAD oplossing bovenop de perovskietmodule laag door spin coating bij 4.000 rpm voor 30 s. laat het substraat 's nachts in een zuurstof atmosfeer.
    Opmerking: de depositie van de Spiro-OMeTAD moet in een handschoenenkastje zitten. Na de depositie is het belangrijk om het substraat 's nachts te verlaten in een zuurstof atmosfeer om de Spiro-OMeTAD te oxideren en de geleiding te verhogen.
  7. Verdampen 70 nm goud contact met behulp van een schaduwmasker met een snelheid van 0,2 A/s tot 5 nm is bereikt en verhoog vervolgens de snelheid tot 1 A/s.
    Opmerking: het is belangrijk om een langzame snelheid te gebruiken aan het begin om te voorkomen dat de gouden diffusie door de cel.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

In het sputterende systeem wordt de depositie snelheid sterk beïnvloed door de zuurstof stroomsnelheid. De depositie snelheid daalt wanneer de zuurstoftoevoer wordt verhoogd. Gezien de huidige omstandigheden van het beoogde gebied gebruikt en plasma vermogen, wordt opgemerkt dat van 3 aan 4 SCCM er een expressieve afname van de depositie snelheid, echter, wanneer de zuurstof wordt verhoogd van 4 naar 10 SCCM het wordt minder uitgesproken. In het regime van 3 SCCM is de depositie snelheid 1,1 nm/s, die abrupt daalt tot 0,...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

De niobium oxide films bereid in dit werk werd gebruikt als elektronen transportlaag in perovskietmodule zonnecellen. Het belangrijkste kenmerk dat nodig is voor een elektronen transportlaag is het voorkomen van recombinatie, het blokkeren van gaten en het overbrengen van efficiënte elektronen.

In dit opzicht is het gebruik van reactieve sputterende techniek voordelig omdat het dichte en compacte films produceert. Ook, zoals reeds vermeld, in vergelijking met Sol-gel, anodisatie, hydrothermisc...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Het werk werd gesteund door 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 en 2017/18916-2). Speciale dank aan professor Máximo Siu Li voor PL-metingen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
2-propanolMerck67-63-0oplosmiddel met maximaal 0,005% H2O
4-tert-butylpyridineSigma Aldrich3978-81-2chemische stof met 96% zuiverheid
acetonitrileSigma Aldrich75-05-8watervrij oplosmiddel, 99,8% zuiverheid
bis(trifluormethaan)sulfonimide lithiumzoutSigma Aldrich90076-65-6chemische stof met >=99,95% zuiverheid
chloorbenzeenSigma Aldrich108-90-7watervrij oplosmiddel, 99,8% zuiverheid
ethanolSigma Aldrich200-578-6oplosmiddel
Fluorine-gedoteerd tinoxide (SnO2:F) glassubstraatSolaronixTCO22-7/LIsubstraat om films te deponeren
Kaptom tapeUsinainfo04227thermische tape gebruikt om de substraten te bedekken
Kurt J Lesker magnetronsputteringsysteemKurt J Lesker------Sputterapparatuur gebruikt om compacte films te deponeren
Lod (II) jodideAlfa Aesar10101-63-0PbI2 zout - 99,998% zuiverheid
methylammoniumjodideDyesol14965-49-2CH3NH3I zout
N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-octakis (4-methoxyfenyl)-9,9′-spirobi [9H-fluoreen]-2,2′,7,7′-tetramineSigma Aldrich207739-72-8Spiro-OMeTAD zout, 99% zuiverheid
Niobiumdoel van 3”CBMM- Brazilian Metallurgy and Mining Company------niobiumsputteringdoel gebruikt in het sputteringsysteem
N-N dimethylformamideMerck68-12-2oplosmiddel met maximaal 0,003% H2O
TiO2 pastaDyesolDSL 30NR-Dtitaniumdioxide pasta
tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)kobalt(III) tri[bis(trifluormethaan)sulfonimide]Dyesol329768935FK 209 Co(III) TFSL zout

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Depositiesnelheidelektrische geleidbaarheidperovskietzonnecellenelektronentransportlaagdunnefilmdepositiesputterkamersubstraatverwarming

Gerelateerde artikelen