Методическая статья

Ниобий оксида Пленки депонируется реактивного распыления: Влияние скорости кислородного потока

7.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/59929

⸱

28 сентября 2019 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем протокол для осаждения оксидов ниобия путем реактивного распыления с различными тарифами потока кислорода для использования в качестве электронного транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах.

Аннотация

Реактивный распыление является универсальным методом, используемым для формирования компактных пленок с отличной однородностью. Кроме того, это позволяет легко контролировать параметры осаждения, такие как скорость потока газа, что приводит к изменениям по составу и, таким образом, в пленке требуются свойства. В этом отчете реактивное распыление используется для депонирования оксидов ниобия. Цель ниобия используется в качестве источника металла и различных ставок потока кислорода для депонировании оксидов ниобия. Скорость потока кислорода была изменена с 3 до 10 скм. Пленки, отложенные при низких уровнях подачи кислорода, показывают более высокую электрическую проводимость и обеспечивают лучшие перовскитные солнечные элементы при использовании в качестве слоя электронного транспорта.

Введение

Техника распыления широко используется для депонирования высококачественных пленок. Его основное применение в полупроводниковой промышленности, хотя он также используется в поверхностном покрытии для улучшения механических свойств, и отражающие слои1. Основным преимуществом распыления является возможность депонирования различных материалов на различных субстратах; хорошая воспроизводимость и контроль над параметрами осаждения. Техника распыления позволяет осаждения однородных пленок, с хорошей сливкой на больших площадях и при недорогой цене по сравнению с другими методами осаждения химических паров (CVD), молекулярной эпитаксии пучка (MBE) и осаждением атомного слоя (ALD) 1,2. Как правило, полупроводниковые пленки, отложенные при распылении, являются аморфными или поликристаллическими, однако, есть некоторые сообщения о росте эпитаксиального путем распыления3,4. Тем не менее, процесс распыления очень сложный и диапазон параметра широк5,поэтому для достижения высококачественных пленок для каждого материала необходимо хорошее понимание процесса и оптимизация параметров.

Есть несколько статей, сообщающих о осаждении оксида ниобия пленки распыления, а также ниобий нитрида6 и ниобия карбида7. Среди Nb-оксидов пентоксид ниобия (Nb2O5) является прозрачным, воздушно-стабильным и водорастворимым материалом, который обладает обширным полиморфизмом. Это n-тип полупроводника с диапазоном разрыв значения в диапазоне от 3,1 до 5,3 eV, давая эти оксиды широкий спектр приложений8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 привлек значительное внимание как перспективный материал, который будет использоваться в перовскитных солнечных элементах из-за его сопоставимой эффективности инъекций электрона и лучшей химической стабильности по сравнению с диоксидом титана (TiO2). Кроме того, разрыв полосы Nb2O5 может улучшить напряжение открытого контура (Voc) клеток14.

В этой работе Nb2O5 откладывался реактивным распылением при различных показателях потока кислорода. При низких уровнях потока кислорода проводимость пленок была увеличена без применения допинга, что вводит примеси в систему. Эти пленки использовались в качестве электронного транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах, улучшая производительность этих элементов. Выяснилось, что уменьшение количества кислорода приводит к образованию кислородных вакансий, что повышает проводимость пленок, ведущих к солнечным клеткам с большей эффективностью.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Офорт и очистка подлодки

  1. Используя систему нарезки стекла, сформируйте 2,5 х 2,5 см субстраты фтора тонкого оксида (FTO).
  2. Защитите часть поверхности подстилки тепловой лентой, оставляя 0,5 см одной стороны.
  3. Депозит небольшое количество порошка цинка (достаточно, чтобы покрыть область, чтобы быть травления) на верхней части подвергаются FTO и падение концентрированной соляной кислоты (HCl) на порошок цинка медленно, пока все цинк порошок потребляется реакцией. Сразу после этого промойте субстрат деионированной (DI) водой.
    ВНИМАНИЕ: Водородный газ в изобилии генерируется из реакции цинка и HCl.
  4. Снимите ленту и промойте с DI воды и мыла с помощью небольшой кисти.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Кисть помогает удалить некоторые остаточные клей из ленты.
  5. Оставьте травленный субстрат в мыльном растворе (50% в воде) и держите его в течение 15 минут в ультрасоникатной ванне. Затем, sonicate в течение 15 минут в воде DI (2 раза), а затем еще 10 мин в ацетоне и, наконец, 10 мин в изопропиловый спирт. Высушите субстрат азотным газом.

2. Осаждение оксидов ниобия пленки

  1. Закрепите субстрат с помощью теневой маски, защищающей 0,5 см с обеих сторон.
    ПРИМЕЧАНИЕ: На той стороне, где fTO был выгравирован, важно удостоверить, что FTO покрыта для того, чтобы предотвратить короткое замыкание при строительстве ячейки.
  2. Введите субстрат в камеру распыления и запечатайте камеру.
  3. Запустите механический насос. В первые 10 минут, изменить 3-путь клапана в грубое положение для нагрева нефти и выпустить воду для улучшения насосной. Первичный насос работает в одиночку, пока давление не будет 6 х 10-2 Торр.
  4. Измените 3-сторонний клапан на заднее положение и включите турбомолекулярный насос. Как только молекулярный насос запущен, откройте клапан ворот при входе вакуумного насоса. Осаждение начинается, когда давление достигает 3 х 10-6 торра.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Перед запуском молекулярного насоса, первичный вакуум должен быть лучше, чем 6 х 10-2 торра, однако, не выше 5 х 10-2 торра, чтобы предотвратить загрязнение камеры насосным маслом.
  5. Когда вакуум достигнет 5 х 10-5 торра, откройте систему охладителя воды и включите систему отопления подстраты. Установите температуру на уровне 500 градусов по Цельсию. Увеличьте температуру медленно, 100 градусов по Цельсию каждые 5 минут, пока она не достигнет желаемого значения.
  6. Установите параметры газов, которые будут использоваться в осаждении: аргон 40 скм и кислород от 3 до 10 скм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость потока кислорода была различна в каждом осаждении: 3, 3.5, 4 и 10 sccm. Кислород реагирует с ниобием формирования оксида ниобия.
  7. Введите аргона на камеру, и установить давление 5 х 10-3 торра и радиочастоты (РР) до 120 W. Включите РФ и настроить с помощью impedance соответствия поле. В случае, если плазма не начинается, медленно повышайте давление, пока не достигнет 2 х 10-2 Торр. При таком давлении плазма должна начинаться. Установите давление с помощью клапана ворот, который может быть открыт или закрыт, чтобы изменить скорость накачки.
  8. Держите плазму на уровне 120 Вт в течение 10 минут, чтобы очистить цель ниобия, удаляя любой оксидный слой, присутствующий на ее поверхности.
    ПРИМЕЧАНИЕ: При очистке цели затвор подкора закрыт для защиты субстрата от любого осаждения материала.
  9. Введите кислород в камеру, после стабилизации, установите радиочастотную мощность до 240 Вт и откройте затвор подкора. Начинается депозиция. Установите время осаждения, чтобы иметь окончательную толщину 100 нм на основе предыдущих исследований, которые определили скорость осаждения. Для каждого состояния осаждения ожидается различная скорость осаждения, поэтому время осаждения также отличается.
  10. Как только время осаждения завершено, закройте затвор немедленно, выключите RF, закройте газы и уменьшите температуру субстрата до комнатной температуры.
  11. По мере того как температура субстрата достигает комнатной температуры, вводите воздух для того чтобы восстановить окружающее давление и раскрыть камеру.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, система занимает 4 ч, чтобы достичь температуры 40 градусов по Цельсию.

3. Строительство солнечных элементов

  1. Подготовка решений, используемых для построения устройств
    1. TiO2 паста решение: Смешайте 150 мг ТиО2 пасты в 1 мл воды DI. Перемешать его в течение 1 дня до использования.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Держите подвески помешивая, даже если вы не используете его, чтобы быть уверенным, что подвеска всегда однородна.
    2. Подготовьте раствор свинцового йодада (PbI2) путем смешивания 420 мг PbI2 в 1 мл ангидроусов диметилформамида. Используйте только ангидроусные растворители.
    3. Подготовка метилламмония йодида (CH3NH3I) решение, добавив 8 мг CH3NH3I в 1 мл изопропилового спирта (IPA).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Содержание воды в АПИ должно быть меньше 0,0005%.
  2. Депозит TiO2 мезопорный слой на верхней части слоя оксида ниобия с помощью спин-шуб на 4000 об/ ч на 30 с.
  3. Положите подтекст на духовку следующие шаги: 270 градусов по Цельсию в течение 30 мин; 370 градусов по Цельсию в течение 30 мин и 500 градусов по Цельсию в течение 1 ч. Подождите, пока духовка не достигнет комнатной температуры и удалите субстрат.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Тепловая обработка разлагает органическую часть пасты, оставляя пористый слой над пленкой.
  4. Депозит два слоя PbI2 на вершине TiO2 мезоporoированный с помощью спин-шубя при 6000 об/мин в течение 90 с и после каждого осаждения положить субстрат в горячей пластине при 70 градусов по Цельсию в течение 10 минут.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Осаждение PbI2 должно находиться внутри перчаточного ящика, наполненного чистым азотом или аргоном, и с контролируемой атмосферой (вода и кислород; 0,1 промилле).
  5. Депозит CH3NH3I решение. Падение 0,3 мл CH3NH3Я решение на PbI2, ждать 20 с, а затем спина на 4000 об/ ч в течение 30 с. Положите субстрат на горячую тарелку при 100 градусов по Цельсию в течение 10 мин.
    ПРИМЕЧАНИЕ: CH3NH3я осаждения должны быть внутри бардачка. Общее количество решения CH3NH3I должно быть быстро удалено всего за один шаг.
  6. Депозит Spiro-OMeTAD решение поверх перовскитного слоя спина покрытие на 4000 об/мин в течение 30 с. Оставьте субстрат в кислородной атмосфере на ночь.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Осаждение Спиро-OMeTAD должно быть внутри бардачка. После осаждения важно оставить субстрат на ночь в кислородной атмосфере, чтобы окисить спиро-OMeTAD, повышающий его проводимость.
  7. Испарите 70 нм контакта золота с помощью теневой маски со скоростью 0,2 а/с до достижения 5 нм, а затем увеличить скорость до 1 А/с.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Важно использовать медленный темп в начале, чтобы предотвратить распространение золота через клетку.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В системе распыления скорость осаждения сильно зависит от скорости потока кислорода. Скорость осаждения уменьшается при увеличении потока кислорода. Учитывая нынешние условия используемой целевой области и мощность плазмы, отмечается, что от 3 до 4 скм наблюдается выразительное снижение скорости осаждения, однако, когда кислород увеличивается с 4 до 10 скм, он становится менее выраженным. В режиме 3 скм скорость осаждения составляет 1,1 нм/с, резко снижаясь до 0,1 нм/с для 10 см, как видно на рисунке...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Пленки оксида ниобия, подготовленные в этой работе, использовались в качестве электронного транспортного слоя в перовскитных солнечных элементах. Наиболее важной характеристикой, необходимой для электронного транспортного слоя, является предотвращение рекомбинации, блокирование отверстий и эффективное перенос электронов.

В этом отношении использование реактивной техники распыления является выгодным, поскольку он производит плотные и компактные пленки. Кроме того, как уже упоминалось, по сравне...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Работа была поддержана Фондом ампаро-де-Пескиса-ду-Эстадо де Сан-Паулу (FAPESP), Центр де Desenvolvimento де Materiais Cer'micos (CDMF- ФАПЕСП No 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 и 2017/18916-2). Особая благодарность профессору Максимо Сиу Ли за измерения PL.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
2-пропанолMerck67-63-0растворитель с максимальным содержанием 0,005% H2O
4-трет-бутилпиридинSigma Aldrich3978-81-2химический с чистотой 96%
ацетонитрилSigma Aldrich75-05-8безводный растворитель, 99,8% чистота
бис(трифторметан)сульфонимид соль литияSigma Aldrich90076-65-6химический с ≥ 99,95% чистоты
хлорбензолSigma Aldrich108-90-7безводный растворитель, 99,8%
чистота этанолSigma Aldrich200-578-6растворитель
Оксид олова с фтором (SnO2:F) стеклянная подложкаSolaronixTCO22-7/LIподложка для нанесения пленок
Kaptom лентаUsinainfo04227термолента используется для покрытия подложек
Kurt J Lesker магнетронная система распыленияKurt J Lesker------Sputtering equipment, используемая для нанесения компактных пленок
Свинец (II) йодидAlfa Aesar10101-63-0PbI2 соль - 99,998% чистота
метиламмония йодидDyesol14965-49-2CH3NH3I соль
N2,N2,N2′ ,N2′ ,N7,N7,N7′ ,N7′ -октакис (4-метоксифенил)-9,9′-spirobi [9H-fluorene]-2,2′,7,7′-тетраминSigma Aldrich207739-72-8Spiro-OMeTAD соль, 99% чистота
Niobium target 3"CBMM- Бразильская металлургическая и горнодобывающая компания------Ниобиевая мишень для распыления, используемая в системе распыления
N-N диметилформамидMerck68-12-2растворитель с максимальным содержанием 0,003% H<суб>2O
TiO<суб>2 пастаDyesolDSL 30NR-Dпаста диоксида титана
трис(2-(1H-пиразол-1-ил)-4-трет-бутилпиридин)кобальт(III) три[бис( трифторметан)сульфонимид]Дьесол329768935FK 209 Co(III) TFSL соль

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи