Summary
यहाँ, हम perovskite सौर कोशिकाओं में एक इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में उपयोग के लिए विभिन्न ऑक्सीजन प्रवाह दरों के साथ प्रतिक्रियाशील sputtering द्वारा निओबियम ऑक्साइड फिल्मों के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं.
Abstract
प्रतिक्रियाशील sputtering एक बहुमुखी तकनीक उत्कृष्ट एकरूपता के साथ कॉम्पैक्ट फिल्मों के रूप में प्रयोग किया जाता है। इसके अलावा, यह इस तरह के गैस प्रवाह दर है कि संरचना पर परिवर्तन में परिणाम है और इस तरह फिल्म आवश्यक गुणों में के रूप में जमा मानकों पर आसान नियंत्रण की अनुमति देता है. इस रिपोर्ट में, प्रतिक्रियाशील sputtering niobium ऑक्साइड फिल्मों को जमा करने के लिए प्रयोग किया जाता है. एक niobium लक्ष्य धातु स्रोत और विभिन्न ऑक्सीजन प्रवाह दर के रूप में प्रयोग किया जाता है निओबियम ऑक्साइड फिल्मों जमा. ऑक्सीजन प्रवाह दर 3 से 10 sccm में बदल गया था. कम ऑक्सीजन प्रवाह दर के तहत जमा फिल्मों उच्च विद्युत चालकता दिखाने के लिए और बेहतर perovskite सौर कोशिकाओं प्रदान जब इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में इस्तेमाल किया.
Introduction
sputtering तकनीक व्यापक रूप से उच्च गुणवत्ता वाली फिल्मों को जमा करने के लिए प्रयोग किया जाता है। इसका मुख्य अनुप्रयोग अर्धचालक उद्योग में है, हालांकि यह भी यांत्रिक गुणों में सुधार के लिए सतह कोटिंग में प्रयोग किया जाता है, और चिंतनशील परतों1. sputtering का मुख्य लाभ विभिन्न substrates पर विभिन्न सामग्री जमा करने की संभावना है; अच्छा reproducibility और बयान मानकों पर नियंत्रण. sputtering तकनीक सजातीय फिल्मों के जमाव की अनुमति देता है, बड़े क्षेत्रों पर अच्छा आसंजन के साथ और कम लागत पर जब रासायनिक वाष्प जमा (सीवीडी), आणविक बीम epitaxy (MBE) और परमाणु परत जमा (ALD) जैसे अन्य जमा तरीकों के साथ तुलना में 1,2. आम तौर पर, sputtering द्वारा जमा अर्धचालक फिल्मों अक्रिस्टलीय या बहुक्रिस्टलीय हैं, तथापि, वहाँ3sputteringद्वारा epitaxial विकास पर कुछ रिपोर्ट कर रहे हैं. फिर भी, sputtering प्रक्रिया अत्यधिक जटिल है और पैरामीटर की सीमा विस्तृतहै 5,इसलिए उच्च गुणवत्ता वाली फिल्मों को प्राप्त करने के लिए, प्रक्रिया और पैरामीटर अनुकूलन की एक अच्छी समझ प्रत्येक सामग्री के लिए आवश्यक है.
वहाँ sputtering द्वारा niobium ऑक्साइड फिल्मों के बयान पर कई लेख रिपोर्टिंग कर रहे हैं, साथ ही साथ niobium नाइट्राइड6 और niobium कार्बाइड7. एनबी-ऑक्साइड में, निओबियम पेंटऑक्साइड (नब2व्5) एक पारदर्शी, वायु-स्थिर और जल-अघुलनशील पदार्थ है जो व्यापक बहुरूपता को दर्शाता है। यह एक n-प्रकार अर्धचालक है जिसमें बैंड अंतराल मान 3.1 से 5.3 ईवी तक होते हैं, जिससे इन ऑक्साइडोंको8,9,10,11,12,13) के अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान की जाती है। ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 एक आशाजनक सामग्री के रूप में काफी ध्यान आकर्षित किया है अपने तुलनीय इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन दक्षता और टाइटेनियम डाइऑक्साइड की तुलना में बेहतर रासायनिक स्थिरता के कारण perovskite सौर कोशिकाओं में इस्तेमाल किया जा करने के लिए (TiO2) . इसके अतिरिक्त, डब2व्5 का बैंड अंतराल कोशिकाओं14के ओपन-सर्किट वोल्टता (Voc) में सुधार कर सकता है।
इस काम में, Nb2O5 विभिन्न ऑक्सीजन प्रवाह दरों के तहत प्रतिक्रियाशील sputtering द्वारा जमा किया गया था. कम ऑक्सीजन प्रवाह दरों पर, डोपिंग का उपयोग किए बिना फिल्मों की चालकता में वृद्धि हुई, जो सिस्टम पर अशुद्धियों का परिचय देती है। इन फिल्मों perovskite सौर कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में इस्तेमाल किया गया इन कोशिकाओं के प्रदर्शन में सुधार. यह पाया गया कि ऑक्सीजन की मात्रा कम होने से ऑक्सीजन की रिक्तियों के गठन का पता चलता है, जो बेहतर दक्षता के साथ सौर कोशिकाओं की ओर जाने वाली फिल्मों की चालकता को बढ़ाता है।
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Protocol
1. उत्कीर्णन और सब्सट्रेट सफाई
- कांच काटने की प्रणाली का उपयोग करके फ्लोराइड पतली ऑक्साइड (FTO) के 2.5 x 2.5 सेमी सब्स्ट्ररेट बनाते हैं।
- एक थर्मल टेप उजागर एक पक्ष के 0.5 सेमी छोड़ने के साथ सब्सट्रेट सतह के हिस्से को सुरक्षित रखें।
- जस्ता पाउडर की एक छोटी राशि जमा करें (क्षेत्र को कवर करने के लिए etched किया जा करने के लिए) उजागर FTO के शीर्ष पर और जस्ता पाउडर पर केंद्रित हाइड्रोक्लोरिक एसिड (एचसीएल) ड्रॉप धीरे जब तक सभी जस्ता पाउडर प्रतिक्रिया द्वारा सेवन किया जाता है. इसके तुरंत बाद, deionized (डीआई) पानी के साथ सब्सट्रेट कुल्ला.
चेतावनी: बहुतायत में हाइड्रोजन गैस जस्ता और एचसीएल प्रतिक्रिया से उत्पन्न होता है। - टेप निकालें और एक छोटे से ब्रश का उपयोग कर DI पानी और साबुन के साथ धो लो.
नोट: ब्रश टेप से कुछ अवशिष्ट गोंद को दूर करने में मदद करता है. - एक साबुन समाधान (50% पानी में) में etched सब्सट्रेट छोड़ दो और एक ultrasonicate स्नान में 15 मिनट के लिए रहते हैं। फिर, DI पानी में 15 मिनट के लिए sonicate (2 बार), एसीटोन में 10 और अधिक मिनट और अंत में आइसोप्रोपिल शराब में 10 मिनट के बाद। नाइट्रोजन गैस के साथ सब्सट्रेट सूखी.
2. निओबियम ऑक्साइड फिल्मों का जमाव
- दोनों पक्षों के 0.5 सेमी की रक्षा एक छाया मुखौटा के माध्यम से सब्सट्रेट को ठीक करें।
नोट: जहां FTO etched किया गया था पक्ष पर, यह प्रमाणित करना महत्वपूर्ण है कि FTO क्रम में शॉर्ट सर्किट को रोकने के लिए जब सेल के निर्माण को कवर किया जाता है. - sputtering कक्ष में सब्सट्रेट परिचय और कक्ष सील.
- मैकेनिक पंप शुरू करो. पहले 10 मिनट में, अपने तेल गर्मी और पंप में सुधार करने के लिए पानी जारी करने के लिए roughing स्थिति में 3-तरफा वाल्व बदल जाते हैं। प्राथमिक पंप अकेले काम करता है जब तक दबाव 6 x 10-2 Torr है.
- समर्थन स्थिति के लिए 3-तरफा वाल्व बदलें, और टर्बो आणविक पंप चालू करें। एक बार आणविक पंप शुरू कर दिया है, वैक्यूम पंप प्रविष्टि पर गेट वाल्व खोलें. जमा शुरू होता है जब दबाव 3 x 10-6 torr तक पहुँचता है.
नोट: आणविक पंप शुरू करने से पहले, प्राथमिक वैक्यूम से बेहतर होना चाहिए 6 x 10-2 torr, तथापि, से अधिक नहीं 5 x 10-2 torr क्रम में पंप तेल के साथ कक्ष दूषित को रोकने के लिए. - जब वैक्यूम 5 x 10-5 torr तक पहुँचता है, तो वाटर कूलर सिस्टम खोलें और सब्सट्रेट हीटिंग सिस्टम चालू करें। तापमान को 500 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें। तापमान धीरे-धीरे बढ़ाएं, 100 डिग्री सेल्सियस हर 5 मिनट जब तक यह वांछित मूल्य तक पहुँच जाता है।
- जमाव में इस्तेमाल किया जा करने के लिए गैसों मानकों सेट: 40 sccm के argon और 3 से 10 sccm की ऑक्सीजन.
नोट: ऑक्सीजन प्रवाह दर प्रत्येक जमा में अलग था: 3, 3.5, 4 और 10 sccm. ऑक्सीजन नाइओबियम ऑक्साइड बनाने के साथ प्रतिक्रिया करता है। - कक्ष पर argon परिचय, और दबाव सेट करने के लिए 5 x 10-3 torr और रेडियो आवृत्ति (आरएफ) करने के लिए 120 डब्ल्यू पर आरएफ बारी और प्रतिबाधा मिलान बॉक्स का उपयोग कर धुन. मामले में प्लाज्मा शुरू नहीं होता है, दबाव धीरे धीरे वृद्धि जब तक यह तक पहुँचता है 2 x 10-2 Torr. इस दबाव में, प्लाज्मा शुरू कर देना चाहिए. एक गेट वाल्व है कि खोला या पंप दर बदलने के लिए बंद किया जा सकता है का उपयोग कर दबाव सेट करें.
- इसकी सतह में मौजूद किसी भी ऑक्साइड परत को हटाने के लिए निओबियम लक्ष्य को साफ करने के लिए 10 मिनट के लिए 120 डब्ल्यू पर प्लाज्मा रखें।
नोट: लक्ष्य की सफाई करते समय, सब्सट्रेट शटर किसी भी सामग्री जमा से सब्सट्रेट की रक्षा के लिए बंद रखा जाता है। - कक्ष में ऑक्सीजन परिचय, स्थिरीकरण के बाद, 240 डब्ल्यू करने के लिए रेडियो आवृत्ति शक्ति सेट और सब्सट्रेट शटर खुला. जमा शुरू होता है. जमा दर निर्धारित किया है कि पिछले अध्ययनों के आधार पर 100 एनएम की एक अंतिम मोटाई के लिए जमा समय निर्धारित करें। प्रत्येक जमा न्ययाब के लिए एक अलग जमा दर की उम्मीद है, इसलिए जमा समय भी अलग है।
- एक बार जमा समय पूरा हो गया है, शटर तुरंत बंद करें, आरएफ बंद कर देते हैं, गैसों को बंद करें और कमरे के तापमान के लिए सब्सट्रेट तापमान कम करें।
- सब्सट्रेट तापमान कमरे के तापमान तक पहुँच ता है के रूप में, परिवेश दबाव पुनर्स्थापित करने और कक्ष खोलने के लिए हवा परिचय।
नोट: आम तौर पर, सिस्टम 40 डिग्री सेल्सियस के तापमान तक पहुंचने के लिए 4 ज लेता है।
3. सौर कोशिकाओं का निर्माण
- उपकरणों के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया समाधान की तैयारी
- TiO2 पेस्ट समाधान: 1 एमएल डीआई पानी में TiO2 पेस्ट के 150 मिलीग्राम मिलाएं। यह उपयोग करने से पहले 1 दिन के लिए हिलाओ.
नोट: निलंबन सरगर्मी रखें, तब भी जब आप यह सुनिश्चित करने के लिए उपयोग नहीं कर रहे हैं कि निलंबन हमेशा सजातीय है। - एनहाइड्रोस डाइमेथिलफॉर्मामाइड के 1 एमएल में 420 मिलीग्राम पीबीआई2 मिलाकर लीड आयोडाइड घोल (पीबीआई2) तैयार करें। केवल निर्जल सॉल्वैंट्स का उपयोग करें।
- इसोप्रोपिल अल्कोहल (आईपीए) के 1 एमएल में 8 मिलीग्राम ब्एच3एनएच3I को जोड़कर मेथिलऐमोनियम आयोडाइड (चभ्3एनएच3)घोल तैयार की।
नोट: IPA में पानी की मात्रा 0.000% से कम होनी चाहिए.
- TiO2 पेस्ट समाधान: 1 एमएल डीआई पानी में TiO2 पेस्ट के 150 मिलीग्राम मिलाएं। यह उपयोग करने से पहले 1 दिन के लिए हिलाओ.
- निक्षेप TiO2 mesoporous परत niobium ऑक्साइड परत के शीर्ष पर एक स्पिन कोटर का उपयोग कर 4,000 आरपीएम पर 30 s के लिए.
- चरणों का पालन ओवन पर सब्सट्रेट रखो: 30 मिनट के लिए 270 डिग्री सेल्सियस; 30 मिनट और 1 एच के लिए 500 डिग्री सेल्सियस के लिए 370 डिग्री सेल्सियस प्रतीक्षा करें जब तक ओवन कमरे के तापमान तक पहुंचता है और सब्सट्रेट को हटा दें।
नोट: गर्मी उपचार फिल्म पर एक छिद्रपूर्ण परत छोड़ने पेस्ट के कार्बनिक भाग decomposes. - 90 s के लिए 6,000 आरपीएम पर एक स्पिन कोटर का उपयोग कर के लिए TiO2 mesoporous के शीर्ष पर PbI2 की दो परतों जमा और प्रत्येक जमाव के बाद 10 मिनट के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली में सब्सट्रेट डाल दिया।
नोट: PbI2 जमा शुद्ध नाइट्रोजन या argon के साथ और नियंत्रित वातावरण के साथ भरा एक दस्ताने बॉक्स के अंदर होना चाहिए (पानी और ऑक्सीजन और lt; 0.1 पीपीएम). - जमा CH3एनएच3मैं समाधान. PI2पर CH3NH3I समाधान के 0.3 एमएल गिराए , 20 s प्रतीक्षा करें और फिर 30 s के लिए 4,000 आरपीएम पर स्पिन करें, 10 मिनट के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म प्लेट पर सब्सट्रेट रखो।
नोट: CH3एनएच3मैं बयान एक दस्ताने बॉक्स के अंदर होना चाहिए. CH3एनएच3I समाधान की कुल राशि केवल एक चरण में जल्दी से गिरा दिया जाना चाहिए। - 30 s के लिए 4,000 आरपीएम पर स्पिन कोटिंग द्वारा perovskite परत के शीर्ष पर जमा Spiro-OMeTAD समाधान रात भर एक ऑक्सीजन वातावरण में सब्सट्रेट छोड़ दें।
नोट: Spiro-OMeTAD बयान एक दस्ताने बॉक्स के अंदर होना चाहिए. बयान के बाद, यह एक ऑक्सीजन वातावरण में रात भर सब्सट्रेट छोड़ने के लिए Spiro-OMeTAD अपनी चालकता बढ़ाने ऑक्सीकरण के लिए महत्वपूर्ण है. - 5 एनएम तक पहुंचने तक 0.2 A/s की दर से छाया मास्क का उपयोग करके 70 एनएम सोने के संपर्क का उपयोग करें और फिर दर को 1 A/
नोट: यह सेल के माध्यम से सोने के प्रसार को रोकने के लिए शुरुआत में एक धीमी दर का उपयोग करने के लिए महत्वपूर्ण है।
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Representative Results
sputtering प्रणाली में, जमाव दर दृढ़ता से ऑक्सीजन प्रवाह दर से प्रभावित है. जब ऑक्सीजन का प्रवाह बढ़ जाता है तो जमा दर कम हो जाती है। उपयोग किए गए लक्ष्य क्षेत्र और प्लाज्मा शक्ति की वर्तमान स्थितियों को ध्यान में रखते हुए, यह देखा गया है कि 3 से 4 sccm में जमा दर पर एक अर्थपूर्ण कमी होती है, हालांकि, जब ऑक्सीजन 4 से 10 sccm से बढ़ जाती है तो यह कम स्पष्ट हो जाता है। 3 sccm के शासन में जमा दर 1.1 एनएम /
बने निओबियम ऑक्साइड प्रावस्था ऑक्सीजन प्रवाह दर पर निर्भर करती है। 3 sccm से कम प्रवाह के लिए, niobium डाइऑक्साइड (NbO2) मुख्य चरण का गठन किया है. 3.5 sccm से अधिक प्रवाह के लिए ऑक्सीजन की मात्रा बहुत अधिक है NbO2उत्पन्न करने के लिए, इसके बजाय, Nb2O5 मुख्य चरण के रूप में मनाया जाता है (चित्र 2) . इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी प्रतिबिंब (चित्र 2) 3ण्5, 4 तथा 10 sccm पर जमा की गई फिल्मों के नैनोमेट्रिक गोलाकार कणों को दर्शाते हैं। इसके विपरीत, 3 sccm पर जमा फिल्म शीट आकार कणों से पता चलता है.
विभिन्न ऑक्सीजन प्रवाह दरों में प्रतिक्रियाशील sputtering द्वारा जमा की गई फिल्मों विभिन्न बिजली के गुण दिखा. फिल्मों की चालकता बढ़ जाती है जब कम ऑक्सीजन का उपयोग किया जाता है, 3 sccm या उससे कम. ऑक्सीजन प्रवाह दर को 3ण्5, 4 तथा 10 sccm तक बढ़ाना, चालकता में कमी देखी जाती है(चित्र 3क,ख)। यह फिल्म जमाव के दौरान ऑक्सीजन के प्रवाह का समायोजन करके ऑक्साइड फिल्मों की चालकता को बढ़ाने के लिए एक सरल और आसान तरीका का प्रतिनिधित्व करता है।
sputtering द्वारा जमा niobium ऑक्साइड फिल्मों perovskite सौर कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉन परिवहन परत (ETL) के रूप में इस्तेमाल किया गया. इन सौर कोशिकाओं के लिए, 3 sccm पर जमा फिल्म का उपयोग नहीं किया गया था क्योंकि पारदर्शिता ETLs के लिए आवश्यक है. सौर कोशिकाओं का निष्पादन भी प्रयोग किए गए निओबियम ऑक्साइड पर निर्भर करता है (चित्र 4) । 3.5 sccm पर जमा फिल्मों के साथ बनाया सेल उच्चतम शॉर्ट सर्किट वर्तमान, कोशिकाओं के अंतिम प्रदर्शन पर ETL फिल्म के गुणों का एक स्पष्ट प्रभाव के साथ सबसे अच्छा प्रदर्शन किया है.
चित्र 1: निओबियम ऑक्साइड फिल्मों के जमाव के दौरान ऑक्सीजन प्रवाह दर के एक समारोह के रूप में जमा दर।
ऑक्साइड फिल्मों सतहों की छवियाँ insets के रूप में दिखाया गया है. यह आंकड़ा फर्नांडीस एट अल20से संशोधित किया गया है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 2: इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों और विभिन्न ऑक्सीजन प्रवाह दर, 3 sccm (ए), 3.5 sccm (बी), 4 sccm (सी) और 10 sccm (डी) के तहत जमा niobium ऑक्साइड फिल्मों के एक्स-रे difractograms।
मुख्य NbO2 (JCPDS #82-1142) और Nb2O5 (JCPDS #28-317) चोटियों संकेत दिए हैं. अन्य चोटियों FTO करने के लिए भेजा जाता है. यह आंकड़ा फर्नांडीस एट अल20से संशोधित किया गया है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्र 3: डिफेरेंट निओबियम ऑक्साइड फिल्मों (ए) की धारा बनाम वोल्टेज, और इसी चालकता (बी)।
यह आंकड़ा फर्नांडीस एट अल20से संशोधित किया गया है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 4: सौर सेल उपकरणों (ए), जे-वी घटता के विभिन्न ऑक्सीजन प्रवाह दर, 3.5 sccm (बी), 4 sccm (सी) और 10 sccm (डी) पर जमा niobium ऑक्साइड फिल्मों का उपयोग कर perovskites सौर कोशिकाओं के Schematic वास्तुकला।
यह आंकड़ा फर्नांडीस एट अल20से संशोधित किया गया है . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
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Discussion
इस कार्य में तैयार की गई निओबियम ऑक्साइड फिल्मों का उपयोग पेरोवस्की सौर कोशिकाओं में इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के रूप में किया जाता था। एक इलेक्ट्रॉन परिवहन परत के लिए आवश्यक सबसे महत्वपूर्ण विशेषता पुनर्संयोजन को रोकने के लिए है, छेद अवरुद्ध और कुशलता से इलेक्ट्रॉनों के हस्तांतरण.
इस संबंध में प्रतिक्रियाशील sputtering तकनीक का उपयोग फायदेमंद है क्योंकि यह घने और कॉम्पैक्ट फिल्मों का उत्पादन. इसके अलावा, जैसा कि पहले ही उल्लेख किया है, सोल-जेल, एनोडाइजेशन, हाइड्रोथर्मल, और रासायनिक वाष्प जमाव संश्लेषण विधियों की तुलना में14,21,22, प्रतिक्रियाशील sputtering बड़े क्षेत्रों को जमा करने के लिए सबसे उपयुक्त है1 ,2,14. हालांकि, फिल्म के गुणों पर जमा मापदंडों की भूमिका को समझना एक चुनौतीहै 5,15,20, विशेष रूप से निओबियम-ऑक्साइड के मामले में जो कई अलग-अलग स्थिर क्रिस्टल संरचनाओं का निर्माण कर सकते हैं .
नब वृक्ष ऑक्सीकरण अवस्था में द्वितीय, IV तथा ट के रूप में पाया जा सकता है, जो निबव् 2तथा नब2व्5 प्रजा में मुख्य तध14हैं। यद्यपि निओबियम पेंटाक्साइड (नब2व्5) सबसे स्थिर चरण है, निक्षेपण के दौरान कक्ष में ऑक्सीजन की मात्रा को नियंत्रित करने से विभिन्न चरण उत्पन्न हो सकते हैं। यह एक महत्वपूर्ण और महत्वपूर्ण कदम है, ठीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है. हमारी प्रणाली में 3 sccm के ऑक्सीजन प्रवाह NbO2के गठन के पक्ष में . 3 sccm से अधिक ऑक्सीजन प्रवाह दर का उपयोग Nb2O 5 के गठन की ओर जाताहै.
कक्ष में ऑक्सीजन की अधिकता लक्ष्य के ऑक्सीजन संदूषण की ओर ले जाती है। इसके परिणामस्वरूप ऑक्साइड फिल्म जमा दर में कमी आती है और पिछले प्रकाशन20में बताई गई विभिन्न अवस्थाओं के निर्माण में कमी आती है. इसके विपरीत, कक्ष में ऑक्सीजन की कमी फिल्म पारदर्शिता काफी कम हो जाती है. विभिन्न चरणों के गठन के अलावा, ऑक्सीजन रिक्तियों के विभिन्न घनत्व के साथ फिल्मों में ऑक्सीजन के प्रवाह का परिणाम बदलने. यह फिल्म गुणों में महत्वपूर्ण परिवर्तन की ओर जाता है, उदाहरण के लिए अपनी चालकता. NbO2 उच्च चालकता से पता चलता है, जबकि Nb2O5 एक अधिक प्रतिरोधक चरण है. दब्ज2शब् द2 शलभों की तुलना में ब्ब् 2 ठ्ठ्ठल की निम्न वैद्युत चालकता की व्याख्या आघूर्ण प्रकृति द्वारा की जाती है, बब में 5ण्की आवेश अवस्था होती है, जिसके सभी 4ड इलेक्ट्रॉन आबंध से हे 2च-कक्षीय होते हैं। Nb2O5 फिल्मों के लिए (3.5, 4 और 10 sccm ऑक्सीजन प्रवाह के साथ जमा फिल्मों), सबसे अधिक चालकता ऑक्सीजन प्रवाह के 3.5 sccm, जो ऑक्सीजन रिक्तियों में वृद्धि के लिए जिम्मेदार है के साथ जमा फिल्मों में मनाया जाता है20.
ऑक्सीजन प्रवाह के 3.5 sccm के साथ जमा एक फिल्म के साथ बनाया सेल उच्चतम शॉर्ट सर्किट वर्तमान के साथ सबसे अच्छा प्रदर्शन किया है. इस उच्च प्रदर्शन संवाददाता niobium ऑक्साइड फिल्म के बेहतर चालकता के कारण है. के रूप में niobium ऑक्साइड फिल्म की प्रतिरोधकता बढ़ जाती है, उपकरणों कम दक्षता दिखा.
जाहिर है, sputtering अन्य रासायनिक जमाव तकनीक की तुलना में जमा मानकों की एक बेहतर नियंत्रण की अनुमति देता है कि एक शक्तिशाली जमाव तकनीक है. sputtering की प्रमुख सीमा अल्ट्रा उच्च वैक्यूम contaminants से बचने के लिए आवश्यक का उपयोग है, जो पंप के लिए अपेक्षाकृत लंबे समय से इंतज़ार कर समय का तात्पर्य. प्रतीक्षा समय आंशिक रूप से एक पूर्व कक्ष, या एक अंतर पम्पिंग प्रणाली के साथ सुसज्जित प्रणाली में बचा जा सकता है. फिर भी, इस आवश्यकता उच्च शुद्धता की फिल्मों के उत्पादन की अनुमति देता है.
अंत में, sputtering के उपयोग नियंत्रित stoichimetry के साथ घने और कॉम्पैक्ट फिल्मों के गठन की अनुमति देता है. हमारे मामले में, अच्छा चालकता कक्ष में ऑक्सीजन सामग्री का समायोजन करके प्राप्त किया गया था. Sputtering कुशल सौर कोशिकाओं का उत्पादन करने के लिए बड़े क्षेत्रों में फिल्म जमा करने के लिए एक promissing तकनीक है.
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Disclosures
लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.
Acknowledgments
इस कार्य को फंडाओ डे एम्पोरो द्वारा समर्थित किया गया था - पेस्क्वीसा करते Estado de S$o पाउलो (FAPESP), सेंट्रो डे Desenvolvimento de Materiais Cer$micos (CDMF- FAPESPo 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 और 2017/18916-2)। PL माप के लिए प्रोफेसर M ximo Siu ली के लिए विशेष धन्यवाद.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 2-propanol | Merck | 67-63-0 | solvent with maximum of 0.005% H2O |
| 4-tert-butylpyridine | Sigma Aldrich | 3978-81-2 | chemical with 96% purity |
| acetonitrile | Sigma Aldrich | 75-05-8 | anhydrous solvent , 99.8% purity |
| bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium salt | Sigma Aldrich | 90076-65-6 | chemical with ≥99.95% purity |
| chlorobenzene | Sigma Aldrich | 108-90-7 | anhydrous solvent , 99.8% purity |
| ethanol | Sigma Aldrich | 200-578-6 | solvent |
| Fluorine doped tin oxide (SnO2:F) glass substrate | Solaronix | TCO22-7/LI | substrate to deposit films |
| Kaptom tape | Usinainfo | 04227 | thermal tape used to cover the substrates |
| Kurt J Lesker magnetron sputtering system | Kurt J Lesker | ------ | Sputtering equipment used to deposit compact films |
| Lead (II) iodide | Alfa Aesar | 10101-63-0 | PbI2 salt- 99.998% purity |
| methylammonium iodide | Dyesol | 14965-49-2 | CH3NH3I salt |
| N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-octakis (4-methoxyphenyl)-9,9′-spirobi [9H-fluorene]-2,2′,7,7′-tetramine | Sigma Aldrich | 207739-72-8 | Spiro-OMeTAD salt, 99% purity |
| Niobium target of 3” | CBMM- Brazilian Metallurgy and Mining Company | ------ | niobium sputtering target used in the sputtering system |
| N-N dimethylformamide | Merck | 68-12-2 | solvent with maximum of 0.003% H2O |
| TiO2 paste | Dyesol | DSL 30NR-D | titanium dioxide paste |
| tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)cobalt(III) tri[bis(trifluoromethane)sulfonimide] | Dyesol | 329768935 | FK 209 Co(III) TFSL salt |
References
- 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., Peng, C. Y., Chang, L. Heteroepitaxial growth of TiN film on MgO (100) by reactive magnetron sputtering. Nanoscale Research Letters. 9, 551 (2014).
- 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).
- Berg, S., Nyberg, T. Fundamental understanding and modeling of reactive sputtering processes. Thin Solid films. (476), 215-230 (2005).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fernandes, S. L., et al. Nb2O5hole blocking layer for hysteresis-free perovskite solar cells. Materials Letters. 181, 103-107 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Foroughi-Abari, A., Cadien, K. C. Growth, structure and properties of sputtered niobium oxide thin films. Thin Solid Films. 519, 3068-3073 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ueno, S., Fujihara, S. Effect of an Nb2O5 nanolayer coating on ZnO electrodes in dye-sensitized solar cells. Electrochimica Acta. 56, 2906-2913 (2011).
- 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).
- Shirani, A., et al. Tribologically enhanced self-healing of niobium oxide surfaces. Surface and Coatings Technology. 364, 273-278 (2014).
- Yan, J., et al. Nb2O5/TiO2 heterojunctions: Synthesis strategy and photocatalytic activity. Applied Catalysis B: Environmental. 152 (1), 280-288 (2014).
