Yöntem makalesi

Reaktif Püskürtme Ile Yatırılan Niyöyum Oksit Filmler: Oksijen Akış Hızının Etkisi

DOI:

10.3791/59929

⸱

28 Eylül 2019

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

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Burada, perovskit güneş hücrelerinde elektron taşıma tabakası olarak kullanılmak üzere farklı oksijen akış hızları ile reaktif püskürtme ile niobyum oksit filmleri birikimi için bir protokol sunuyoruz.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Reaktif püskürtme mükemmel homojenlik ile kompakt filmler oluşturmak için kullanılan çok yönlü bir tekniktir. Buna ek olarak, bileşimve böylece film gerekli özellikleri değişikliklere neden gaz akış hızı gibi biriktirme parametreleri üzerinde kolay kontrol sağlar. Bu raporda, reaktif püskürtme niobium oksit filmleri yatırmak için kullanılır. Bir niyon hedef metal kaynağı ve farklı oksijen akış oranları niobium oksit filmleri yatırmak için kullanılır. Oksijen akış hızı 3'ten 10 sccm'ye değiştirildi. Düşük oksijen akış hızları altında biriken filmler daha yüksek elektriksel iletkenlik göstermek te ve elektron taşıma katmanı olarak kullanıldığında daha iyi perovskit güneş pilleri sağlar.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Püskürtme tekniği yaygın olarak yüksek kaliteli filmler yatırmak için kullanılır. Aynı zamanda mekanik özellikleri nin iyileştirilmesi için yüzey kaplama kullanılan rağmen ana uygulama, yarı iletken sektöründe, ve yansıtıcı katmanları1. Püskürtmenin en büyük avantajı farklı yüzeylerin üzerine farklı malzemeler yatırma imkanıdır; iyi tekrarlanabilirlik ve biriktirme parametreleri üzerinde kontrol. Püskürtme tekniği, kimyasal buhar birikimi (CVD), moleküler ışın epitaksisi (MBE) ve atomik tabaka birikimi (ALD) gibi diğer biriktirme yöntemleriile karşılaştırıldığında, geniş alanlar üzerinde iyi yapışma ve düşük maliyetli homojen filmlerin birikmesine olanak sağlar 1,2. Genellikle, yarı iletken filmler püskürtme tarafından yatırılan amorf veya polikristalin, ancak, püskürtme tarafından epitaksial büyüme bazı raporlar vardır3,4. Bununla birlikte, püskürtme işlemi son derece karmaşık ve parametre aralığı geniş5, bu nedenle yüksek kaliteli filmler elde etmek için, sürecin iyi bir anlama ve parametre optimizasyonu her malzeme için gereklidir.

Fışkırtma tarafından niyobyum oksit filmlerin birikimi hakkında raporlama çeşitli makaleler vardır, yanı sıra niyobyum niyobyan6 ve niyobyum karbür7. Nb-oksitler arasında, niyobyum pentoksit (Nb2O5)geniş polimorfizm sergileyen şeffaf, hava kararlı ve suda çözünmez bir malzemedir. Bu 3,1 ila 5,3 eV arasında değişen bant boşluğu değerleri ile bir n-tipi yarı iletken, bu oksitler uygulamaları geniş bir yelpazede veren8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5, karşılaştırılabilir elektron enjeksiyon verimi ve titanyum dioksitle karşılaştırıldığında daha iyi kimyasal stabilitesi nedeniyle perovskit güneş hücrelerinde kullanılacak umut verici bir malzeme olarak büyük ilgi çekmiştir (TiO2). Buna ek olarak, Nb2O5 bant boşluğu hücrelerin açık devre gerilimi artırabilir (Voc)hücrelerin 14.

Bu çalışmada, Nb2O5 farklı oksijen akış hızları altında reaktif püskürtme ile yatırıldı. Düşük oksijen akış hızlarında, filmlerin iletkenliği doping kullanılmadan artırıldı, bu da sistemde kirlere yol açan. Bu filmler perovskit güneş hücrelerinde elektron taşıma katmanı olarak kullanılmıştır ve bu hücrelerin performansını arttırdı. Oksijen miktarının azaltılmasının oksijen boşluklarının oluşumunu tetiklediği ve bu da güneş hücrelerine giden filmlerin iletkenliğini daha iyi verimlilikle arttırdığı bulunmuştur.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Gravür ve substrat temizleme

  1. Bir cam kesme sistemi kullanarak, florür ince oksit (FTO) 2,5 x 2,5 cm yüzeyler oluşturur.
  2. Bir tarafı 0,5 cm açıkta bırakarak termal bant ile substrat yüzeyinin bir kısmını koruyun.
  3. Maruz kalan FTO'nun üstüne az miktarda çinko tozu (kazınacak alanı kaplamaya yetecek kadar) yatırın ve tüm çinko tozu reaksiyon tarafından tüketilene kadar konsantre hidroklorik asiti (HCl) yavaşça çinko tozuna bırakın. Hemen sonra, deiyonize (DI) su ile substrat durulayın.
    DİkKAT: Bol miktarda hidrojen gazı çinko ve HCl reaksiyonundan oluşur.
  4. Bandı çıkarın ve küçük bir fırça kullanarak DI su ve sabunla yıkayın.
    NOT: Fırça, banttan bazı artık tutkalların çıkarılmasına yardımcı olur.
  5. Bir sabun çözeltisi (su% 50) kazıntlı substrat bırakın ve bir ultrasonicate banyoda 15 dakika bekletin. Sonra, DI suda 15 dakika sonicate (2 kez), aseton 10 dakika daha ve son olarak 10 dk izopropil alkol izledi. Substratı azot gazı ile kurutun.

2. Niyobyum oksit filmlerinin birikimi

  1. Her iki tarafı da 0,5 cm koruyan bir gölge maskesi ile substrat düzeltin.
    NOT: FTO'nun kazındığı tarafta, hücre yi kurarken kısa devreleri önlemek için FTO'nun kapsandığının belgelendirilmesi önemlidir.
  2. Püskürtme odasına substrat tanıtın ve oda mühür.
  3. Mekanik pompayı çalıştır. İlk 10 dakika içinde, pompalama geliştirmek için yağ ve serbest su ısıtmak için kaba lama konumuna 3 yönlü vana değiştirin. Basınç 6 x 10-2 Torr olana kadar birincil pompa tek başına çalışır.
  4. 3 yönlü valfi destek konumuna getirin ve turbo moleküler pompayı açın. Moleküler pompa başladıktan sonra, vakum pompası girişindeki kapı vanasını açın. Basınç 3 x 10-6 torr ulaştığında biriktirme başlar.
    NOT: Moleküler pompabaşlamadan önce, birincil vakum 6 x 10-2 torr daha iyi olmalıdır, ancak, pompa yağı ile oda kontamine önlemek için 5 x 10-2 torr daha yüksek olmamalıdır.
  5. Vakum 5 x 10-5 torr ulaştığında, su soğutucu sistemini açın ve substrat ısıtma sistemini açın. Sıcaklığı 500 °C olarak ayarlayın. Sıcaklığı yavaş yavaş artırın, istenilen değere ulaşana kadar her 5 dakikada bir 100 °C.
  6. Gazparametrelerini birikintide kullanılacak şekilde ayarlayın: 40 sccm argon ve 3 ila 10 sccm oksijen.
    NOT: Oksijen akış hızı her birikiminde farklıydı: 3, 3.5, 4 ve 10 sccm. Oksijen niyoyum oluşturan niyonoksit ile reaksiyona girer.
  7. Hazneüzerine argon takın ve basıncı 5 x 10-3 torr'a ve radyo frekansını (RF) 120 W'ye ayarlayın. Plazma nın başlaması durumunda, 2 x 10-2 Torr'a ulaşana kadar basıncı yavaşça artırın. Bu basınçta plazma başlamalı. Pompalama hızını değiştirmek için açılabilir veya kapatılabilir bir kapı valfi kullanarak basıncı ayarlayın.
  8. Yüzeyinde bulunan herhangi bir oksit tabakasını temizletmek için plazmayı 120 W'da 10 dakika bekletin.
    NOT: Hedef temizlerken, substrat deklanşörü herhangi bir malzeme birikiminden substratı korumak için kapalı tutulur.
  9. Stabilizasyondan sonra odaya oksijen verin, radyo frekansı gücünü 240 W'a ayarlayın ve substrat deklanşöre açın. İfade başlar. İfade süresini, biriktirme oranını belirleyen önceki çalışmalara göre 100 nm'lik son kalınlığa göre ayarlayın. Her biriktirme durumu için farklı bir biriktirme oranı beklenmektedir, bu nedenle ifade süresi de farklıdır.
  10. Biriktirme süresi tamamlandıktan sonra deklanşörü hemen kapatın, RF'yi kapatın, gazları kapatın ve substrat sıcaklığını oda sıcaklığına düşürün.
  11. Substrat sıcaklığı oda sıcaklığına ulaştığında, ortam basıncını yeniden kurmak ve odayı açmak için hava tanıtın...
    NOT: Genellikle sistemin 40 °C sıcaklığa ulaşması 4 saat sürer.

3. Güneş pillerinin oluşturulması

  1. Cihazların oluşturulmasında kullanılan çözümlerin hazırlanması
    1. TiO2 macunu çözeltisi: 1 mL DI suda 150 mg TiO2 macunu karıştırın. Kullanmadan önce 1 gün karıştırın.
      NOT: Süspansiyonun her zaman homojen olduğundan emin olmak için kullanmadığınız da süspansiyonu karıştırmaya devam edin.
    2. 420 mg PbI2'yi 1 mL'de susuz dimetilformamid'in 1 mL'inde karıştırarak kurşun iyodür çözeltisini (PbI2)hazırlayın. Sadece susuz çözücüler kullanın.
    3. 1 mL izopropil alkole (IPA) 8 mg CH3NH3I ekleyerek metilamonyum iyodür (CH3NH3I) çözeltisini hazırlayın.
      NOT: IPA'daki su içeriği %0,0005'ten az olmalıdır.
  2. Mevduat TiO2 mesogözenyum tabakası niyobyum oksit tabakasının üstüne 30 s için 4.000 rpm bir spin coater kullanarak.
  3. Adımları izleyerek fırının üzerine substrat koyun: 270 °C 30 dk için; 30 dk için 370 °C ve 1 saat için 500 °C. Fırın oda sıcaklığına ulaşana kadar bekleyin ve substratı çıkarın.
    NOT: Isıl işlem, hamurun organik kısmını çürütür ve filmin üzerinde gözenekli bir tabaka bırakır.
  4. TiO2 mesogözenyumunun üzerine 90 s için 6.000 rpm'de bir spin katör kullanarak iki kat PbI2 koyun ve her bir ikilat tan sonra substratı 70 °C'de 10 dakika sıcak bir tablaya koyun.
    NOT: PbI2 birikimi saf azot veya argon dolu ve kontrollü atmosfere sahip bir torpido kutunun içinde olmalıdır (su ve oksijen < 0.1 ppm).
  5. CH3NH3I çözeltisini yatırın. PbI2üzerine0,3mL CH 3 NH3I çözeltisi bırakın, 20 s bekleyin ve sonra 30 s. 10 dakika boyunca 100 °C'de bir sıcak plaka üzerine substrat koyun 4.000 rpm spin.
    NOT: CH3NH3I ifadesi bir torpido kutusunun içinde olmalıdır. CH3NH3I çözeltisinin toplam miktarı tek bir adımda hızlı bir şekilde düşürülmelidir.
  6. Spiro-OMeTAD çözeltisini perovskit tabakasının üzerine 30 s. için 4.000 rpm spin kaplama ile yatırın.
    NOT: Spiro-OMeTAD birikimi bir torpido taşının içinde olmalıdır. Birikmeden sonra, spiro-OMeTAD'ı oksitletmek için substratı bir gecede oksijen atmosferinde bırakmak önemlidir.
  7. 5 nm ulaşınve sonra 1 A/s oranı artırmak kadar 0,2 A/s oranında bir gölge maskesi kullanarak altın temas 70 nm buharlaşın.
    NOT: Hücre üzerinden altın difüzyonu önlemek için başlangıçta yavaş bir hız kullanmak önemlidir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Püskürtme sisteminde, biriktirme hızı oksijen akış hızından güçlü bir şekilde etkilenir. Oksijen akışı arttığında biriktirme oranı azalır. Kullanılan hedef alanın mevcut koşulları ve plazma gücü göz önüne alındığında, 3-4 sccm arasında biriktirme hızında anlamlı bir azalma olduğu, ancak oksijen 4'ten 10 sccm'ye yükseltildiğinde daha az belirgin hale geldiği görülmektedir. 3 sccm rejiminde biriktirme oranı 1.1 nm/s olup, Şekil 1'degörüldüğü gibi 10 sccm için aniden 0,1 nm/s'ye düşmektedir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışmada hazırlanan niyonoksit filmleri perovskit güneş hücrelerinde elektron taşıma tabakası olarak kullanılmıştır. Bir elektron taşıma katmanı için gerekli olan en önemli özellik, rekombinasyon, delikleri bloke etme ve etkin elektronların aktarılmasını önlemektir.

Bu bakımdan yoğun ve kompakt filmler ürettiği için reaktif püskürtme tekniğinin kullanımı avantajlıdır. Ayrıca, daha önce de belirtildiği gibi, sol-jel ile karşılaştırıldığında, anodizasyon, hidrotermal ve kimyasal buhar biriki...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çalışma 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 ve 2017/18916-2). PL ölçümleri için Profesör Máximo Siu Li'ye özel teşekkür.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
2-propanolMerck67-63-0çözücü, maksimum% 0.005 H 2 < / sub>O
4-tert-butilpiridinSigma Aldrich3978-81-2kimyasal,% 96 saflıkta
asetonitrilSigma Aldrich75-05-8susuz çözücü,% 99.8 saflıkta
bis (triflorometan) sülfonimid lityum tuzuSigma Aldrich90076-65-6&ge ile kimyasal; % 99,95 saflıkta
klorobenzenSigma Aldrich108-90-7susuz çözücü,% 99,8 saflıkta
etanolSigma Aldrich200-578-6çözücü
Flor katkılı kalay oksit (SnO2: F) cam alt tabakaSolaronixTCO22-7 / LIalt tabaka filmleri biriktirmek için alt tabaka
Kaptom bantUsinainfo04227alt tabakaları
kaplamak için kullanılan termal bantKurt J Lesker magnetron püskürtme sistemiKurt J Lesker------Kompakt filmleri biriktirmek için kullanılan püskürtme ekipmanı
Kurşun (II) iyodürAlfa Aesar10101-63-0PbI2 tuz-% 99.998 saflıkta
metilamonyum iyodürBoyasol14965-49-2CH < alt > 3 < / sub>NH < sub>3< / sub>I tuzu
N2, N2, N2′ < / sup>, N < sup>2 ve prime; < / sup>, N < sup>7< / sup>, N7< / sup>, N7 ve prime; < / sup>, N < sup> 7 & prime; -octakis (4-metoksifenil)-9,9′-spirobi [9H-floren]-2,2′,7,7′-tetraminSigma Aldrich207739-72-8Spiro-OMeTAD tuzu,% 99 saflıkta
Niyobyum hedefi 3 "CBMM- Brezilya Metalurji ve Madencilik Şirketi------püskürtme sisteminde kullanılan niyobyum püskürtme hedefi
N-N dimetilformamidMerck68-12-2çözücü, maksimum% 0.003 H2< / sub>O
TiO2< / sub> macunuDyesolDSL 30NR-Dtitanyum dioksit macunu
tris (2- (1H-pirazol-1-il) -4-tert-butilpiridin) kobalt (III) tri[bis( triflorometan)sülfonimid]Boyasol329768935FK 209 Co(III) TFSL tuzu
,

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Birikme H zElektriksel letkenlikPerovskit G ne H creleriElektron Ta ma Tabakasnce Film BiriktirmeSputterlama OdasAlt tabaka Is tma

İlgili makaleler