JoVE Logo
Autores
Contáctenos

Iniciar sesión

Se requiere una suscripción a JoVE para ver este contenido. Inicie sesión o comience su prueba gratuita.

En este artículo

  • Resumen
  • Resumen
  • Introducción
  • Protocolo
  • Resultados
  • Discusión
  • Divulgaciones
  • Agradecimientos
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para la deposición de películas de óxido de niobio mediante sputtering reactivo con diferentes caudales de oxígeno para su uso como capa de transporte de electrones en células solares de perovskita.

Resumen

El sputtering reactivo es una técnica versátil utilizada para formar películas compactas con una excelente homogeneidad. Además, permite un fácil control sobre los parámetros de deposición, como el caudal de gas, que da como resultado cambios en la composición y, por lo tanto, en las propiedades requeridas de la película. En este informe, la esputo reactiva se utiliza para depositar películas de óxido de niobio. Un objetivo de niobio se utiliza como fuente de metal y diferentes tasas de flujo de oxígeno para depositar películas de óxido de niobio. El caudal de oxígeno se ha cambiado de 3 a 10 sccm. Las películas depositadas bajo bajos caudales de oxígeno muestran una mayor conductividad eléctrica y proporcionan mejores células solares de perovskita cuando se utilizan como capa de transporte de electrones.

Introducción

La técnica de sputtering se utiliza ampliamente para depositar películas de alta calidad. Su principal aplicación es en la industria de semiconductores, aunque también se utiliza en revestimiento de superficie para la mejora en propiedades mecánicas, y capas reflectantes1. La principal ventaja del sputtering es la posibilidad de depositar diferentes materiales sobre diferentes sustratos; la buena reproducibilidad y el control sobre los parámetros de deposición. La técnica de sputtering permite la deposición de películas homogéneas, con buena adherencia en grandes áreas y a bajo costo en comparación con otros métodos de deposición como la deposición de vapor químico (CVD), la epitaxía de haz molecular (MBE) y la deposición de capa atómica (ALD) 1,2. Comúnmente, las películas semiconductoras depositadas por sputtering son amorfos o policristalinas, sin embargo, hay algunos informes sobre el crecimiento epitaxial por sputtering3,4. Sin embargo, el proceso de sputtering es muy complejo y el rango del parámetro es amplio5,por lo que para lograr películas de alta calidad, es necesaria una buena comprensión del proceso y la optimización de parámetros para cada material.

Hay varios artículos que informan sobre la deposición de películas de óxido de niobio por sputtering, así como nitruro de niobio6 y carburo de niobio7. Entre los óxidos Nb, el pentóxido de niobio (Nb2O5) es un material transparente, estable al aire e insoluble en agua que exhibe un polimorfismo extenso. Es un semiconductor de tipo n con valores de separación de banda que van desde 3.1 a 5.3 eV, dando a estos óxidos una amplia gama de aplicaciones8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 ha atraído una atención considerable como un material prometedor para ser utilizado en células solares de perovskita debido a su eficiencia de inyección de electrones comparable y una mejor estabilidad química en comparación con el dióxido de titanio (TiO2). Además, la brecha de banda de Nb2O5 podría mejorar el voltaje de circuito abierto (Voc) de las celdas14.

En este trabajo, Nb2O5 fue depositado por sputtering reactivo bajo diferentes caudales de oxígeno. A bajos caudales de oxígeno, la conductividad de las películas se incrementó sin hacer uso del dopaje, lo que introduce impurezas en el sistema. Estas películas se utilizaron como capa de transporte de electrones en células solares de perovskita mejorando el rendimiento de estas células. Se encontró que la disminución de la cantidad de oxígeno induce la formación de vacantes de oxígeno, lo que aumenta la conductividad de las películas que conducen a las células solares con mejor eficiencia.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocolo

1. Grabado y limpieza del sustrato

  1. Utilizando un sistema de corte de vidrio, forme sustratos de 2,5 x 2,5 cm de óxido delgado de flúor (FTO).
  2. Proteger parte de la superficie del sustrato con una cinta térmica que deja 0,5 cm de un lado expuesto.
  3. Depositar una pequeña cantidad de polvo de zinc (suficiente para cubrir el área a grabar) en la parte superior de la FTO expuesta y dejar caer el ácido clorhídrico concentrado (HCl) en el polvo de zinc lentamente hasta que la reacción consuma todo el polvo de zinc. Inmediatamente después, enjuague el sustrato con agua desionizada (DI).
    ADVERTENCIA: El gas de hidrógeno en abundancia se genera a partir de la reacción de zinc y HCl.
  4. Retire la cinta y lávela con agua DI y jabón con un cepillo pequeño.
    NOTA: El cepillo ayuda a eliminar un poco de pegamento residual de la cinta.
  5. Deje el sustrato grabado en una solución de jabón (50% en agua) y guárdelo durante 15 minutos en un baño ultrasónico. Luego, sonicar durante 15 minutos en agua DI (2 veces), seguido de 10 minutos más en acetona y finalmente 10 minutos en alcohol isopropílico. Seque el sustrato con gas nitrógeno.

2. Deposición de películas de óxido de niobio

  1. Fijar el sustrato a través de una máscara de sombra que protege 0,5 cm de ambos lados.
    NOTA: En el lado donde se grabó la FTO, es importante certificar que la FTO está cubierta para evitar cortocircuitos al construir la célula.
  2. Introducir el sustrato en la cámara de sputtering y sellar la cámara.
  3. Encienda la bomba mecánica. En los primeros 10 minutos, cambie la válvula de 3 vías a la posición de desbaste para calentar su aceite y liberar agua para mejorar el bombeo. La bomba primaria funciona sola hasta que la presión es de 6 x 10-2 Torr.
  4. Cambie la válvula de 3 vías a la posición de respaldo y encienda la bomba molecular turbo. Una vez iniciada la bomba molecular, abra la válvula de compuerta en la entrada de la bomba de vacío. La deposición comienza cuando la presión alcanza 3 x 10-6 torr.
    NOTA: Antes de iniciar la bomba molecular, el vacío primario debe ser superior a 6 x 10-2 torr, sin embargo, no superior a 5 x 10-2 torr con el fin de evitar la contaminación de la cámara con aceite de la bomba.
  5. Cuando el vacío alcance 5 x 10-5 torr, abra el sistema de enfriador de agua y encienda el sistema de calefacción de sustrato. Ajuste la temperatura a 500 oC. Aumente la temperatura lentamente, 100 oC cada 5 min hasta que alcance el valor deseado.
  6. Establezca los parámetros de gases que se utilizarán en la deposición: argón de 40 sccm y oxígeno de 3 a 10 sccm.
    NOTA: El caudal de oxígeno fue variado en cada deposición: 3, 3.5, 4 y 10 sccm. El oxígeno reacciona con el niobio formando óxido de niobio.
  7. Introducir argón en la cámara, y ajuste la presión a 5 x 10-3 torr y la radiofrecuencia (RF) a 120 W. Encienda la RF y ajuste usando la caja de coincidencia de impedancia. En caso de que el plasma no comience, aumente la presión lentamente hasta que alcance 2 x 10-2 Torr. En esta presión, el plasma debe comenzar. Ajuste la presión utilizando una válvula de compuerta que se puede abrir o cerrar para cambiar la velocidad de bombeo.
  8. Mantenga el plasma a 120 W durante 10 minutos para limpiar el objetivo de niobio eliminando cualquier capa de óxido presente en su superficie.
    NOTA: Durante la limpieza del objetivo, el obturador del sustrato se mantiene cerrado para proteger el sustrato de cualquier deposición de material.
  9. Introducir oxígeno en la cámara, después de la estabilización, ajustar la potencia de radiofrecuencia a 240 W y abrir el obturador de sustrato. Comienza la deposición. Establezca el tiempo de deposición para que tenga un espesor final de 100 nm basado en estudios anteriores que determinaron la tasa de deposición. Para cada condición de deposición se espera una tasa de deposición diferente, por lo que el tiempo de deposición también difiere.
  10. Una vez completado el tiempo de deposición, cierre el obturador inmediatamente, apague la RF, cierre los gases y disminuya la temperatura del sustrato a temperatura ambiente.
  11. A medida que la temperatura del sustrato alcance la temperatura ambiente, introduzca aire para restablecer la presión ambiental y abrir la cámara..
    NOTA: Por lo general, el sistema tarda 4 h en alcanzar una temperatura de 40 oC.

3. Construcción de las células solares

  1. Preparación de las soluciones utilizadas para construir los dispositivos
    1. Solución de pasta TiO2: Mezclar 150 mg de Pasta2 en 1 ml de agua DI. Revuelva durante 1 día antes de usarlo.
      NOTA: Mantenga la suspensión agitando incluso cuando no la esté utilizando para asegurarse de que la suspensión siempre es homogénea.
    2. Preparar la solución de yoduro de plomo (PbI2) mezclando 420 mg de PbI2 en 1 ml de dimetilformamida anhidra. Utilice únicamente disolventes anhidros.
    3. Preparar la solución de yoduro de metilamonio (CH3NH3I) añadiendo 8 mg de CH3NH3I en 1 ml de alcohol isopropílico (IPA).
      NOTA: El contenido de agua en IPA debe ser inferior al 0,0005%.
  2. Deposite la capa mesoporosa TiO2 en la parte superior de la capa de óxido de niobio utilizando una recubridora de espín a 4.000 rpm durante 30 s.
  3. Poner el sustrato en el horno siguiendo los pasos: 270 oC durante 30 min; 370 oC durante 30 min y 500 oC durante 1 h. Espere hasta que el horno alcance la temperatura ambiente y retire el sustrato.
    NOTA: El tratamiento térmico descompone la parte orgánica de la pasta dejando una capa porosa sobre la película.
  4. Deposite dos capas de PbI2 en la parte superior del TiO2 mesoporoso usando una recubridora de espín a 6.000 rpm durante 90 s y después de cada deposición coloque el sustrato en una placa caliente a 70 oC durante 10 minutos.
    NOTA: La deposición de PbI2 debe estar dentro de una guantera llena de nitrógeno puro o argón y con atmósfera controlada (agua y oxígeno < 0,1 ppm).
  5. Deposite la solución CH3NH3I. Drop 0.3 mL de CH3NH3I solución en PbI2, esperar 20 s y luego girar a 4.000 rpm durante 30 s. Coloque el sustrato en una placa caliente a 100 oC durante 10 minutos.
    NOTA: La deposición CH3NH3I debe estar dentro de una guantera. La cantidad total de CH3NH3I solución debe caer rápidamente en un solo paso.
  6. Deposite la solución Spiro-OMeTAD en la parte superior de la capa de perovskita mediante recubrimiento de espín a 4.000 rpm durante 30 s. Deje el sustrato en una atmósfera de oxígeno durante la noche.
    NOTA: La deposición Spiro-OMeTAD debe estar dentro de una guantera. Después de la deposición, es importante dejar el sustrato durante la noche en una atmósfera de oxígeno con el fin de oxidar el Spiro- OMeTAD aumentando su conductividad.
  7. Evaporar 70 nm de contacto dorado usando una máscara de sombra a una velocidad de 0.2 A/s hasta que se alcance 5 nm y luego aumentar la tasa a 1 A/s.
    NOTA: Es importante utilizar una velocidad lenta al principio para evitar la difusión de oro a través de la celda.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Resultados

En el sistema de sputtering, la tasa de deposición está fuertemente influenciada por el caudal de oxígeno. La tasa de deposición disminuye cuando se aumenta el flujo de oxígeno. Teniendo en cuenta las condiciones actuales del área objetivo utilizada y la potencia plasmática, se observa que de 3 a 4 sccm hay una disminución expresiva en la tasa de deposición, sin embargo, cuando el oxígeno se incrementa de 4 a 10 sccm se vuelve menos pronunciado. En el régimen de 3 sccm la tasa de deposición es de 1,1 nm/s, di...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discusión

Las películas de óxido de niobio preparadas en este trabajo se utilizaron como capa de transporte de electrones en células solares de perovskita. La característica más importante requerida para una capa de transporte de electrones es evitar la recombinación, el bloqueo de agujeros y la transferencia eficiente de electrones.

En este sentido, el uso de la técnica de sputtering reactivo es ventajoso ya que produce películas densas y compactas. También, como ya se ha mencionado, en compar...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

La obra fue apoyada por la Fundación de Amparo á Pesquisa do Estado de Sao Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de Materiais Cerémicos (CDMF- FAPESP No 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 y 2017/18916-2). Agradecimiento especial al profesor Máximo Siu Li por las mediciones pl.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
2-propanolMerck67-63-0solvent with maximum of 0.005% H2O
4-tert-butylpyridineSigma Aldrich3978-81-2chemical with 96% purity
acetonitrileSigma Aldrich75-05-8anhydrous solvent , 99.8% purity
bis(trifluoromethane)sulfonimide lithium saltSigma Aldrich90076-65-6chemical with ≥99.95% purity
chlorobenzeneSigma Aldrich108-90-7anhydrous solvent , 99.8% purity
ethanolSigma Aldrich200-578-6solvent
Fluorine doped tin oxide (SnO2:F) glass substrateSolaronixTCO22-7/LIsubstrate to deposit films
Kaptom tapeUsinainfo04227thermal tape used to cover the substrates
Kurt J Lesker magnetron sputtering systemKurt J Lesker------Sputtering equipment used to deposit compact films
Lead (II) iodideAlfa Aesar10101-63-0PbI2 salt- 99.998% purity
methylammonium iodideDyesol14965-49-2CH3NH3I salt
N2,N2,N2′,N2′,N7,N7,N7′,N7′-octakis (4-methoxyphenyl)-9,9′-spirobi [9H-fluorene]-2,2′,7,7′-tetramineSigma Aldrich207739-72-8Spiro-OMeTAD salt, 99% purity
Niobium target of 3”CBMM- Brazilian Metallurgy and Mining Company------niobium sputtering target used in the sputtering system
N-N dimethylformamideMerck68-12-2solvent with maximum of 0.003% H2O
TiO2 pasteDyesolDSL 30NR-Dtitanium dioxide paste
tris(2-(1H-pyrazol-1-yl)-4-tert-butylpyridine)cobalt(III) tri[bis(trifluoromethane)sulfonimide]Dyesol329768935FK 209 Co(III) TFSL salt

Referencias

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reimpresiones y Permisos

Solicitar permiso para reutilizar el texto o las figuras de este JoVE artículos

Solicitar permiso

Explorar más artículos

Qu micaN mero 151pel cula de xido de niobiosputtering reactivopel culas compactascapa de transporte de electronesconductividadc lula solar de perovskita

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacidad

Condiciones de uso

Políticas

Contáctenos

RECOMIENDE A LA BIBLIOTECA

BOLETINES de JoVE

Investigación

Educación

Autores

Bibliotecarios

ACERCA DE JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos los derechos reservados