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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

Qui, presentiamo un protocollo per la deposizione di pellicole di ossido di niobium eseguendo sputtering reattivamente con diverse velocità di flusso di ossigeno da utilizzare come strato di trasporto di elettroni nelle celle solari perovskite.

Abstract

Lo sputtering reattivo è una tecnica versatile utilizzata per formare pellicole compatte con un'eccellente omogeneità. Inoltre, consente un facile controllo sui parametri di deposizione come la portata del gas che si traduce in cambiamenti sulla composizione e quindi nelle proprietà richieste della pellicola. In questa relazione, lo sputtering reattivo viene utilizzato per depositare pellicole di ossido di niobium. Un obiettivo di niobium viene utilizzato come fonte metallica e diverse portate di ossigeno per depositare pellicole di ossido di niobium. La portata dell'ossigeno è stata modificata da 3 a 10 mccm. Le pellicole depositate con bassi flussi di ossigeno mostrano una maggiore conduttività elettrica e forniscono celle solari perovskite migliori se utilizzate come strato di trasporto di elettroni.

Introduzione

La tecnica dello sputtering è ampiamente utilizzata per depositare film di alta qualità. La sua applicazione principale è nell'industria dei semiconduttori, anche se viene utilizzato anche nel rivestimento superficiale per migliorare le proprietà meccaniche e gli strati riflettenti1. Il vantaggio principale dello sputtering è la possibilità di depositare materiali diversi su diversi substrati; la buona riproducibilità e il controllo sui parametri di deposizione. La tecnica di sputtering permette la deposizione di pellicole omogenee, con buona adesione su grandi aree e a basso costo rispetto ad altri metodi di deposizione come la deposizione chimica del vapore (CVD), l'epitaxy del fascio molecolare (MBE) e la deposizione dello strato atomico (ALD) 1,2. Comunemente, le pellicole semiconduttori depositate dallo sputtering sono amorfa o policristalli, tuttavia, ci sono alcuni rapporti sulla crescita epitassiale sputtering3,4. Tuttavia, il processo di sputtering è altamente complesso e la gamma del parametro è ampia5, quindi per ottenere pellicole di alta qualità, una buona comprensione del processo e l'ottimizzazione del parametro è necessaria per ogni materiale.

Ci sono diversi articoli che riportano sulla deposizione di pellicole di ossido di niobium da sputtering, così come niobium nitride6 e niobium carbide7. Tra gli ossidi ninfati, il pentossido di niobium (Nb2O5)è un materiale trasparente, stabile nell'aria e insolubile che presenta un ampio polimorfismo. Si tratta di un semiconduttore di tipo n con valori di gap di banda che vanno da 3.1 a 5.3 eV, dando a questi ossidi una vasta gamma di applicazioni8,9,10,11,12,13 ,14,15,16,17,18,19. Nb2O5 ha attirato una notevole attenzione come materiale promettente da utilizzare nelle celle solari perovskite a causa della sua comparabile efficienza di iniezione di elettroni e di una migliore stabilità chimica rispetto al biossido di titanio (TiO2). Inoltre, lo spazio di banda di Nb2O5 potrebbe migliorare la tensione a circuito aperto (Voc) delle celle14.

In questo lavoro, Nb2O5 è stato depositato da sputtering reattivo sotto diverse portate di ossigeno. A basse velocità di flusso di ossigeno, la conduttività delle pellicole è stata aumentata senza fare uso di doping, che introduce impurità sul sistema. Questi film sono stati utilizzati come strato di trasporto di elettroni nelle celle solari perovskite migliorando le prestazioni di queste celle. Si è scoperto che diminuire la quantità di ossigeno induce la formazione di posti vacanti di ossigeno, che aumenta la conduttività dei film che portano alle celle solari con una migliore efficienza.

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Protocollo

1. Incisione e pulizia del substrato

  1. Utilizzando un sistema di taglio del vetro, formare 2,5 x 2,5 cm di ossido sottile al fluoruro (FTO).
  2. Proteggere parte della superficie del substrato con un nastro termico che lascia esporre 0,5 cm di un lato.
  3. Depositare una piccola quantità di polvere di zinco (abbastanza da coprire l'area da incisa) sulla parte superiore dell'FTO esposto e far cadere lentamente l'acido cloridrico concentrato (HCl) sulla polvere di zinco fino a consumare tutta la polvere di zinco dalla reazione. Subito dopo, sciacquare il substrato con acqua deionizzata (DI).
    AVVISO: Il gas di idrogeno in abbondanza è generato dalla reazione di zinco e HCl.
  4. Rimuovere il nastro e lavare con ACQUA E sapone CON un piccolo pennello.
    NOTA: Il pennello aiuta a rimuovere un po 'di colla residua dal nastro.
  5. Lasciare il substrato inciso in una soluzione di sapone (50% in acqua) e tenerlo per 15 min in un bagno ultrasonico. Quindi, sonicare per 15 min in acqua DI (2 volte), seguito da 10 più min in acetone e infine 10 min in alcool isopropile. Asciugare il substrato con gas di azoto.

2. Deposizione di pellicole di ossido di niobium

  1. Fissare il substrato attraverso una maschera d'ombra che protegge 0,5 cm di entrambi i lati.
    NOTA: Sul lato in cui l'FTO è stato inciso, è importante certificare che l'FTO è coperto al fine di evitare cortocircuiti durante la costruzione della cella.
  2. Introdurre il substrato nella camera di sputtering e sigillare la camera.
  3. Avviare la pompa meccanica. Nei primi 10 minuti, cambiare la valvola a 3 vie in posizione di sgrossatura per riscaldare il suo olio e rilasciare acqua per migliorare il pompaggio. La pompa primaria funziona da sola fino a quando la pressione è 6 x 10-2 Torr.
  4. Cambiare la valvola a 3 vie in posizione di sostegno e attivare la pompa molecolare turbo. Una volta avviata la pompa molecolare, aprire la valvola del cancello all'ingresso della pompa a vuoto. La deposizione inizia quando la pressione raggiunge il 3 x 10-6 torr.
    NOTA: Prima di avviare la pompa molecolare, il vuoto primario deve essere migliore di 6 x 10-2 torr, tuttavia, non superiore a 5 x 10-2 torr al fine di evitare di contaminare la camera con olio pompa.
  5. Quando il vuoto raggiunge 5 x 10-5 torr, aprire il sistema di raffreddamento ad acqua e accendere il sistema di riscaldamento del substrato. Impostare la temperatura a 500 gradi centigradi. Aumentare lentamente la temperatura, 100 gradi centigradi ogni 5 min fino a raggiungere il valore desiderato.
  6. Impostare i parametri dei gas da utilizzare nella deposizione: argon di 40 sccm e ossigeno da 3 a 10 mrcm.
    NOTA: La portata dell'ossigeno è stata variata in ogni deposizione: 3, 3.5, 4 e 10 sccm. L'ossigeno reagisce con il niobium che forma ossido di niobium.
  7. Introdurre argon sulla camera e impostare la pressione su 5 x 10-3 torr e la frequenza radio (RF) a 120 W. Accendere la RF e sintonizzarsi utilizzando la casella di corrispondenza impedibile. Nel caso in cui il plasma non si avvia, aumentare lentamente la pressione fino a raggiungere 2 x 10-2 Torr. In questa pressione, il plasma dovrebbe iniziare. Impostare la pressione utilizzando una valvola di cancello che può essere aperta o chiusa per modificare la velocità di pompaggio.
  8. Mantenere il plasma a 120 W per 10 min per pulire il bersaglio del niobium rimuovendo qualsiasi strato di ossido presente nella sua superficie.
    NOTA: Durante la pulizia del bersaglio, l'otturatore del substrato viene tenuto chiuso per proteggere il substrato da qualsiasi deposizione di materiale.
  9. Introdurre ossigeno nella camera, dopo la stabilizzazione, impostare la potenza di radiofrequenza a 240 W e aprire l'otturatore del substrato. La deposizione inizia. Impostare il tempo di deposizione per avere uno spessore finale di 100 nm in base agli studi precedenti che hanno determinato il tasso di deposizione. Per ogni condizione di deposizione è previsto un tasso di deposizione diverso, quindi anche il tempo di deposizione differisce.
  10. Una volta completato il tempo di deposizione, chiudere immediatamente l'otturatore, spegnere la RF, chiudere i gas e diminuire la temperatura del substrato a temperatura ambiente.
  11. Quando la temperatura del substrato raggiunge la temperatura ambiente, introdurre l'aria per ristabilire la pressione ambiente e aprire la camera..
    NOTA: In genere, il sistema impiega 4 h per raggiungere una temperatura di 40 gradi centigradi.

3. Costruire le celle solari

  1. Preparazione delle soluzioni utilizzate per la costruzione dei dispositivi
    1. Soluzione di pasta TiO2: Mescolare 150 mg di TiO2 pasta in 1 mL di acqua DI. Mescolare per 1 giorno prima dell'uso.
      NOTA: Mantenere la sospensione anche quando non viene in uso per essere sicuri che la sospensione sia sempre omogenea.
    2. Preparare la soluzione di iosudo di piombo (PbI2) mescolando 420 mg di PbI2 in 1 mL di anidrodo dimetilformamide. Utilizzare solo solventi anhydrous.
    3. Preparare la soluzione di iodido di metilonio (CH3NH3I) aggiungendo 8 mg di CH3NH3I in 1 mL di alcol isopropile (IPA).
      NOTA: il contenuto di acqua in IPA deve essere inferiore allo 0,0005%.
  2. Depositare lo strato mesoporoso TiO2 sopra lo strato di ossido di niobium utilizzando un rivestimento di spin a 4.000 giri per 30 s.
  3. Mettere il substrato sul forno seguendo i passi: 270 gradi centigradi per 30 min; 370 gradi centigradi per 30 min e 500 gradi centigradi per 1 h. Attendere che il forno raggiunga la temperatura ambiente e rimuovere il substrato.
    NOTA: Il trattamento termico scompone la parte organica della pasta lasciando uno strato poroso sopra la pellicola.
  4. Depositare due strati di PbI2 sopra il TiO2 mesoporoso utilizzando un rivestimento di spin a 6.000 rpm per 90 s e dopo ogni deposizione mettere il substrato in una piastra calda a 70 s per 10 min.
    NOTA: La deposizione di PbI2 deve trovarsi all'interno di una scatola di guanti piena di azoto puro o argon e con atmosfera controllata (acqua e ossigeno < 0,1 ppm).
  5. Depositare la soluzione CH3NH3I. Spogli 0,3 mL di CH3NH3I soluzione su PbI2, attendere 20 s e poi girare a 4.000 rpm per 30 s. Mettere il substrato su una piastra calda a 100 gradi Centigradi per 10 min.
    NOTA: La deposizione CH3NH3I deve trovarsi all'interno di un vano portaoggetti. La quantità totale di CH3NH3I soluzione deve essere eliminato rapidamente in un solo passaggio.
  6. Depositare la soluzione Spiro-OMeTAD sopra lo strato di perovskite facendo spin coating a 4.000 rpm per 30 s. Lasciare il substrato in un'atmosfera di ossigeno durante la notte.
    NOTA: la deposizione Spiro-OMeTAD deve trovarsi all'interno di un vano portaoggetti. Dopo la deposizione, è importante lasciare il substrato durante la notte in un'atmosfera di ossigeno al fine di ossidare lo Spiro- OMeTAD aumentando la sua conduttività.
  7. Evaporare 70 nm di contatto d'oro utilizzando una maschera d'ombra ad una velocità di 0,2 A/s fino a 5 nm viene raggiunto e quindi aumentare la velocità a 1 A/s.
    NOTA: È importante utilizzare una velocità lenta all'inizio per prevenire la diffusione dell'oro attraverso la cellula.

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Risultati

Nel sistema di sputtering, il tasso di deposizione è fortemente influenzato dalla portata dell'ossigeno. Il tasso di deposizione diminuisce quando aumenta il flusso di ossigeno. Considerando le attuali condizioni dell'area bersaglio utilizzata e la potenza plasmatica, si osserva che da 3 a 4 mccm c'è una diminuzione espressiva del tasso di deposizione, tuttavia, quando l'ossigeno viene aumentato da 4 a 10 mccm diventa meno pronunciato. Nel regime di 3 sccm il tasso di deposizione è di 1,1 nm/s, diminuendo bruscamente ...

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Discussione

I film di ossido di niobium preparati in questo lavoro sono stati utilizzati come strato di trasporto elettronico nelle celle solari perovskite. La caratteristica più importante richiesta per uno strato di trasporto di elettroni è prevenire la ricombinazione, il blocco dei fori e il trasferimento efficiente di elettroni.

A questo proposito l'uso della tecnica reattiva dello sputtering è vantaggioso in quanto produce pellicole dense e compatte. Inoltre, come già accennato, rispetto a sol-ge...

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Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Riconoscimenti

L'opera è stata sostenuta da Fundao de Amparo à Pesquisa do Estado de S'o Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de Materiais Cermicos (CDMF- FAPESP N. 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/09963-6 e 2017/18916-2). Un ringraziamento speciale al professor Maximo Siu Li per le misurazioni PL.

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Materiali

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

Riferimenti

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