Síntese, caracterização óptica e de superfície de filme fino de Nb2O5 para ETL em células solares de perovskita

Abstract

Este estudo investiga a deposição de filmes finos de Nb2O5 em substratos de vidro utilizando a técnica de DC-pulsado Magnetron Sputtering, com foco na influência do comprimento do pulso e da pressão de oxigênio. O sistema de pulverização catódica utilizou uma câmara de aço inoxidável com alvo metálico de Nb sob condições controladas. Duas séries de experimentos foram conduzidas, variando a duração do pulso e a pressão do oxigênio. A primeira série explorou comprimentos de pulso de 170 µs, 250 µs, 330 µs, 410 µs e 600 µs, mantendo pressões constantes de O2 e Ar em 1 mTorr e 2 mTorr, respectivamente. A segunda série manteve uma duração de pulso de 250 µs, um tempo de deposição de 30 minutos e uma pressão de argônio de 2 mTorr, variando a pressão de O2 (0,25 mTorr, 0,50 mTorr e 1,00 mTorr). A espectroscopia de emissão óptica (OES) foi empregada para analisar o plasma, revelando características distintas da fonte de alimentação DC-pulsada e radiofrequência (RF) aplicada ao alvo. A espessura do filme foi medida usando um perfilômetro Veeco Instruments, e as propriedades ópticas foram estudadas via espectroscopia infravermelha ultravioleta-visível (UV-Vis-NIR). A molhabilidade foi avaliada através de medidas de ângulo de contato enquanto a estrutura dos filmes foi verificada por difração de raios X. Os resultados demonstram que o aumento do comprimento do pulso se correlaciona com taxas de deposição mais altas, enquanto a influência da pressão de O2 nas taxas de deposição é mais complexa. A análise OES revelou linhas de emissão específicas correspondentes a Ar I e O2+ no plasma, destacando processos de ionização e dissociação. As propriedades ópticas dos filmes foram caracterizadas por espectros de transmissão e reflexão, apresentando bordas de absorção indicativas de transições de band gap. Gráficos de Tauc e o método Cisneros foram empregados para determinar intervalos de bandas ópticas, índices de refração e coeficientes de extinção. Os resultados indicam que, embora o comprimento do pulso não tenha impacto significativo nas propriedades ópticas, uma pressão mais baixa de O2 leva a um intervalo de banda menor e a um aumento no índice de refração, indicando potencialmente alteração na composição da fase e na compactação do filme. Este estudo abrangente fornece informações valiosas sobre a otimização de filmes finos de Nb2O5 para diversas aplicações, considerando propriedades estruturais e ópticas influenciadas por parâmetros de deposição DC-pulsada.