Filmes de Nb2O5 crescidos por Sputtering aplicados em células solares de perovskita.
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Data
Orientador
Silva, José Humberto Dias da 
Coorientador
Pós-graduação
Ciência e Tecnologia de Materiais - FC/FCAT/FCLAS/FCT/FEB/FEC/FEG/FEIS/IBB/ICE/ICTS/IQAR
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
Este trabalho investiga as influências da temperatura do substrato durante a deposição e do tratamento térmico pós-deposição nas propriedades físicas de filmes finos de Nb2O5 depositados por RF-Magnetron Sputtering reativo e como esses parâmetros afetam as propriedades, a estabilidade e a eficiência das células solares. Foram realizadas análises estruturais, morfológicas, ópticas e elétricas para os filmes de Nb2O5, para a perovskita Cs0,17Fa0,83Pb(Br0,17I0,83)3 e para as células completas.
Os resultados mostraram que a elevação da temperatura de deposição de 25 ºC para 600 ºC levou a menores desordens estruturais, defeitos superficiais e resistividade. No entanto, para deposições a 800 ºC, observou-se uma inversão do comportamento: a resistividade aumentou e o filme sofreu uma mudança em seu tipo de portadores majoritários (de n para p), diminuindo sua condutividade. O tratamento térmico em 550 ºC e 800ºC após a deposição dos filmes resultou na cristalização do Nb2O5 na fase pseudo-hexagonal, levando à formação de grãos micrométricos e aumentando a rugosidade superficial dos filmes, entretanto os filmes crescidos a 800 ºC também experimentaram um aumento de densidade de portadores e mobilidade com o tratamento térmico a 800 ºC.
Para investigar a influência dos filmes finos de Nb2O5 como camada transportadora de elétrons, principalmente nos efeitos de interface e de degradação ao longo do tempo, realizou-se a deposição da perovskita híbrida Cs0,17Fa0,83Pb(Br0,17I0,83)3 sobre FTO e FTO/Nb2O5, seguida de caracterizações estruturais, morfológicas e ópticas ao longo do tempo. Os resultados mostraram uma degradação mais rápida da perovskita quando depositada diretamente sobre Nb2O5, com aparecimento de PbI2 logo no terceiro dia, além de uma queda no espalhamento óptico da interface entre esses dois materiais. Esse resultado é possivelmente associado ao maior número de sítios ativos na superfície do Nb2O5, que podem acelerar o processo de degradação da perovskita ao longo do tempo de exposição ao ambiente.
O estudo da influência dos parâmetros de deposição do Nb2O5 nas células solares foi realizado em duas configurações: sem e com a camada de TiO2-mesoporoso entre o filme planar de Nb2O5 e a perovskita Cs0,17Fa0,83Pb(Br0,17I0,83)3. A utilização da camada de TiO2-mesoporoso visou mitigar a rápida degradação da perovskita quando em contato direto com o Nb2O5. Os dispositivos com a camada de TiO2-mesoporoso apresentaram eficiência inicial entre 16 e 19%, independente do sentido de varredura, com os primeiros picos de PbI2 aparecendo somente a partir do 14º dia. Já as células sem o TiO2-mesoporoso apresentaram eficiência inicial entre 8 e 16% dependendo do sentido de varredura, com os primeiros picos de PbI2 aparecendo logo no 3º dia.
Os dispositivos que apresentaram melhor estabilidade foram os que o filme de Nb2O5 foi crescido a 800ºC e passou por um pós tratamento térmico de 550ºC. Neste caso, a eficiência obtida após 30 dias para as células solares utilizado a camada de TiO2-mesoporoso foi de 14%, e sem a camada mesoporosa foi de aproximadamente 3%. Esses resultados indicam que a camada de TiO2-mesoporoso desacelerou o processo de degradação sem prejudicar a extração de portadores.
Em síntese, observou-se que a deposição de filmes de Nb2O5 a 25 ºC e 600 ºC resulta em menor resistividade e maior densidade de portadores, com destaque para a última temperatura. Em contrapartida, os filmes crescidos em 800 ºC apresentam maior resistividade e menor densidade de portadores quando comparados com os filmes crescidos a 25 ºC, além de apresentar como portadores majoritários os buracos. Quando integrados em células solares, os dispositivos utilizando os filmes crescidos a 25 ºC e 600 ºC exibiram eficiências iniciais superiores; entretanto, sua estabilidade temporal foi inferior à dos dispositivos construídos utilizando o Nb2O5 crescido a 800ºC (e submetido a tratamento térmico a 550 ºC). Os resultados apresentados demonstram a influência determinante da temperatura de deposição e do tratamento térmico nas propriedades físico-químicas do Nb2O5 e, consequentemente, no desempenho fotovoltaico, contribuindo significativamente para o avanço do conhecimento nesta área.
Resumo (inglês)
This work investigated the influence of substrate temperature during deposition and post-deposition heat treatment on the physical properties of Nb2O5 (thin films deposited by RF-Magnetron Sputtering, and how these modifications affected the properties, stability, and efficiency of solar cells. Structural, morphological, optical, and electrical analyses were performed for individual Nb2O5 films, the Cs0,17Fa0,83Pb(Br0,17I0,83)3 perovskite, and complete solar cell devices.
Results showed that increasing the deposition temperature of 25 ºC to 600 °C led to lower structural disorder, surface defects, and resistivity. However, for depositions at 800 °C, a reversal in behavior was observed: resistivity increased, and the film underwent a change in its majority carrier type (from n-type to p-type), decreasing its conductivity. Heat treatments at 550 °C and 800 °C after deposition resulted in the crystallization of Nb2O5 in the pseudo-hexagonal phase, leading to the formation of micrometric grains and increasing the surface roughness, however, films grown at 800 ºC also experienced an increase in carrier density and mobility with the 800 ºC heat treatment.
To investigate the influence of Nb2O5 thin films as an electron transport layer, particularly concerning interface effects and degradation over time, the hybrid perovskite Cs0,17Fa0,83Pb(Br0,17I0,83)3 was deposited onto FTO and FTO/Nb2O5 substrates, followed by structural, morphological, and optical characterizations over time. The results showed faster degradation of the perovskite when deposited directly onto Nb2O5, with PbI2 peaks appearing as early as the third day, along with a decrease in light scattering at the interface between these two materials. This result is likely associated with the higher number of active sites on the Nb2O5 surface, which may accelerate the perovskite degradation process during exposure to the ambient environment.
The study of the influence of Nb2O5 deposition parameters on solar cells was conducted in two configurations: with and without a mesoporous TiO2 layer between the planar Nb2O5 film and the Cs0,17Fa0,83Pb(Br0,17I0,83)3 perovskite. The use of the mesoporous TiO2 layer aimed to mitigate the rapid degradation of the perovskite when in direct contact with Nb2O5. Devices featuring the mesoporous layer exhibited initial efficiencies between 16% and 19%, regardless of the scan direction, with the first PbI2 peaks appearing only after the 14th day. In contrast, cells without the mesoporous TiO2 layer slowed initial efficiencies between 8% and 16% depending on the scan direction, with PbI2 peaks emerging as early as the 3rd day.
The devices that demonstrated the best stability were those in which the Nb2O5 film was grown at 800 °C and underwent a post heat treatment at 550 °C. In this case, the efficiency obtained after 30 days for solar cells using the mesoporous TiO2 layer was 14%, while those without the mesoporous layer reached approximately 3%. These results indicate that the mesoporous TiO2 layer effectively slowed the degradation process without hindering carrier extraction.
In summary, it was observed that the deposition of Nb2O5 films at 25 °C and 600 °C results in lower resistivity and higher carrier density, particularly at the latter temperature. Conversely, films grown at 800 °C exhibit higher resistivity and lower carrier density, with holes becoming the majority carriers. When integrated into solar cells, devices using films grown at 25 °C and 600 °C exhibited superior initial efficiencies; however, their temporal stability was inferior to that of devices fabricated using Nb2O5 grown at 800 °C (and subjected to thermal treatment at 550 °C). The results presented here demonstrate the determining influence of deposition temperature and thermal treatment on the physicochemical properties of Nb2O5 and, consequently, on photovoltaic performance, contributing significantly to the advancement of knowledge in this field.
Descrição
Palavras-chave
Nb2O5, Filmes finos, Sputtering reativo, Temperatura de deposição, Tratamento térmico, Perovskita híbrida, Célula solar, Thin film, Reactive Sputtering, Deposition temperature
Idioma
Português
Citação
SANTOS, Stevan Brayan Oliveira dos. Filmes de Nb2O5 crescidos por Sputtering aplicados em células solares de perovskita. 2026. Tese (Doutorado em Ciência e Tecnologia de Materiais) – Faculdade de Ciências, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Bauru, 2026.
