Гидроксид ниобия: Ниобия (V) гидроксид, 98% | chemcraft.ru

alexxlab | 17.04.2023 | 0 | Разное

НИОБИЙ • Большая российская энциклопедия

НИО́БИЙ (лат. Niobium), Nb, хи­мич. эле­мент V груп­пы ко­рот­кой фор­мы (5-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 41; ат. м. 92,9064. В при­ро­де один ста­биль­ный изо­топ ⁹³Nb; ис­кус­ствен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 81–113.

Историческая справка

От­крыт в 1801 англ. хи­ми­ком Ч. Хат­чет­том и на­зван «ко­лум­би­ем» (по про­ис­хо­ж­де­нию ми­не­ра­ла, из ко­то­ро­го был вы­де­лен Хат­чет­том в ви­де ок­си­да). В те­че­ние не­сколь­ких де­ся­ти­ле­тий ко­лум­бий и близ­кий ему по свой­ст­вам тан­тал счи­та­ли од­ним и тем же эле­мен­том. Ин­ди­ви­ду­аль­ность ко­лум­бия бы­ла до­ка­за­на в 1844, ко­гда он был вто­рич­но «от­крыт» нем. хи­ми­ком Г. Ро­зе и на­зван «Н.» (по име­ни Нио­бы – до­че­ри Тан­та­ла в др.-греч. ми­фо­ло­гии; назв. под­чёр­ки­ва­ет сход­ст­во свойств Н. и тан­та­ла). В 1845 Ро­зе ус­та­но­вил, что Н. иден­ти­чен ко­лум­бию. В ря­де стран (США, Анг­лия) бо­лее 100 лет исполь­зо­ва­лось назв. «ко­лум­бий» (Co­lum­bium, Cb). Назв. «Н.» ут­вер­жде­но ИЮПАК в 1950.

Распространённость в природе

Н. от­но­сит­ся к ред­ким эле­мен­там. Со­дер­жа­ние Н. в зем­ной ко­ре 2·10^–3% по мас­се, ча­ще все­го встре­ча­ет­ся со­вме­ст­но с Та и Ti. Важ­ней­шие ми­не­ра­лы: ко­лум­бит-тан­та­лит (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆, пи­ро­хлор (Na,Ca)₂(Nb,Ti)₂(OH,F)O₆, ло­па­рит (Na,Ce,Ca)(Nb,Ti)O₃ (см. Нио­бие­вые ру­ды). Н. со­дер­жат так­же оло­вян­ные ру­ды.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­них элек­трон­ных обо­ло­чек ато­ма Н. 4d⁴5s¹; в со­еди­не­ни­ях обыч­но про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +5, ре­же от +1 до +4; энер­гии ио­ни­за­ции при пе­ре­хо­де от Nb⁰ к Nb⁵⁺ со­от­вет­ст­вен­но рав­ны 6,9, 14,3, 25,1, 38,3, 50,6, 103,0 и 124,6 эВ; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,6; атом­ный ра­ди­ус 145 пм, ра­ди­ус ио­нов (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6) Nb³⁺ 86 пм, Nb⁴⁺ 82 пм, Nb⁵⁺ 78 пм.

В сво­бод­ном ви­де Н. – бле­стя­щий се­реб­ри­сто-се­рый ме­талл; кри­стал­лич. ре­шёт­ка ку­би­че­ская объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ная; плот­ность 8570 кг/м³, t_пл 2477 °C, t_кип ок. 4760 °C; те­п­ло­про­вод­ность 52,3 Вт/(м·К) при 20 °C; удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние 1,522·10^–9 Ом·м при 0 °C; па­ра­маг­ни­тен, удель­ная маг­нит­ная вос­при­им­чи­вость 2,76·10^–8 м³/кг; темп-ра пе­ре­хо­да в сверх­про­во­дя­щее со­стоя­ние 9,25 К.

В чис­том ви­де Nb пла­сти­чен, ко­вок, лег­ко под­да­ёт­ся об­ра­бот­ке дав­ле­ни­ем на хо­ло­ду. При­ме­си H, N, C и О силь­но сни­жа­ют пла­стич­ность и по­вы­ша­ют хруп­кость Nb.

При нор­маль­ных ус­ло­ви­ях Н. хи­ми­че­ски сто­ек. Ком­пакт­ный ме­талл на­чи­на­ет окис­лять­ся на воз­ду­хе при темп-ре 200–300 °C, бы­ст­ро окис­ля­ет­ся при на­гре­ва­нии вы­ше 500 °C (c об­ра­зо­ва­ни­ем ок­си­дов). Спо­со­бен по­гло­щать га­зы – Н₂, N₂ и O₂. Ин­тен­сив­но по­гло­ща­ет Н₂ при темп-ре ок. 360 °C и об­ра­зу­ет твёр­дый рас­твор вне­дре­ния и очень хруп­кий гид­рид NbH, ко­то­рый раз­ла­га­ет­ся в ва­куу­ме при темп-ре вы­ше 600 °C. В осо­бых ус­ло­ви­ях вы­де­лен NbH₂. При темп-ре вы­ше 400 °C Н. по­гло­ща­ет N₂, при бо­лее вы­со­ких темп-рах об­ра­зу­ет ту­го­плав­кие нит­ри­ды Nb₂N, NbN (t_пл 2300 °C). Взаи­мо­дей­ст­ву­ет с га­ло­ге­на­ми, об­ра­зуя ле­ту­чие пен­та­га­ло­ге­ни­ды, а так­же ряд низ­ших га­ло­ге­ни­дов. Вы­де­ле­ны мно­го­числ. ок­си­га­ло­ге­ни­ды Н. С уг­ле­во­до­ро­да­ми, СО и С при темп-ре 1200–1500 °C об­ра­зу­ет твёр­дые рас­тво­ры С и ту­го­плав­кие кар­би­ды Nb₂C (t_пл 2990 °C) и NbC (t_пл ок. 3400 °C) или ок­си­кар­би­ды. В при­сут­ст­вии О₂, N₂ и С об­ра­зу­ет ок­си­кар­бо­нит­ри­ды. C Si и В об­ра­зу­ет ту­го­плав­кие си­ли­ци­ды и бо­рид NbB₂ (t_пл 2900 °C). По­лу­че­ны стан­нид Nb₃Sn (t_пл 2130 °C) и гер­ма­нид Nb₃Ge (t_пл 1970 °C), ко­то­рые ис­поль­зу­ют­ся как сверх­про­вод­ни­ки, фос­фи­ды NbP и NbP₂, ар­се­ни­ды NbAs и NbAs₂, ан­ти­мо­ни­ды Nb₃Sb, Nb₅Sb₄ и NbSb₂, NbS₃, суль­фи­ды NbS₂ и NbS.

Н. ус­той­чив к дей­ст­вию HCl, H₂SO₄, HNO₃, H₃PO₄, HClO₄ лю­бых кон­цен­тра­ций, цар­ской вод­ки и ор­га­нич. ки­слот, вод­но­го рас­тво­ра NH₃, рас­плав­лен­ных Li, Na, K, Sn, Pb, Bi и Hg. Рас­тво­ря­ет­ся во фто­ро­во­до­род­ной ки­сло­те, её сме­сях с HNO₃, в рас­пла­ве гид­ро­ди­фто­ри­да ам­мо­ния NH₄HF₂, ще­ло­чей.

При взаи­мо­дей­ст­вии пен­та­ок­си­да Nb₂O₅ и нио­ба­тов с H₂SO₄ при вы­со­ких темп-рах об­ра­зу­ют­ся ок­си­суль­фа­ты Nb, с рас­тво­ра­ми HF и HCl – фто­ро­нио­ба­ты, ок­сиф­то­ро­нио­ба­ты, хло­ро­нио­ба­ты и ок­си­хло­ро­нио­ба­ты ще­лоч­ных и щё­лоч­но­зе­мель­ных ме­тал­лов. Из пен­та­хло­ри­да NbCl₅ по­лу­ча­ют нио­бий­ор­га­нич. со­еди­не­ния, напр. про­из­вод­ные [Nb(CO)₆]^– и [NbCl_xCp_5–x], где Ср – цик­ло­пен­та­дие­нил.

Получение

Осн. ви­да­ми нио­бие­вой про­дук­ции яв­ля­ют­ся фер­ро­нио­бий (85–90%), пен­та­ок­сид Nb₂O₅, ме­тал­лич. Nb и спла­вы. Для про­из-ва фер­ро­нио­бия (обыч­но со­дер­жит 65% Nb) обо­га­щён­ные ме­ха­нич. ме­то­да­ми кон­цен­тра­ты пи­ро­хло­ра под­вер­га­ют ме­тал­ло­тер­мич. вос­ста­нов­ле­нию в сме­си с Fe₂O₃ и по­рош­ко­об­раз­ным Al. Тех­нич. пен­та­ок­сид по­лу­ча­ют вы­ще­ла­чи­ва­ни­ем из кон­цен­тра­тов и шла­ков оло­вян­ной плав­ки дей­ст­ви­ем фто­ро­во­до­род­ной ки­сло­ты с по­сле­дую­щим от­де­ле­ни­ем от Ta и очи­ст­кой ме­то­дом жид­ко­ст­ной экс­трак­ции, оса­ж­де­ни­ем гид­ро­кси­да, суш­кой и про­ка­ли­ва­ни­ем. Кар­бид NbC по­лу­ча­ют взаи­мо­дей­ст­ви­ем Nb₂O₅ с тех­нич. уг­ле­ро­дом в ат­мо­сфе­ре Н₂ при темп-ре 1800 °C и ис­поль­зу­ют для из­го­тов­ле­ния ке­ра­мич. на­гре­ва­те­лей.

По­лу­че­ние чис­то­го ме­тал­лич. Н. ве­дут на­трие­тер­мич. вос­ста­нов­ле­ни­ем K₂NbF₇, элек­тро­ли­тич. вос­ста­нов­ле­ни­ем K₂NbF₇ и Nb₂O₅ во фто­рид­ном рас­пла­ве с по­сле­дую­щей пе­ре­плав­кой в элек­тро­ду­го­вых и элек­трон­но­лу­че­вых пе­чах. По­рош­ко­об­раз­ный Н. про­из­во­дят гид­ри­ро­ва­ни­ем ме­тал­ла, ме­ха­нич. из­мель­че­ни­ем и раз­ло­же­ни­ем в ва­куу­ме гид­ри­да.

Объ­ём ми­ро­во­го про­изводства ок. 40 тыс. т/год.

Применение

Фер­ро­нио­бий при­ме­ня­ют в чёр­ной ме­тал­лур­гии для про­из-ва мик­ро­ле­ги­ро­ван­ных и не­ржа­вею­щих ста­лей, а так­же су­пер­спла­вов. Чис­тый Н. ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния жа­ро­проч­ных и кор­ро­зи­он­но­стой­ких спла­вов c Zr для атом­ной (обо­лоч­ки теп­ло­вы­де­ляю­щих эле­мен­тов АЭС со­дер­жат ок. 7% по мас­се Nb) и авиа­кос­мич. пром-сти (ло­пат­ки га­зо­вых тур­бин, де­та­ли др. кон­ст­рук­ций), по­лу­че­ния пре­ци­зи­он­ных спла­вов для сверх­про­вод­ни­ков (маг­нит­ные ка­туш­ки). При­ме­ня­ют спла­вы Н. с Та, Ti, Мо и др. (см. Нио­бие­вые спла­вы). В ви­де про­ка­та и про­во­лок Н. ис­поль­зу­ют в элек­трон­ной пром-сти («го­ря­чая ар­ма­ту­ра», ано­ды, сет­ки, др. де­та­ли), в ви­де дис­перс­но­го по­рош­ка – в вы­со­ко­ём­ких элек­тро­ли­тич. кон­ден­са­то­рах, как ка­та­ли­за­тор ор­га­нич. ре­ак­ций.

Чис­тый Nb₂O₅ (c со­дер­жа­ни­ем не ме­нее 99,8%) ис­поль­зу­ют для по­лу­че­ния оп­тич. ма­те­риа­лов, мо­но­кри­стал­лов нио­ба­та ли­тия, вы­со­ко­тем­пе­ра­тур­ных пиг­мен­тов. Кар­бид NbC при­ме­ня­ют для из­го­тов­ле­ния ке­ра­мич. на­гре­ва­те­лей.

РЕДКИЙ НИОБИЙ НА РЕДКОЗЕМЕЛЬНОМ РЫНКЕ

РЕДКИЙ НИОБИЙ НА РЕДКОЗЕМЕЛЬНОМ РЫНКЕ
Основными свойствами ниобия являются высокая пластичность, коррозионная стойкость, способность образовывать жаропрочные и сверхпроводящие сплавы. При легировании сталей ниобий придает им высокую прочность, антикоррозионные свойства и морозостойкость, что немаловажно в условиях нашей страны.
В последние годы мировое производство ниобия находится на уровне 24-29 тыс. т. Следует отметить, что мировой рынок ниобия существенно монополизирован бразильской компанией СВММ, на долю которой приходится около 85% мирового объема выпуска ниобия.
Основным потребителем ниобийсодержащей продукции (к ней прежде всего относится феррониобий) является Япония. Эта страна импортирует ежегодно свыше 4 тыс. т феррониобия из Бразилии. Поэтому японские импортные цены на ниобийсодержащую продукцию можно с большой уверенностью принимать за близкие к среднемировым значениям.
В последние годы имеет место тенденция роста цен на феррониобий. Это связано с растущим его применением для производства низколегированных сталей предназначен-ных, главным образом для труб нефте- и газопроводов. Вообще надо отметить, что за последние 15 лет мировое потребление ниобия возрастает в среднем на 4-5 % ежегодно.
С сожалением надо признать, что Россия находится на «обочине» рынка ниобия. В начале 90-х годов, по оценкам специалистов Гиредмета, в бывшем СССР производилось и
потреблялось около 2 тыс.т ниобия (в пересчете на оксид ниобия). В настоящее время потребление российской промышленностью ниобиевой продукции не превышает всего 100 — 200 т.
Следует отметить, что в бывшем СССР были созданы значительные мощности по выпуску ниобия, разбросанные по разным республикам – Россия, Эстония, Казахстан. Это традиционная черта развития промышленности СССР поставила сейчас Россию в очень сложное положение по многим видам сырья и металлам.
Рынок ниобия начинается с производства ниобийсодержащего сырья. Основным его видом в России был и остается лопаритовый концентрат, получаемый на Ловозерском ГОКе (теперь — АО «Севредмет», Мурманская область). До распада СССР предприятие выпускало около 23 тыс.т лопаритового концентрата ( содержание в нем оксида ниобия около 8,5 %). В последующем производство концентрата постоянно снижалось, в 1996-1998 гг. предприятие неоднократно останавливалось из-за отсутствия сбыта. В настоящее время, по оценкам, производство лопаритового концентрата на предприятии находится на уровне 700 — 800 т в месяц.
Следует отметить, что предприятие достаточно жестко привязано к своему единственному потребителю — Соликамскому магниевому заводу. Дело в том, что лопаритовый концентрат – это достаточно специфический продукт, который получают только в России. Его технология переработки достаточно сложна из-за содержащегося в нем комплекса редких металлов (ниобий, тантал, титан). Кроме того, концентрат радиоактивен, во многом поэтому все попытки выйти на мировой рынок с этой продукцией закончились безрезультатно. Следует также отметить, что из лопаритового концентрата невозможно получение феррониобия.
В 2000 г. на комбинате «Севредмет» силами компании «Росредмет» запущена экспериментальная установка по переработке лопаритового концентрата с получением в числе других металлов товарной ниобийсодержащей продукции (оксида ниобия). Предполагалось, что в течение 2000 г. ежемесячный объем переработки концентрата будет составлять 1 тыс.т. В 2001 г. начато строительство гидрометаллургического завода, что позволит в течение последующих 3 лет выйти на мощность переработки в 18 тыс. т лопаритового концентрата в год. По нашим оценкам, это позволит получать около 1200 т оксида ниобия .
Реализация проекта по созданию собственных мощностей по переработке лопаритового концентрата требует существенных инвестиций — около 100 млн. долларов. Будут ли они найдены — остается открытым вопросом. Кроме того, возникнет проблема реализации такого количества продукции, т.к. внутренний рынок его «переварить» вряд ли сможет.
В России практически единственным производителем ниобиевой продукции является Соликамский магниевый завод (СМЗ), который перерабатывает лопаритовый концентрат и выпускает оксид и гидроксид нио-
бия. В 1998 г. поставки лопаритового концентрата из-за нестабильной работы АО «Севредмет» резко сократились, поэтому предприятие было вынуждено искать альтернативные лопариту источники сырья. В то время редкометалльное сырье поставлялось из США, Бразилии, Малайзии, Нигерии. В 1999 г. было подписано соглашение между АО «Севредмет» и СМЗ о поставках, при этом был определен уровень переработки в 10 тыс. т концентрата в год. После подписания соглашения лопаритовый концентрат достаточно стабильно стал поступать на переработку на СМЗ. Согласно годовому отчету СМЗ, в 1999 г. предприятие переработало 8,3 тыс. т лопаритового концентрата, в 2000 г. этот уровень увеличился до 9,24 тыс. т. По нашим оценкам, это составляет 700 т оксида ниобия.
Основными рынками ниобиевой продукции СМЗ являются страны дальнего зарубежья: поставки осуществляются в США, Японию и страны Европы. Доля экспорта в общем объеме производства составляет свыше 90 %.
Значительные мощности по выпуску ниобия в СССР были сосредоточены в Эстонии — на Силламяэском химико-металлургическом произ-водственном объединении (г. Силламяэ). Сейчас эстонское предприятие называется «Силмет». В советские времена предприятие перерабатывало лопаритовый концентрат Ловоозерского ГОКа, с 1992 г. его отправка была прекращена. Сейчас «Силмет» перерабатывает только небольшой объем гидроксида ниобия Соликамского магниевого завода. Большую часть ниобийсодержащего сырья в настоящее время предприятие получает из Бразилии и Нигерии. Руководство предприятия не исключает поставок лопаритового концентрата, однако «Севредмет» пытается проводить политику переработки его на месте, поскольку экспорт сырья менее выгоден, чем готовой продукции.
В бывшем СССР крупные мощности по выпуску ниобия имел и Иртышский химико-металлургический завод (Казахстан). В последние годы производство ниобия на нем значительно снизилось. В дальнейшем выпуск ниобия из-за нерентабельности прекратился, долгое время предприятие находилось на грани банкротства. Потом редкометалльное производство было выделено в отдельное предприятие — ТОО «КазНиобий ИХМЗ». В марте 2000 г. «КазНиобий ИХМЗ» возобновил работу после четырехлетнего простоя, выпустив первые слитки металлического ниобия. По словам представителей «КазНиобий ИХМЗ», предприятие, начиная с августа 2000 г., перерабатывает около 10 тыс. тонн сырья и выпускает 5-7 тонн металлического ниобия в месяц. Однако уже в ближайшее время «КазНиобий ИХМЗ» намерено выйти на уровень переработки 20 тыс. тонн сырья в месяц. В качестве сырья «КазНиобий ИХМЗ» использует гидроксид ниобия, его по толлингу поставляет на предприятие американская фирма Metallurg International Resources, акционер Соликамского магниевого завода.
Единственным на территории бывшего СССР предприятием по выпуску феррониобия был Ключевский завод ферросплавов (Свердловская область). Основным источником сырья для выпуска феррониобия являлся ниобиевый (пирохлоровый) концентрат Вишневогорского рудоуправления. В середине 90-х годов Вишневогорское рудоуправление прекратило поставки этого концентрата. В 1996 г. выпуск феррониобия из-за отсутствия сырья был также прекращен. Таким образом, все последующие годы российские предприятия черной металлургии потребляли небольшое количество импортного феррониобия и в том числе, видимо, резервные остатки.
Следует отметить, что запасы ниобия в рудах неразрабатываемых месторождений России являются значительными. Однако руды выявленных месторождений в большинстве случаев характеризуются достаточно невысоким содержанием ниобия (ниже уровня на эксплуатируемых месторождениях в мире), что снижает рентабельность их разработки.
Основные запасы ниобия в России сосредоточены преимущественно в Восточной Сибири, здесь расположены Белозиминское (Иркутская область), Катугинское (Читинская область), Улуг-Танзекское (Тува) и недавно разведанное Томторское (Якутия) месторождения. Основной проблемой при их разработке являются значительные финансовые затраты, связанные с отсутствием инфраструктуры в районах их расположения.
Особые перспективы Россия должна связывать с Томторским месторождением. Его разработка может, образно говоря, «взорвать» мировой рынок ниобия. Ведь среднее содержание редких металлов в руде Томторского месторождения значительно выше, чем в лучших эксплуатируемых месторождениях мира. В частности, по ниобию оно составляет 8,2 % (для сравнения: в месторождениях Бразилии — 2,5 %). Столь высокое содержание ниобия в руде может позволить при небольшой годовой добыче (30 тыс. т товарной руды) выйти на уровень 2000 т ниобия. При этом руду не надо обогащать, она может быть сразу подвергнута химико-металлургическому переделу с получением товарной продукции. Таким образом, разработка Томторского месторождения – шанс России занять достойную нишу на мировом рынке ниобия, однако делать это надо аккуратно — неуклюжие действия могут привести к обвалу цен на ниобийсодержащую продукцию.
Примером интереса к ниобию является также начало разработки Татарского месторождения (Красноярский край). Лицензией на разработку месторождения владеет АО «Стальмаг», дочернее предприятие АО «Северсталь» (г.Череповец). В конце 2000 г. в результате вложения АО «Северсталь» средств (1 млн. долларов) в развитие Татарского месторождения пущена фабрика первичного обогащения мощностью 90 тыс. т руды за сезон. На фабрике можно получать ниобиевый концентрат с содержанием оксида ниобия 10%. Доводку полученного концентрата предполагается осуществлять на Вишневогорском РУ с получением высококачественнного концентрата, который будет использоваться для выпуска феррониобия на Ключевском заводе.
Инвестиции одного из крупнейших российских производителей стали — АО «Северсталь» — в разработку Татарского месторождения, несомненно, являются знаковым событием. Дело в том, что АО «Северсталь» для выпуска штрипсов (трубной заготовки) и морозостойких сталей повышенной прочности нуждается в использовании феррониобия. В настоящее время предприятие импортирует его из Бразилии. Реализация проекта по Татарскому месторождению позволит в перспективе отказаться от импорта феррониобия.
По мнению автора, внутреннее потребление ниобия в России в ближайшее время должно увеличиться, прежде всего в черной металлургии. По оценкам специалистов Гиредмета, потребность в феррониобии для производства низколегированных сталей в России в 2001 г. составит около 850 т. На взгляд автора, это несколько завышенная оценка, наиболее реальным представляется уровень потребления не более 300-400 т.
По оптимистическим прогнозам специалистов, к 2005 г. внутреннее потребление ниобия в России может достигнуть 2200 т, хотя и в таком случае по этому показателю сохранится отставание России от промышленно развитых стран. В странах ЕС и Японии удельное потребление ниобия на 1 т сырой стали находится на уровне около 40 г (1997 г.), в США – около 70 г. В настоящее время в России этот расход не превышает 8 г, в 2005 г. составит при указанном выше прогнозе не более 30-35 г на 1 т сырой стали.
Перспективы использования в России оксида ниобия и металлического ниобия по сравнению с феррониобием выглядят менее обещающими. Это связано с тем, что темпы роста производства продукции с их использованием (выпуск твердых сплавов, атомная энергетика, авиация и электроника) пока невелики.

http://www.pv.derrick.ru

Исследование свойств пленок оксида ниобия для слоев переноса электронов в перовскитных солнечных элементах

Введение

Перовскитные солнечные элементы (PSC) стали одной из наиболее многообещающих фотоэлектрических технологий благодаря своей высокой эффективности, низкой стоимости и возможности производят тонкие и гибкие устройства (Green et al., 2014; Kim et al., 2014; Park, 2015). Однако, чтобы стать коммерческим, основным вопросом является стабильность (Zhao et al., 2015; Li et al., 2016; Asghar et al., 2017).

Происхождение нестабильностей в ПСО связано с такими факторами, как органические компоненты гибридных перовскитов и подвижные ионные дефекты. Интерфейсы также играют решающую роль в стабильности устройств. На границе слоя переноса электронов (ETL) и перовскита неэффективное извлечение межфазного заряда приводит к деградации материала перовскита из-за фотогенерированных электронов, которые реагируют с молекулярным кислородом, что приводит к образованию супероксидных (O2-) частиц (Rajagopal et al., 2018). ). Таким образом, выбор ETL имеет решающее значение для хорошей инжекции электронов и подвижности, предотвращающей накопление заряда на интерфейсах.

Многие перовскитные солнечные элементы сконструированы с использованием диоксида титана (TiO ₂ ) в качестве ETL. Оксиды металлов, такие как TiO ₂ , имеют высокое удельное сопротивление и низкую подвижность электронов. Пленки с более высокой проводимостью, такие как органический метиловый эфир [6,6]-фенил-C61-масляной кислоты (PCBM), позволяют получать хорошие устройства (Zheng et al., 2018), однако эти материалы обладают низкой стабильностью.

Пентаоксид ниобия (Nb ₂ O ₅ ) является многообещающим материалом для использования в качестве ETL в перовскитных солнечных элементах из-за его высокой стабильности. В нашей предыдущей работе мы обнаружили, что комбинация компактных Nb ₂ O ₅ в качестве слоя, блокирующего отверстия, и мезопористый TiO ₂ создают более стабильные устройства с меньшим гистерезисом (Fernandes et al., 2016; Gu et al., 2018). Кроме того, значение ширины запрещенной зоны Nb ₂ O ₅ может улучшить V _oc клеток (Kogo et al., 2015). Однако в качестве оксида подвижность электронов в собственном Nb ₂ O ₅ низкая. Для улучшения проводимости оксидов легирование ETL является одной из возможностей, однако для этого требуется точный контроль параметров осаждения (Numata et al., 2018; Xiao et al., 2018). Изменение расхода кислорода — это способ улучшить проводимость без добавления примесей в систему.

В этой работе мы систематически изменяли поток кислорода в условиях осаждения Nb ₂ O ₅ и обнаружили, что можно увеличить проводимость пленки за счет уменьшения скорости потока кислорода. Уменьшение скорости потока кислорода вызывает образование кислородных вакансий, что увеличивает проводимость пленки, что приводит к повышению эффективности солнечных элементов.

Экспериментальная секция

Стеклянная подложка из оксида олова, легированного фтором (SnO ₂ :F) (сопротивление листа >7 Ом/кв. м), была приобретена у Solaronix. Цель Nb (99,9 %) предоставила компания Brazilian Metallurgy and Mining Company (CBMM). Иодид свинца (II) (PbI ₂ -99,998%) был приобретен у Alfa Aesar. Спиро-MeOTAD (99%), бис(трифторметан)сульфонамидная литиевая соль (≥99,0%), 4-трет-бутилпиридин (96%), этанол, ацетонитрил (безводный, 99,8%) и хлорбензол (99,8%) от Sigma Aldrich. 2-пропанол (макс. 0,005% H ₂ O) и N-N диметилформамид (DMF-макс. 0,003% H ₂ O) от Merck. Паста TiO ₂ (DSL 30NR-D), соль FK 209 Co(III) TFSL и иодид метиламмония (CH ₃ NH ₃ I) от Dyesol. Все химические вещества использовались в том виде, в каком они были получены, без очистки.

Нанесение пленки оксида ниобия

Пленки оксида ниобия наносили методом реактивного магнетронного распыления с использованием мишени Nb диаметром 3 дюйма в системе Kurt J Lesker. Температуру осаждения поддерживали на уровне ~500°С, мощность 240 Вт, расход аргона 40 см3/мин и давление в камере 5,0 х 10 ^-3 Торр. Скорость потока кислорода варьировалась от 3 до 10 см3/мин, а время осаждения выбиралось для получения толстых пленок толщиной 400 нм (для измерений XRD и UV-Vis) и 100 нм (для осаждения солнечных элементов, а также для других характеристик).

Изготовление солнечных элементов перовскита

PSC были изготовлены на основе мезопористого конфигурации: FTO / Compact NB ₂ O ₅ / Mesopory Tio ₂ / CH ₃ NH ₃ PBI ₃ 101010109 3 NH ₃ PBI ₃ 10101010109 3 NH ₃ PBI ₃ 1010101 -ОМЕТАД/Ав. Осаждение оксида ниобия было описано в предыдущем разделе. Остальные слои были подготовлены в соответствии со стандартными процедурами (Burschka et al., 2013). Сначала на компактный оксид ниобия наносили мезопористый слой TiO ₂ методом центрифугирования с использованием коммерческой пасты фирмы Dyesol, разведенной в безводном этаноле (150 мг/мл), при 4000 об/мин в течение 20 с, а затем пленки отжигали. при 500°С в течение 1 ч. Затем с помощью двухстадийного метода осаждения были синтезированы пленки перовскита метиламмоний-йодистого свинца (MAPbI); два слоя 460 мг/мл PbI 9Раствор 0009 2 в безводном ДМФА наносили при 6000 об/мин в течение 60 с, после каждого осаждения пленки отжигали при 70°С в течение 10 мин. Затем раствор CH ₃ NH ₃ I (8 мг/мл в 2-пропаноле) капали на PbI ₂ и оставляли на 20 с. Сразу после этого образец откручивали при 4000 об/мин в течение 30 с и отжигали при 100°С в течение 10 мин. Спиро-OMeTAD наносили поверх перовскитовой пленки раствором 72,3 мг/мл в хлорбензоле, легированным 29 мкл комплекса кобальта ФК209 (300 мг в 1 мл ацетонитрила), 18 мкл литиевого раствора LiTFLS (520 мг в 1 мл ацетонитрила) и 29мкл 4-трет-бутилпиридина. Наконец, пленка из золота толщиной 70 нм была термически испарена через теневую маску, определяющую активную площадь солнечного элемента около 0,34 см ² . Слои перовскита и спиро-OMeTAD осаждали внутри перчаточного бокса в атмосфере азота и контролировали H ₂ O и O ₂ , < 5 частей на миллион.

Характеристика

Морфологические, структурные и оптические свойства пленок исследовали методами рентгеновской дифракции (XRD), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM), УФ-видимого (УФ- vis) и фотолюминесцентной (ФЛ) спектроскопии. Измерения XRD были получены с использованием Rigaku/RINT2000. УФ-видимое излучение проводили с использованием спектрофотометра Varian Cary 50 UV-vis, а оптическую ширину запрещенной зоны пленок оксида ниобия оценивали по коэффициентам оптического поглощения с использованием графика Тауца. Для измерений XRD и UV-Vis пленки толщиной 400 нм осаждали, контролируя время осаждения. XPS измеряли с помощью ScientaOmicron ESCA+ с источником монохроматического рентгеновского излучения (Al Kα, hν = 1486,6 эВ). Модель FEG-VP Zeiss Supra 35 использовалась для изображений FE-SEM (автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения). Измерения ФЛ проводились с помощью HeCd-лазера модели IK5451R-E, 442 нм. Спектр был собран с использованием синхронизатора SR530, монохроматора Thermo Jarrell Ash 27 см и Hamamatsu R9.55 (500 В) фотоумножитель. Для измерений ФЛ использовалась конфигурация FTO/оксид ниобия/мезопористый TiO ₂ /MAPbI, и образцы освещались со стороны FTO.

Кривые ВАХ, а также спектроскопия импеданса оксидных пленок были измерены с использованием платформы PAIOS от Fluxim. Пленки наносились на стеклянные подложки, а золотые электроды напылялись, что приводило к плоскостной конфигурации; расстояние между электродами оценивалось в ~200 мкм.

Характеристика PSC была выполнена с использованием источника/измерителя Keithley 2400 в темноте и при смоделированном солнечном излучении AM1. 5G мощностью 100 мВт/см ² от калиброванного солнечного симулятора (Spectra-Nova).

Результаты и обсуждение

В системе реактивного напыления существует сильная зависимость скорости напыления от таких параметров, как мощность или расход газа. Мы провели исследование скорости осаждения в зависимости от скорости потока кислорода, и результаты показаны на рисунке 1.9.0005

Рисунок 1 . Скорость осаждения в зависимости от скорости потока кислорода, используемого для осаждения пленок Nb ₂ O ₅ .

Как видно, для скоростей ниже 3 см3 скорость осаждения выше (1,1 нм/с). По мере увеличения скорости потока кислорода скорость осаждения уменьшается. Для 3 см3 обнаруженная скорость составляет 1,1 нм/с, резко снижаясь до 0,2 нм/с для 4 см3/мин. При скорости потока кислорода выше 4 см3/мин наблюдается лишь незначительное снижение скорости осаждения, указывающее на то, что от 4 см3/мин и выше в камере осаждения имеется избыток кислорода. Пленки, нанесенные с использованием 3, 3,5, 4 и 10 см3/мин, обозначаются как 3NbO, 3,5NbO, 4NbO и 10NbO соответственно.

Как упоминалось ранее, скорость осаждения сильно зависит от скорости потока кислорода. Кроме того, он может производить различные фазы оксида ниобия, такие как NbO, NbO ₂ и Nb ₂ O ₅ , поскольку ниобий имеет три степени окисления: II, IV и V (Foroughi-Abari and Cadien, 2011; Rani et al., 2014; Al-Baradi et al., 2018; Lorenz et al., 2018). При реактивном распылении также могут быть получены нестехиометрические фазы, такие как Nb ₂₂ O ₅₄ и Nb ₁₂ O ₂₉ (Рани и др., 2014). Из XRD, рис. 2, фазовый переход между NbO ₂ и Nb ₂ O ₅ наблюдается в диапазоне используемых скоростей потока кислорода. Наиболее интенсивные дифракционные пики относятся к дифракциям FTO (подложки), при 35° наблюдается пик, относящийся к NbO ₂ при расходах кислорода ниже 3 см3/мин.

При увеличении потока кислорода в пленке 10NbO появляется и становится более заметным пик Nb ₂ O ₅ , расположенный при 28.3°. Таким образом, можно сделать вывод, что для получения Nb 9 необходим расход кислорода более 3 куб.см/мин.0009 2 O ₅ фаза. Таким образом, NbO ₂ может осаждаться при скорости потока кислорода ниже 3 см3/мин.

Рисунок 2 . Рентгенофазовые спектры пленок оксида ниобия, осажденных при различных расходах кислорода.

СЭМ-изображения пленок показаны на рисунках 3a–d. Из изображений можно наблюдать сходство между пленками с нанометрическими сферическими частицами, за исключением 3NbO, который показал частицы в форме листов.

Рисунок 3 . Изображения FE-SEM 3NbO (a) , 3,5NbO (b) , 4NbO

(c) и 10 NbO (d) .

На рисунках 4A, B показаны спектры XPS на уровне сердцевины Nb3d и O1s пленок оксида ниобия. Для всех образцов можно выделить две разные компоненты, характерные для дублета Nb3d _5/2 -Nb3d _3/2 , отнесенные к разным состояниям связи ниобия. Пик при ~207 эВ относится к степени окисления Nb ⁵⁺ и, таким образом, к Nb ₂ О ₅ . Тщательный анализ спектров 3NbO (рис. 4А) показывает уширение пика Nb3d _5/2 . Из подгонки (рис. 4C) обнаружен еще один компонент с энергией связи 205 эВ, который связан с Nb ⁴⁺ , таким образом, связан с NbO ₂ . Фактически, как видно из рентгенограммы, в образце 3NbO преобладающей фазой является NbO ₂ . Наличие фазы Nb ₂ O ₅ в этом образце, скорее всего, связано с окислением поверхности после воздействия воздуха. Помните, что XPS по сравнению с XRD гораздо более чувствителен к поверхности. Кроме того, нет никаких доказательств Nb

4+ пик для пленок, осажденных при скоростях потока кислорода выше 3 см3/мин. Из измерений XPS, как и ожидалось, можно наблюдать увеличение отношения O/Nb по мере увеличения скорости потока кислорода, рис. 4D.

Рисунок 4 . РФЭС-спектры пленок оксида ниобия на 3d-крае Nb (A) , O 1s-крае (B) , аппроксимирующие кривые (точечные линии) пленки 3NbO (C) и атомные % ниобия и кислорода для различных расходов кислорода, используемых для осаждения пленок (Д) .

На рис. 5А показаны спектры пропускания пленок. Как и ожидалось, коэффициент пропускания пленки 3NbO намного ниже, чем у других пленок. Фотографии пленок представлены на рис. 5С, где, за исключением 3NbO, остальные прозрачны в видимом диапазоне. Энергия оптической запрещенной зоны пленок (рис. 5В) была рассчитана с использованием графика Тауца (Wood and Tauc, 1972). Как и ожидалось, 3NbO имеет небольшую ширину запрещенной зоны ~1,1 эВ, характерную для NbO

2 фаза. Для 3.5NbO обнаружена щель около 3,77 эВ, для 4NbO — 3,72 эВ, для 10NbO — 3,69 эВ, что указывает на то, что в этих пленках Nb ₂ O ₅ является доминирующей фазой. Что касается пленок с большей щелью, то наблюдается небольшое уменьшение оптической ширины запрещенной зоны при введении кислорода. Различные щели могут указывать на существование промежуточных энергетических уровней между валентной зоной и зоной проводимости (Pereira et al., 2018).

Рисунок 5 . Спектры пропускания

(A) , график Таука (B) и изображение пленок оксида ниобия (C) .

Наличие дефектов или даже изменение стехиометрии напрямую влияет на проводимость материала. Сообщалось (Schäfer et al., 1969), что даже небольшое изменение отношения O/Nb приводило к значительному изменению проводимости. Авторы сообщили об изменении от 3 × 10 ⁻⁶ до 3 × 10 ³ См/см при изменении отношения O/Nb с 2,500 до 2,489.. Отметим, что эти вариации проводимости были отнесены не к метастабильным фазам или смеси фаз, а к различным концентрациям кислородных вакансий в Nb ₂ O ₅ (Rani et al. , 2014).

Различные значения проводимости пленок оксида ниобия также наблюдались в зависимости от скорости потока кислорода во время осаждения, рис. 6. Как видно из рис. 6A, B, 3NbO имеет самый высокий ток, за которым следует 3,5NbO, в то время как 4NbO имеет самый низкий. Из XRD 3NbO имеет NbO

2 в качестве основной фазы. Электрически NbO ₂ характеризуется как полупроводник с высокой проводимостью (Nico et al., 2016). С другой стороны, Nb ₂ O ₅ обычно представляет собой полупроводник с низкой проводимостью. От 3,5 до 4 см3 проводимость уменьшается в результате уменьшения кислородных вакансий. По мере увеличения потока кислорода избыток кислорода в плазме (10 см3/мин) приводит к небольшому увеличению проводимости. Этот эффект может быть результатом повышенного высвобождения электронов из кислородных вакансий и/или десорбции кислорода за счет образования супероксидных частиц, что приводит к уменьшению межузельных атомов кислорода. Междоузельный кислород действует как ловушка для свободных переносчиков (Terheiden et al., 2014). Важно отметить, что эта тенденция наблюдается в образцах, осажденных при различной мощности плазмы, 180 Вт и эквивалентной скорости потока кислорода (см. Дополнительные материалы S1, S2).

Рисунок 6 . Вольтамперный ток пленок оксида ниобия (A) , увеличение кривых 3,5NbO-4NbO и 10NbO (B) , график Найквиста, полученный из импедансной спектроскопии (C) и рассчитанная проводимость из вольтамперных кривых ( Г) .

На рисунке 6C представлены графики Найквиста, полученные с помощью импедансной спектроскопии. На графике, полученном для 3NbO, наблюдается форма полукруга, характерная для параллельного объединения конденсатор-резистор. Это поведение больше связано с током, протекающим через резистор, когда конденсатор полностью заряжен, но в данном случае сопротивление достаточно низкое, и ток может протекать через резистор до того, как конденсатор будет полностью заряжен.

Это низкое сопротивление связано с NbO ₂ фаза. В случае 3,5 NbO, когда основной фазой является Nb ₂ O ₅ , также наблюдается форма полукруга, за которой следует низкочастотный хвост. Этот низкочастотный хвост может быть связан с процессом емкостной зарядки на границе раздела (Huggins, 2002; Wünsche et al., 2015). В 4NbO проводимость слишком мала, поэтому присутствуют только емкостные эффекты, полукруг не наблюдается, потому что высокое параллельное сопротивление действует на радиус полукруга в направлении области очень низких частот. Эффект, наблюдаемый для 10 NbO, подобен 3,5 NbO и связан с небольшим увеличением проводимости, как упоминалось ранее. Кроме того, была рассчитана проводимость, и значения показаны на рисунке 6D. Значения были получены с использованием соотношения между сопротивлением (R), проводимостью (σ), длиной (l) и площадью поперечного сечения (A), R = l/σA. Значения сопротивления были получены через угловой коэффициент кривых, полученных на рисунках 6A, B.

Исследованные пленки оксида ниобия использовались в качестве ЭТЛ в перовскитных солнечных элементах. Изображение поперечного сечения устройства показано на вставке на рисунке 7A. Для этих солнечных элементов пленка 3NbO не использовалась, поскольку прозрачность является важным требованием в ETL для перовскитных солнечных элементов n-i-p.

Рисунок 7 . Кривые J-V перовскитных солнечных элементов с использованием различных ETL оксида ниобия 90–115 (A–C) 90–116 и среднее значение эффективности солнечных элементов 90–115 (D) 90–116 .

Кривые J-V PSC представлены на рисунках 7A-C. На рисунке 7D показана эффективность солнечных элементов для различных устройств. Характеристические параметры приведены в таблице 1. Каждое значение, представленное в этой таблице, является средним значением 8 различных измерений солнечных элементов, а стандартные отклонения показаны в скобках.

Таблица 1 . Параметры солнечных элементов, извлеченные из измерений от J до V устройств, использующих различные слои, блокирующие дырки из оксида ниобия.

Из измерений J-V видно явное влияние ETL на производительность ячейки. Ячейка, изготовленная из 3,5NbO HBL, имеет наилучшие характеристики при максимальном токе.

Улучшенная производительность объясняется лучшей проводимостью 3,5NbO ETL. По мере увеличения удельного сопротивления пленок оксида ниобия фототок уменьшается, что снижает эффективность. С точки максимальной мощности кривых J-V можно рассчитать последовательное сопротивление устройств, это значение минимально для устройств 3,5NbO, 290 Ом, и максимальное, 410 Ом, когда 10NbO используется, как ожидалось.

Как видно на рисунке 7, гистерезис кривой J-V также зависит от расхода кислорода. Гистерезис – это разница кривой J-V форварда (от 0 В до V _oc ) и обратные (от V _oc до 0 В) измерения. Гистерезис JV увеличивается от 3,5 до 10 ячеек на основе NbO в ответ на снижение проводимости. В нашей предыдущей работе мы предположили, что за гистерезис отвечает накопление заряда (Fernandes et al. , 2016). Здесь мы приписываем эффект тому же механизму. По мере того как пленки оксида ниобия становятся менее проводящими, извлекается меньше фотогенерированных зарядов, накапливающихся на границе ГБЛ-перовскит, поэтому эти заряды ответственны за гистерезис, наблюдаемый в устройствах на основе ГБЛ 10 и 4NbO. Отметим также, что в нашей предыдущей работе пленки оксида ниобия толщиной 50 нм (эквивалент 10NbO) были необходимы для производства хороших устройств. Здесь лучшее извлечение заряда солнечными элементами на основе 3,5NbO позволило устройствам без гистерезиса даже при использовании 100-нм пленок, что дает преимущество в производстве пленок с меньшим количеством точечных отверстий (Fernandes et al., 2016).

На рисунке 8 показаны основные параметры солнечной батареи. Можно видеть, что помимо V _oc другие параметры напрямую зависят от ЭТЛ оксида ниобия. FF немного увеличивается с 0,68 до 0,73, в то время как J _sc больше всего затронут.

Рисунок 8 . Параметры, извлеченные из кривой J-V: V _oc , (A) , FF (B) J _sc (C) и эффективность (D) . Результаты в среднем составляют 8 клеток.

Работа солнечной батареи зависит от переноса и инжекции заряда. Результаты фотолюминесценции, рис. 9, показывают, что фотолюминесценция пленок MAPbI уменьшается, когда ETL (мезопористый TiO ₂ / оксид ниобия) контактируют с перовскитом. Этот результат является четким указанием на то, что излучение подавляется переносом заряда от MAPbI к ETL. Электроны, фотогенерированные в перовскитных пленках, сначала переносятся на TiO ₂ , а затем на пленку оксида ниобия. Как TiO ₂ представляет собой мезопористый слой, перовскит проникает и остается в контакте с оксидом ниобия, поэтому заряды также передаются непосредственно от перовскита к оксиду ниобия. Наши результаты показывают, что эмиссия ФЛ минимальна при использовании 3,5NbO/мезопористого TiO ₂ , что указывает на то, что перенос заряда между этими пленками и MAPbI оптимизирован.

Рисунок 9 . Фотолюминесценция пленок перовскита оксид ниобия/TiO ₂ /MAPbI.

Выводы

В этой работе мы исследовали влияние расхода кислорода, используемого для осаждения ETL оксида ниобия, и его влияние на производительность устройств. Скорость потока кислорода сильно влияет на электропроводность оксида ниобия. Что касается пленок, используемых в солнечных элементах, 3,5NbO имеет самую высокую проводимость, что позволяет создавать солнечные элементы с наивысшей эффективностью. Вследствие лучшего извлечения электронов устройства на основе 3,5NbO имеют низкий гистерезис.

Вклад авторов

SF руководил ролевым исследованием. LGA помогла с анализом данных и обсуждением проводимости оксида ниобия. LJA провела измерения скорости осаждения. Компания JdS провела осаждение пленок оксида ниобия. Э.Л. и К.Г. помогали в обсуждении всех экспериментов. Все авторы участвовали в написании и редактировании рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Centro de Desenvolvimento de Materiais Ceramicos (CDMF-FAPESP № 2013/07296-2, 2017/11072-3, 2013/ 09963-6 и 2017/18916-2). Мы хотели бы поблагодарить профессора Валмора Роберто Мастеларо (IFSC-USP) и профессора Максимо Сиу Ли за измерения XPS и PL соответственно.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2019.00050/full#supplementary-material

Ссылки

Аль-Баради, А.М., Эль-Нахасс, М.М., Хассаниен, А.М., Атта, А.А., Алкахтани, М.С., и Алдавсари, А.О. (2018). Влияние мощности ВЧ-распыления на структурные и оптические свойства тонких пленок Nb2O5. Оптик 168, 853–863. doi: 10.1016/j.ijleo.2018.05.020

CrossRef Full Text | Google Scholar

Асгар М.И., Чжан Дж., Ван Х. и Лунд П.Д. (2017). Устройство стабильности перовскитных солнечных элементов – обзор. Продлить. Суст. Energy Rev. 77, 131–146. doi: 10.1016/j.rser.2017.04.003

CrossRef Full Text | Google Scholar

Буршка Дж., Пеллет Н., Мун С.-Дж., Хамфри-Бейкер Р., Гао П., Назируддин М. К. и др. (2013). Последовательное осаждение как путь к высокоэффективным сенсибилизированным перовскитом солнечным элементам. Природа 499, 316–319. doi: 10.1038/nature12340

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Фернандес С. Л., Верон А. К., Нето Н. Ф. А., Нюеш Ф. А., Диас да Силва Дж. Х., Загете М. А. и др. (2016). Блокирующий слой Nb2O5 для перовскитных солнечных элементов без гистерезиса. Матер. лат. 181, 103–107. doi: 10.1016/j.matlet.2016.06.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Foroughi-Abari, A., and Cadien, KC (2011). Рост, структура и свойства тонких пленок напыленного оксида ниобия. Тонкие твердые пленки 519, 3068–3073. doi: 10.1016/j.tsf.2010.12.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Грин, Массачусетс, Хо-Бейли, А. , и Снейт, Х. Дж. (2014). Появление перовскитных солнечных элементов. Нац. Фотоника . 8, 506–514. doi: 10.1038/nphoton.2014.134

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гу Б., Чжу Ю., Лу Х., Тянь В. и Ли Л. (2018). Эффективные планарные перовскитные солнечные элементы на основе недорогих ультратонких пленок Nb2O5 с центрифугированием. Солнечная энергия 166, 187–194. doi: 10.1016/j.solener.2018.03.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаггинс, Р. А. (2002). Обзор простого метода определения электронной и ионной составляющих проводимости в смешанных проводниках. Ионика 8, 300–313. doi: 10.1007/BF02376083

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Х.С., Им, С.Х., и Парк, Н.Г. (2014). Свинцовоорганический перовскит: новые горизонты в исследованиях солнечных элементов. J. Phys. хим. С 118, 5615–5625. doi: 10.1021/jp409025w

CrossRef Full Text | Google Scholar

Кого А., Нумата Ю., Икегами М. и Миясака Т. (2015). Блокирующий слой Nb 2 O 5 для перовскитных солнечных элементов с высоким напряжением холостого хода. Хим. лат. 44, 829–830. doi: 10.1246/cl.150167

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Li, D., Liao, P., Shai, X., Huang, W., Liu, S., Li, H., et al. (2016). Недавний прогресс в вопросах стабильности органических и неорганических гибридных свинцовых перовскитных солнечных элементов. RSC Adv. 6, 89356–89366. doi: 10.1039/C6RA19801E

CrossRef Full Text | Google Scholar

Лоренц Р., О’Салливан М., Фиан А., Шпренгер Д., Ланг Б. и Миттерер К. (2018). Влияние частоты импульсов смещения на пленки NbOx, нанесенные реактивным напылением. Тонкие твердые пленки 660, 335–342. doi: 10.1016/j.tsf.2018.06.040

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нико, К., Монтейро, Т., и Граса, член парламента (2016). Физические свойства оксидов и ниобатов ниобия: обзор и перспективы. Прогресс Матер. Наука . 80, 1–37. doi: 10.1016/j.pmatsci.2016.02.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нумата Ю., Исикава Р., Санехира Ю., Кого А., Шираи Х. и Миясака Т. (2018). Компактный слой аморфного оксида титана, легированный Nb, для высокоэффективных перовскитных солнечных элементов на основе формамидиния методом низкотемпературного изготовления. Дж. Матер. хим. А 6, 9583–9591. doi: 10.1039/C8TA02540A

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Park, NG (2015). Перовскитные солнечные элементы: новая фотоэлектрическая технология. Матер. Сегодня 18, 65–72. doi: 10.1016/j.mattod.2014.07.007

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Перейра, П.Ф.С., Гувейя, А.Ф., Ассис, М., де Оливейра, Р.К., Пинатти, И.М., Пенья, М., и др. (2018). ZnWO ₄ нанокристаллы: синтез, морфология, фотолюминесценция и фотокаталитические свойства. Физ. хим. хим. физ. 20, 1923–1937 гг. doi: 10.1039/C7CP07354B

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Раджагопал А. , Яо К. и Джен А.К.-Ю. (2018). На пути к коммерциализации перовскитных солнечных элементов: перспектива и дорожная карта исследований, основанная на межфазной инженерии. Доп. Мать . 30:e1800455. doi: 10.1002/adma.201800455

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Рани, Р. А., Зулфакар, А. С., О’Муллан, А. П., Остин, М. В., и Калантар-Заде, К. (2014). Тонкие пленки и наноструктуры пентаоксида ниобия: основные свойства, методы синтеза и приложения. Дж. Матер. хим. А 2, 15683–15703. doi: 10.1039/c4ta02561j

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шефер Х., Бергнер Д. и Грюн Р. (1969). Beiträge zur chemie der elemente niob und tantal. LXXI. термодинамическая стабильность зибена zwischen 2,00 и 2,50 O/Nb существует в фазе. ZAAC – J. Inorganic General Chem. 365, 31–50.

Google Scholar

Вуд, Д. Л., и Таук, Дж. (1972). Слабые хвосты поглощения в аморфных полупроводниках. Физ. Ред. B 5, 3144–3151. doi: 10.1103/PhysRevB.5.3144

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wünsche, J., Deng, Y., Kumar, P., Di Mauro, E., Josberger, E., Sayago, J., et al. (2015). Протонный и электронный транспорт в гидратированных тонких пленках пигмента эумеланина. Хим. Матер. 27, 436–442. doi: 10.1021/cm502939r

CrossRef Full Text | Google Scholar

Сяо Г., Ши К., Лев К., Ин К. и Ван Ю. (2018). Легированный Nb слой TiO 2 для переноса электронов для эффективных перовскитных солнечных элементов. Приложение ACS Энергия Матер. 1, 2576–2581. doi: 10.1021/acsaem.8b00286

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Чжао X., Парк Н.-Г., Чжао X. и Пак Н.-Г. (2015). Проблемы стабильности перовскитных солнечных элементов. Фотоника 2, 1139–1151. doi: 10.3390/photonics2041139

CrossRef Full Text | Google Scholar

Чжэн Ю., Конг Дж., Хуанг Д., Ши В., Макмиллон-Браун Л., Кац Х. Э. и др. (2018). Распылительное покрытие электронно-транспортного слоя PCBM значительно повышает эффективность p-i-n планарных перовскитных солнечных элементов. Наношкала 10,с 11342–11348. doi: 10.1039/C8NR01763H

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Терхейден Б., Хан Г., Скорка Д., Бринкманн Н. и Горгулла А. (2014). «Влияние кислорода во время термического отжига на электрические и оптические свойства осажденных распылением пленок ZnO, легированных алюминием, для применения в солнечных элементах с гетеропереходом», 29-я Европейская конференция и выставка по фотоэлектрической солнечной энергии . 1076–1080. doi: 10.4229/EUPVSEC20142014-2AV.3.43

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Дигалогениды оксида ниобия NbOX2: новое семейство двумерных ван-дер-ваальсовых слоистых материалов с собственным сегнето- и антисегнетоэлектричеством

Дигалогениды оксида ниобия NbOX

₂ : новое семейство двумерных ван-дер-ваальсовых слоистых материалов с собственным сегнето- и антисегнетоэлектричеством†

Инлу Джиа, 9 лет0063 аб Мин. Чжао, ^и Гаоян Гоу, * ^и Сяо Ченг Цзэн * ^б и Джу Ли * ^с

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Пограничный институт науки и технологий и Государственная ключевая лаборатория механического поведения материалов Сианьского университета Цзяотун, Сиань 710049, Китай
Электронная почта: гугаоян@mail. xjtu.edu.cn

^б Кафедра химии и кафедра машиностроения и материаловедения, Университет Небраски-Линкольн, Линкольн, Небраска 68588, США
Электронная почта: [email protected]

^с Департамент ядерной науки и инженерии и Департамент материаловедения и инженерии, Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс 02139, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ
Электронная почта: [email protected]

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Двумерные (2D) ферроэлектрические (FE) материалы, демонстрирующие спонтанную поляризацию, являются многообещающими кандидатами для миниатюрных электронных устройств и устройств памяти. Однако стабильные упорядочения КЭ пока экспериментально обнаружены только в небольшом количестве 2D-материалов. В текущей работе, основанной на высокопроизводительном скрининге базы данных 2D-слоистых материалов Ван-дер-Ваальса и расчетах из первых принципов, мы демонстрируем дигалогениды оксида ниобия NbOX ₂ (X = Cl, Br и I), группа экспериментально синтезированных, но недостаточно изученных слоистых соединений Ван-дер-Ваальса, как новое семейство 2D-материалов, которые одновременно проявляют собственное плоскостное сегнетоэлектричество и антисегнетоэлектричество. Подобно СЭ оксидам перовскита, полярное смещение катионов Nb относительно центра анионной октаэдрической клетки может привести к экспериментально измеряемым СЭ поляризациям до 27 мкКл см ⁻² в слоистых NbOX ₂ .