Pulsed laser growth of La2NiMnO6 for intermediate band solar cells

Abstract

Mellombåndssolceller har vist stort potensiale for å øke effektiviteten til fotoelektriske enheter, og samtidig redusere kostnaden knyttet til produsert elektrisitet. Funksjonelle oksidmaterialer, som doble perovskitter, er kandidater for benyttelse som absorbsjonslag i mellombåndssolceller, fordi ekstra energitilstander kan introduseres i båndstrukturen når kationene i materialet ordnes periodisk. I disse materialene er de funksjonelle egenskapene tett knyttet til den atomære strukturen. Derfor er kontroll på ordningen av atomene en forutsetning for å kunne styre og manipulere de funksjonelle egenskapene.

I dette arbeidet ble tynnfilmer av La2NiMnO6 (LNMO) grodd på substrat av (111)-orientert SrTiO3 ved bruk av pulsert laserdeponering. Substratpreparering ble gjennomført ved bruk av DI-vann og høytemperaturgløding, og prosessen ble optimalisert for å gi en periodisk trinn- og terrassestruktur. Metoden er et trygt og miljøvennlig alternativ til dagens standard prosedyre, som baserer seg på etsning av overflaten med flussyre. Overflaten til de grodde tynnfilmene speilet strukturen til substratet de ble grodd på, og kontroll på filmens morfologi ble derfor oppnådd. Avstanden mellom kildemateriale og substrat under deponering hadde liten påvirkning på vekstmoden for de første lagene av filmen, mens det ble observert at overflateruheten til filmene økte med filmtykkelse. En gradvis overgang fra lagvis- til tredimensjonal vekst ble observert ved bruk av atomær kraftmikroskopi og refleksjons høyenergi elektrondiffraksjon. Den kritiske tykkelsen, der veksten slutter å være epitaksiell og det går over til tredimensjonal vekst, er vist å øke på substrat med sammenvokste terrasser. Videre bekrefter karakterisering ved røntgendiffraksjon og transmisjonselektronmikroskopi at de grodde filmene er krystalline. Magnetiske målinger fra vibrerende-prøve magnetometri viser ingen tegn til ferromagnetiske faser, noe som indikerer at de grodde filmene ikke er støkiometriske.

Tynnfilmer av LNMO ble grodd med god kontroll på overflatestrukturen, skjønt ordning av kationer ikke har blitt bekreftet. For videre utvikling av vekstprosessen foreslås det å øke oksygentrykket eller substrattemperaturen under deponering for å forbedre støkiometri, og dermed fremme vekst av filmer med funksjonelle egenskaper.

Intermediate band solar cells show great potential to increase the efficiency of photovoltaics, while reducing the cost of the generated electricity. Functional oxide double perovskites are among the candidate materials for intermediate band solar cells, as additional energy states can be introduced in the band structure through periodic ordering of the cations. In these materials, the functional properties are closely related to the atomic structure. Thus, control of the ordering of atoms in the material is a prerequisite for manipulation of the functional properties.

In this work, thin films of La2NiMnO6 (LNMO) were grown on (111)-oriented SrTiO3 substrates by pulsed laser deposition. Substrate surface preparation by DI-water etching and high-temperature annealing was optimized to yield a uniform step-and-terrace surface structure, providing a green alternative to the standard procedure of etching with hydrofluoric acid. LNMO films were successfully grown with a morphology that duplicated the substrate surface, hence control of the film surface structure was obtained. The target-substrate distance during deposition was found to have minimal impact on the growth mode of the initial layers, whereas the surface roughness was found to increase with film thickness. A gradual transition from layer-by-layer growth to island growth was observed by atomic force microscopy and reflection high-energy electron diffraction. The critical thickness for growth relaxation was delayed by growth on step-bunched substrates. Further, x-ray diffraction and electron microscopy studies confirm that the films are crystalline. Magnetic measurements from vibrating-sample magnetometry show no indications of ferromagnetic phases, suggesting that the grown films are non-stoichiometric.

Thin films of LNMO were grown with control of the surface structure, although controlled ordering of cations was not confirmed. For further development, it is suggested that the oxygen pressure or the substrate temperature is increased during deposition, to improve stoichiometry and promote growth of films with functional properties.