TCOs

Sputtertarget auf einer Vakuumkammer

Transparente, leitfähige Oxide (TCOs)

Transparente, leitfähige Oxide (engl. transparent conducting oxides, TCOs) finden Verwendung in vielen (opto)elektronischen Bauteilen, wie z.B. als Elektroden in Dünnschichtsolarzellen oder organischen Leuchtdioden (OLEDs). Neuerdings werden auch TCOs für Dünschichttransistoren (engl. thin film transistors, TFTs) entwickelt. Weitere wichtige Anwendungen stellen Gas-Sensoren oder Fensterbeschichtungen dar. Die grundlegenden TCO Materialien sind dabei Indiumoxid (In2O3), Zinnoxid (SnO2) und Zinkoxid (ZnO). Diese Materialien können mit Zinn (In2O3:Sn, auch bekannt als ITO), Fluor (SnO2:F) oder Aluminium (ZnO:Al) entartet n-dotiert werden. Die Funktion dieser TCOs wird größtenteils durch die elektrischen und optischen Eigenschaften bestimmt. Werden sie als Elektrodenmaterial für Halbleiter oder Sensoren verwendet, bekommen ihre Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften besondere Bedeutung.

CuInSe2 Solar Cell
Schematischer Aufbau und Banddiagramm einer Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzelle mit transparentem ZnO-Frontkontakt
Schematischer Aufbau und Banddiagramm einer Cu(In,Ga)Se2-Dünnschichtsolarzelle mit transparentem ZnO-Frontkontakt

Weiterführende Information zu TCOs

  • H. L. Hartnagel, A. L. Dawar, A. K. Jain, C. Jagadish, Semiconducting Transparent Thin Films, (Institute of Physics Publishing, Bristol, 1995).
  • MRS Bulletin Vol. 25 [August] (2000)
  • C. Jagadish, S. J. Pearton (Eds.), Zinc Oxide: Bulk, Thin Films and Nanostructures (Elsevier, Oxford, 2006).
  • K. Ellmer, A. Klein, B. Rech (Eds.), Transparent Conducting Zinc Oxide: Basics and Application in Thin Film Solar Cells (Springer-Verlag, in press)

Forschung

Wir untersuchen die Oberflächen transparenter, leitfähiger Oxide und ihre Grenzflächen in Dünnschichtsolarzellen (z.B. CdTe und CIGS) und organischen Leuchtdioden. Unser Fokus liegt dabei auf den chemischen und elektronischen Eigenschaften dieser Oberflächen und Grenzflächen. Durch die Verwendung der Photoelektronenspektroskopie (XPS und UPS) erhalten wir Informationen über die chemische Zusammensetzung (Segregation, Interdiffusion, chem. Reaktivität), Bandanpassung und Oberflächenpotentiale (Position des Fermi-Niveaus, Austrittsarbeit). Die dünnen TCO Schichten werden hauptsächlich durch Magnetron-Kathodenzerstäubung präpariert, wenngleich auch keramische Proben untersucht werden. Die Dünnschichtabscheidung nachfolgende in-situ XPS/UPS Charakterisierung ist möglich durch die Verwendung des integrierten Systems DAISY-Mat.

Die Defekteigenschaften sind entscheidend für das Verständnis der elektronischen Eigenschaften der Oxide. Wir gewinnen diese Informationen aus Messungen der Position des Fermi-Niveaus. The energetischen und kinetischen Eigenschaften der Defekte werden in Kooperation mit anderen Fachgebieten untersucht (siehe unten).

UP-Spektren von In2O3: Fermi-Niveau und Austrittsarbeit verändern sich durch Ausheizen in Sauerstoff.
UP-Spektren von In2O3: Fermi-Niveau und Austrittsarbeit verändern sich durch Ausheizen in Sauerstoff.

Untersuchte Systeme

  • Oberflächenzusammensetzung, Fermi-Niveau Position, Austrittsarbeit, Ionisationspotential von „Basis“-TCOs (In2O3, ITO, SnO2, SnO2:Sb, ZnO, ZnO:Al)
  • Oberflächeneigenschaften von keramischen TCOs mit komplexer Zusammensetzung (co-dotiertes Bixbyite, CuAlO2 und andere)
  • Grenzflächen zwischen ZnO und CdS, Cu(In,Ga)Se2 und In2S3
  • Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von (Zn,Mg)O
  • Grenzflächen zwischen ITO und organischen Molekülen (ZnPC)
  • Grenzflächeneigenschaften zwischen SnO2 und CdS
  • Grenzflächeneigenschaften von In2O3 und CdTe
  • Energetik intrinsischer Punktdefekte in ZnO und In2O3
  • Energiebandstruktur von In2O3

Experimentell bestimmte Energiebandanpassung an verschiedenen TCO-Grenzflächen
Experimentell bestimmte Energiebandanpassung an verschiedenen TCO-Grenzflächen

Kooperationen

Veröffentlichungen

Eine Liste der Veröffentlichungen auf diesem Gebiet folgt in Kürze.