Transparente Leitende Oxide (TCO)

Wofür werden TCOs benötigt? Wie kommen diese Eigenschaften zustande?

Anwendungen LCD-Bildschirme Plasmabildschirme (organische) Solarzellen OLEDs Dünnschicht Solarzellen

Solarzellen und OLEDs

Marktentwicklung von LCD-TV

Entwicklung des Weltenergieverbrauchs bis 2100

Indiumproduktion

Indiumpreise

Lösung Mehr Recyceln: Neuer Stoff: Wie kommt man zu den Eigenschaften? Problem: Dünne Schichten-> niedrige Konzentrationen von In Neuer Stoff: Verfügbarkeit der Ausgangsstoffe Gleich hohe Leitfähigkeit Gleich hohe Transparenz Wie kommt man zu den Eigenschaften?

Leitende Materialien Elektrische Leitfähigkeit: Metalle: Elektronen als Elektronengas gut verfügbar + gute Beweglichkeit

Leitende Materialien Ladungsträgerkonzentration Kupfer: 9 · 1022cm-3 Widerstände Metalle: Eisen: 1 · 10-5 Ωcm Kupfer: 1,7 · 10-6 Ωcm Zink: 5,9 · 10-6 Ωcm Indium 8,3 · 10-6 Ωcm Ladungsträgerkonzentration Kupfer: 9 · 1022cm-3

Leitende Materialien Metalle Nicht transparent

Sichtbares Licht Daraus folgt: Wir benötigen Material das im Bereich von 1,5eV bis 3eV keine elektronische Anregung zeigt

Halbleiter Besitzen Bandlücke Muss mindestens 3eV groß sein

Bandlücke von Stoffen

Halbleiter - Widerstand Problem: Widerstand bei Raumtemperatur hoch Lösung: Dotierung mit e- reicherem Material um die Ladungsträgerkonzentration zu erhöhen

n-Dotierung

Warum ist ITO so gut? CaF-Struktur mit 2F-Leerstellen: In3+, O2- In2O3:Sn Dotierungsgrad 10% Bandlücke von 3,7 eV Ladungsträgerkonzentration: 1021cm-3 Somit geringer Widerstand: 3,5*10-5 Ωcm Temperaturbeständigkeit bis 400°C Hohe Transparenz

Warum ist ITO so gut? CaF-Struktur: In3+, O2- In2O3:Sn Dotierungsgrad 10% Bandlücke von 3,7 eV Ladungsträgerkonzentration: 1021 cm-3 Somit geringer Widerstand: 3,5*10-5 Ωcm Temperaturbeständigkeit bis 400°C Hohe Transparenz

Transparenz

Sputtern

LSPS-Low-pressure-spray pyrolysis

Leitfähigkeit von verschiedenen Stoffen

Alternativen ZnO:Al SnO2:F CdO:In

ZnO:Al Kristall: Widerstand: 2,6 ·10-4 Ωcm Probleme: Wurzit-Typ, Zn2+, O2- Widerstand: 2,6 ·10-4 Ωcm Probleme: Zn sehr reaktiv Es werden O2-Fehlstellen eingebaut Sputter müssen O2 frei sein Enges Prozessfenster

SnO2 : F CdO : In Rutil-Typ: Sn4+, O2- Widerstand zu hoch NaCl-Typ: Cd2+, O2- Widerstand sehr gut: 10-5 Ωcm Toxisch CdO : In

p-dotierte TCOs

CuAlO2+x Hoher Widerstand: 102 Ωcm Geringe Transparenz

Resumé Indiumzinnoxid bester Leiter Erforschung neuer Transparenter Leitender Oxide ist nötig

Quellen T. Minami, New n-Type Transparent Conducting Oxides, MRS Bulletin, 2000 T. Ogi, F. Iskandar, Y. Itoh and K. Okuyama, Journal of Nanoparticle Research, 2006, 8: 343–350 M. D. McCluskey and S. J. Jokela1, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 2009, 106, 071101 A. C. Tolcin, U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, 2009 H. Kawazoe, M. Yasukawa, H. Hyodo, M. Kurita, H. Yanagi and H. Hosono, NATURE, 1997, VOL 389, 939-942 A.N. Banerjee, K.K. Chattopadhyay,Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 2005, 50, 52-105 C. H. Lee and C. S. Huang, Materials Science and Engineering, 1994, 1322, 233-240 B. Szyszka, A. Pflug, V. Sittinger and Stephan Ulrich,VIP, 2010, 22, 3, 15-17 Sunandan Baruah and Joydeep Dutta, Sci. Technol. Adv. Mater., 2009, 10, 013001 David P. Norton, Materials Science and Engineering, 2004, R 43, 139–247 K. H. Wedepohl,Geochimica et Cosmochimica Acta, 1995, 59, 7, 1217-1232 K. Ellmer, J. Phys. D: Appl. Phys. 34 (2001) 3097–3108 http://www.uni-giessen.de/materialwissenschaften/dateien-nanosurface/G._Braeuer.pdf http://www.prad.de/new/tv/specials/oled-transparent-und-flexibel.html http://www.chemie-im-alltag.de/articles/0107/EM_Spektrum.JPG http://wwwex.physik.uni-ulm.de/lehre/physikalischeelektronik/phys_elektr/node84.html http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/cc/Schema_einer_Sputterkammer.svg http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:NaCl_polyhedra.png&filetimestamp=20080407140702 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Rutile-unit-cell-3D-balls.png Vorlesungsskript zum Modul ACV: Festkörperchemie II

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

Gliederung Einleitung TCOs Indium Anwendungen Fazit

Probleme bei der Synthese Zink sehr reaktiv:-> teilweise oxidation sehr schwierig

Aufbringen der Substrate Sputtern

LCD-Bildschirme

Solarzelle

Dünnschicht-Solarzellen

Probleme Indiumzinoxid bestes Material (ITO) Indiumresourcen gehen zur Neige

Gliederung Wofür werden TCOs benötigt? Wie kommen diese Eigenschaften zustande? Zusammenfassung

Bandlücke von Stoffen Diamant 5,6eV In2O3 3,8eV ZnO 3,4eV Silizium: 1,1eV

Widerstände in Abhängigkeit von der O2 Konzentration