transparente leitende oxide (tco). wofür werden tcos benötigt? wie kommen diese eigenschaften...
Post on 05-Apr-2015
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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:– 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
• 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
Bandlücke /[eV] Ladungsträgerkonzentration /[cm -̂3] Widerstand /[Ohm cm]Diamant 5,6 0 unendlichIn2O3 3,8 7*10 2̂0 9*10 -̂1ZnO 3,4 3*10 2̂0 9*10 -̂1
Silizium: 1,1 1,1+10 1̂0 3*10 5̂
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:– 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
CdO : In
• Rutil-Typ: Sn4+, O2-
• Widerstand zu hoch
• NaCl-Typ: Cd2+, O2-
• Widerstand sehr gut: 10-5 Ωcm • Toxisch
SnO2 : F
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
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