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