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Transparente Leitende Oxide (TCO)

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.

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Transparente Leitende Oxide (TCO)

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Presentation Transcript

  1. Transparente Leitende Oxide (TCO)

  2. Wofür werden TCOs benötigt? • Wie kommen diese Eigenschaften zustande?

  3. Anwendungen • LCD-Bildschirme • Plasmabildschirme • (organische) Solarzellen • OLEDs • Dünnschicht Solarzellen

  4. Solarzellen und OLEDs

  5. Marktentwicklung von LCD-TV

  6. Entwicklung des Weltenergieverbrauchs bis 2100

  7. Indiumproduktion

  8. Indiumpreise

  9. 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?

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

  11. 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

  12. Leitende Materialien • Metalle • Nicht transparent

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

  14. Halbleiter • Besitzen Bandlücke • Muss mindestens 3eV groß sein

  15. Bandlücke von Stoffen

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

  17. n-Dotierung

  18. 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

  19. 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

  20. Transparenz

  21. Sputtern

  22. LSPS-Low-pressure-spray pyrolysis

  23. Leitfähigkeit von verschiedenen Stoffen

  24. Alternativen • ZnO:Al • SnO2:F • CdO:In

  25. 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

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

  27. p-dotierte TCOs

  28. CuAlO2+x • Hoher Widerstand: 102Ωcm • Geringe Transparenz

  29. Resumé • Indiumzinnoxid bester Leiter • Erforschung neuer Transparenter Leitender Oxide ist nötig

  30. 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. McCluskeyand 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

  31. Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

  32. Gliederung • Einleitung • TCOs • Indium • Anwendungen • Fazit

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

  34. Aufbringen der Substrate • Sputtern

  35. LCD-Bildschirme

  36. Solarzelle

  37. Dünnschicht-Solarzellen

  38. Probleme Indiumzinoxid bestes Material (ITO) Indiumresourcen gehen zur Neige

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

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

  41. Widerstände in Abhängigkeit von der O2 Konzentration

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