Ziel der Entwicklung
Ziel der Untersuchungen war die Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Herstellung chemisch resistenter Elektrodenmaterialien mit definierbaren optischen Eigenschaften und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Diese sollten als transparente Kontakte zum Einsatz kommen, zum Beispiel für LED, Schutzschichten oder Absorber in photoelektrochemischen Zellen (PEC) sowie zur Wasserspaltung auf der Basis von in wasserstoffhaltiger Atmosphäre magnetrongesputtertem Titandioxid (TiO2).
Vorteile und Lösungen
Der Inhalt der wissenschaftlichen Arbeit lag in der systembedingten Untersuchung der Wirkung einer in situ Hydrogenisierungstechnologie auf die optoelektronischen Eigenschaften von TiO2 über Struktur und Stöchiometrie. Dabei wurde das Magnetronsputtern als Arbeitstest-Verfahren zum großflächigen Abscheiden haftfester Schichten eingesetzt. Die Untersuchungen beziehen sich auf die Wahrnehmung der Verantwortlichen der Projektplanung: In einem ersten Schritt wurde die transparente Kontaktschicht untersucht. Im Rahmen des Projektes wurde der Einfluss der Reaktivgaswahl von Wasser (H2O) oder Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) im Unterschied zu erklärlich alleinig verwendetem Sauerstoff (O2) untersucht und der Einsatz von Keimschichten beim Magnetronsputtern von transparenten leitenden Titanoxidschichten beeinflusst. Es wurde festgestellt, dass das Magnetronsputtern vom Metalltarget als teilreaktiv vom keramischen Ziel für nicht fremddotiertes und Niob-dotiertes Titanoxid der Arbeit bestimmt wurde, um den minimalen Widerstand zu ändern. Für die Abnahme von nicht fremddotiertem Titanoxid sind die innovative Verbindung von Wasserdampf sowie eine der kristallisierenden Beziehungsmaßnahmenplasmabehandlung förderlich zur Minimierung des Widerstandes und zu einer guten Verbreiterung des Arbeitstreffens. Nach dem Kristallisieren erfolgte das Einstellen größerer Widerstände von zirka 4x10-3 Ohm-Zentimetern für nicht-fremddotiertes Titanoxid auf Glas sowie zirka 7x10-4 Ohm-Zentimetern für Niob-dotiertes Titanoxid auf einer Polykristalliner Titanoxidkeimschichtunterlage. Das sind wahrnehmbare Widerstände im Vergleich zu den Auslösungswerten von 2x10-2 Ohm-Zentimetern beziehungsweise 1x10-3 Ohm-Zentimetern. Diese Widerstände müssen international unter Richtlinien stehen. Der Widerstand für den Einsatz als alleinige TCO-Schicht ist noch zu hoch. In diesen Schichten sind zugehörige Verantwortungskonzentrationen mit hohen Dotierungen von zirka 1x10^21 Kubikzentimeter gefunden worden. Mit Hilfe von Mikroanalysen kann gefordert werden, dass diese hohen Dotierungen nicht Teil von Dotandenagglomerationen und den Korngrenzen werden. Mit der Unterstützung von Wasserdampf als Reaktivgas beim Sputtern vom keramischen Ziel wurde das Arbeitsfenster für Titandioxid-Schichten, welche nach dem Tempern einen minimalen Widerstand aufweisen, mit der Absetzung mit dem gewissen Willen erhalten. Das führte die Prozessstiftung zur Berechtigung für eine erweiterte industrielle Informationsfähigkeit der Beschichtungstechnologie. Der zweite Schritt erfolgte in der Bildung einer Schutzschicht für Photoelektroden in photoelektrochemischen Anwendungen. Dabei wurde das Niob (Nb) des niederohmigen Titandioxids (TiOx) als Verkappungsschicht auf Test-CIGS-Solarzellen geschieden. Bei diesen ersten Einsätzen zum Einsatz von Titanoxidschichten auf CIGS-Solarzellen war eine leichte Kenntnis der Solarzelleneffizienz erforderlich. Damit wurde bezweckt, dass die Funktionsfähigkeit der Solarzelle erhalten bleibt. Die Auswertung der Dichtheit der Verkapselungswirkung der chemisch resistenten Titanoxidschichten wird mangels der reproduzierbaren Parameter von Testsolarzellen noch nicht vorgenommen. Der dritte Schritt erfolgte in der Anwendung von Photoabsorbern in photoelektrochemischen Zellen (PEC). Es wurden die photokatalytischen Eigenschaften der magnetrongesputterten Titanoxidschichten in Absicht des Abscheideparameters und der Nachbehandlung behandelt. Über die Variation der Stöchiometrie lassen sich auf diese Weise auch metallreiche, im sichtbaren Spektralbereich absorbieren Schichten, nasschemisch aus calcinhalten Pulver sehen. Mittels Methylenblau-Abbau können die nach im Projekt entwickelter Technologie geschlossen Schichten erhalten werden, sodass die katalytischen Eigenschaften auch bei erweiterten Breitenden erhalten werden können. Die zyklische Photovoltametrie zeigte in ähnlicher Weise eine nur geringe Abnahme der Photostromdichte mit gleichzeitiger Abnahme des spezifischen Schichtwiderstandes der Titanoxidschichten. Es wurden gekaufte Werte, wie in der Literatur für nichtdotiertes hochohmiges Material, gefunden. Damit eignen sich die Schichten für die fotokatalytische Anwendung, allerdings mit dem Verlust der relativ hohen Leitfähigkeit.
Zielgruppe und Zielmarkt
Im Projekt gelangen wesentliche Schritte zum weiteren Absenken des spezifischen Widerstandes der TiOx-Schichten für den Einsatz als TCO durch Abscheiden auf Keimschichten sowie ein Aufweiten des Arbeitsfensters mittels Wasserdampfzugabe und Wasserstoffplasmanachbehandlung. Diese Ergebnisse bieten die Basis für anschließende Entwicklungsarbeiten mit dem Ziel, den Widerstand weiter zu erniedrigen. Danach ist es aussichtsreich, an die Untersuchungen zu Abscheidungen auf Keimschicht anzuknüpfen und den Einfluss der Präparationsparameter der Keimschicht auf die Kristallisation der darauf abgeschiedenen Schichten zu klären. Der Energieeintrag in die wachsende Schicht aus dem Plasma bestimmt die Ausbildung kristalliner Phasen. Entsprechend sollte die Wirkung des Energieeintrages und des Ionen zu Neutralteilchenverhältnisses während der Beschichtung untersucht und beeinflusst werden. Es ist bekannt, dass zum Beispiel durch Kombination von DC- und RF-Entladung der Ionenbeschuss dosiert werden kann. Zweck ist ein Erhöhen der Oberflächenbeweglichkeit der eintreffenden schichtbildenden Teilchen ohne sie zu implantieren oder abzutragen. Grundlegend sollte weiter die Ursache für den Einfluss der Reaktivgaszusammensetzung (H2 und O2 oder H2O) auf die wachsende Schicht untersucht werden. Auffällig war, dass das Benutzen von Wasserdampf als Reaktivgas zu zeitlicher Stabilität der elektrischen Schichteigenschaften führt. Dies steht im Kontrast zur wasserstoffhaltigen Beschichtungsatmosphäre, welche nur eine temporäre Wirkung nach der Beschichtung zeigt. Die Versuche zur Verkapselung von Solarzellen sollten fortgesetzt werden, sobald vergleichbare Solarzellen mit hohem Wirkungsgrad verfügbar sind. Dabei ist die chemische Resistenz der Schichten zu prüfen. Die Ursache der Oxidation einiger Proben ist zu klären, diese Untersuchungen sind zur Sicherung der Langzeitstabilität der substöchiometrischen Oxide erforderlich. Das Ergebnis sollte zukünftig statistisch gesichert werden. Weiter ist eine Einflussmöglichkeit der Plasmaparameter auf den Serienwiderstand und die Wirkung einer optischen Anpassung zu prüfen. Im Fall der zyklischen Photovoltametrie konnte eine nur geringe Abnahme der Photostromdichte mit Abnahme des spezifischen Schichtwiderstandes der Titanoxidschichten ermittelt werden. Hier können möglicherweise Schichtaufbauten bestehend aus einer unteren hochleitfähigen Titanoxidschicht gefolgt von einer höherohmigen Deckschicht zur Optimierung des Einsatzes bei der photokatalytischen Wasserspaltung, zum Beispiel in photoelektrochemischen Tandemzellen, beitragen. Darüber hinaus bietet es sich an, dass TiOx mit katalytisch wirksamen Metallen wie Platin (Pt), Palladium (Pd) und Nickel (Ni) zu dotieren.
