Abstract Transparent conductive oxides deposited by magnetron sputtering : synthesis and characterization

Transparent conductive oxides deposited by magnetron sputtering: synthesis and characterization Mathias Axelsson Teknisknaturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat. uu.se/student The thesis has dealt with transparent conducting oxide (TCO) materials, with a focus on Al:ZnO and with studies on Sn:In2O3 and ZnO. TCOs are a material group that is used for its properties of being conductive and at the same time transparent. In solar cells, a top layer of TCO is often used to allow light to transmit into the cell and then conduct the resulting current. A set of growth parameters was chosen and optimized through a literature study and experiments. The depositied thin films were characterized by optical and electrical characterization methods. Rf-magnetron-sputtering was used as the deposition method, where the influence of O2, argon and substrate temperature were the parameters to be studied. As a part of the characterization a model for spectroscopic ellipsometry on Al:ZnO was made, enabling faster measurement of transport properties. The main parameter affecting the TCO properties was found to be oxygen flow and the optimum flow value for each material has been determined. Substrate heating did not show any significant improvement on the resistivity of Al:ZnO with a minimum value of ~5.0*10 Ωcm while no heating resulted in a value of ~6.0*10 Ωcm. These values are comparable to the state-of-the-art from the literature. As a demonstration of application, the developed AZO and ZnO were applied to CIGS solar cells and these were compared to a reference. The newly developed AZO and ZnO was comparable to the reference but a lower mean fill factor indicates that improvements can be made. Handledare: Tomas Kubart Ämnesgranskare: Tobias Törndahl Examinator: Peter Broqvist ISSN: 1650-8297, UPTEC K 19017 Populärvetenskaplig sammanfattning Transparenta ledande oxider deponerade via magnetronsputtering: syntes och karaktärisering När man nämner metaller så tänker många på ett blankt, kanske silverfärgat material som kan leda ström. Transparens är nog inte en egenskap de flesta skulle använda. Om man då säger glas är det just ett transparent material man tänker på, t.ex. en fönsterruta, som de flesta inte relaterar till som ett ledande material. Nu vill vi dock ha ledande material som är transparenta, vad finns då? Ett svar till detta är material gruppen TCO, transparenta ledande oxider. Dessa används idag i stor utsträckning inom ”flat screen” tv-apparater, solceller och ”smarta” fönster. Här används TCOer som det översta lagret för att släppa in/ut ljus samtidigt som det kan leda de strömmar som uppkommer för att varje tillämpning ska fungera. I denna rapport tas en processmetod fram för TCO-materialet AZO, aluminium-dopad zink-oxid, med beläggningsmetoden rf-magnetron-sputtring, där rf står för radiofrekvens. Materialen tenn-dopad indium-oxid, ITO, och zink-oxid, ZnO, studeras även dessa. ITO är också en TCO, som AZO, medans ZnO t.ex. används som ett intrinsiskt lager mellan CdS och AZO i CIGS solceller. För att TCO material ska vara transparenta bör de absorbera så lite som möjligt av det inkommande ljuset. Detta är möjligt ifall materialets bandgap är större än energin hos de inkommande fotonerna och att spridningen inuti materialet är så liten som möjligt. Att uppnå det andra av dessa två krav underlättas om materialet utgörs av en tunnfilm vilket minskar risken att fotonerna stöter på defekter som kan få ljuset att spridas. Vad gällande första kravet så är bandgapet till stor del en materialegenskap, men det går att justera i viss mån genom dopning. Att dopa ett material innebär att tillföra extra elektroner eller hål och detta kan ske både intrinsiskt eller extrinsiskt. Intrinsiskt i detta fall är syrevakanser i kristallstrukturen, d.v. s. att det saknas syreatomer, och extrinsisk dopning är genom att tillföra ett nytt ämne till strukturen som har fler eller färre valenselektroner än atomerna i strukturen. Ett element med färre valenselektroner dopar materialet genom uppkomst av hålledning, kallas för p-dopning, något som inte hanteras i denna rapport, och ett ämne med fler valenselektroner tillför extra elektroner och kallas för n-dopning. För karakterisering av AZO filmerna användes bl.a. spektroskopisk ellipsometri, SE, för att uppskatta värdena för laddningstransporterna. SE är en optisk metod där en modell skapas för att efterlikna den reella kurvan som mäts upp. När modellen väl är klar så kan mätningar på samma material utföras relativt snabbt. AZO filmerna deponerades under 5 min med en sputtereffekt på 640 W och detta gjordes i vakuum med ett tryck på 0,6 mbar. Resultatet var <200 nm tjocka filmer med en transparens >80 % för majoriteten av filmerna. Som processgaser användes Ar och O2 där inverkan av O2 påverkade filmernas elektriska egenskaper stort. Resultaten visade en betydande inverkan av O2 halt i gasflödet, där 0-1 % resulterade i låga lager-resistanser kring 30-40 Ω/□. Över 1 % så ökade resistansen nämnvärt. Vid ökad O2 så erhölls dock en lägre absorption, vilket resulterade i en optimering av O2halten där 0,5 % valdes som det bästa flödet för att ge både en låg lager-resistans och låg absorbans. Effekten av att värma substratet under deponering studerades också vilket resulterade i något lägre absorption, troligen kopplat till de tunnare filmerna som erhölls, och en resistans liknande den för filmer utan tillförd värme. ITO och ZnO visade också en korrelation mellan O2 halt i flödet och lagerresistans. Resultaten för ZnO liknade AZO, vilket var förväntat då det är samma värdmaterial, men ITO visade högre lager-resistans både vid låga och höga O2 halter med ett minimum vid 2,4-3,0 %. Dessa resultat är jämförbara med vad som är state-of-the-art idag och de resultat som andra rapporter åstadkommit. För polykristallina AZO filmer ligger de bästa kring 2*10 Ωcm i resistivitet och