20.08.2013

Forscher entwickeln neue Fertigungstechnik für Zinkoxid-Dünnschichten

Maßgeschneiderte Nanostrukturen könnten Effizienz von Solarzellen erhöhen

Zinkoxid ist eines der wichtigsten Ingredienzien für aktuelle Nanowerkstoffe. Der Stoff findet bereits heute vielfache Anwendung, beispielsweise in Gassensoren oder Lasermaterialien. Auch in Solarzellen und organischen Halbleitern ist Zinkoxid (ZnO) in extrem dünnen Schichten verbaut. Die Rahmenbedingungen bei der Herstellung dieser nur einige hundert Nanometer dicken Schichten können die genauen Eigenschaften des Materials dabei entscheidend bestimmen.

Die Elektronenmikroskop-Aufnahme zeigt: Mit der neuen Methode können beispielsweise bläschenartige (oben) oder schaumartige (unten) Morphologien von Zinkoxid hergestellt werden.

Forscher der Technischen Universität München und von DESY haben jetzt eine vielversprechende Fertigungsmöglichkeit für ZnO-Nanoschichten entwickelt, die sowohl dabei helfen könnte, deren Effizienz und Zahl der Einsatzmöglichkeiten zu erhöhen als auch die Herstellungskosten deutlich zu reduzieren. Die Ergebnisse ihrer Experimente, die unter anderem durch Röntgenanalytik an der Synchrotronstrahlungsquelle PETRA III erreicht wurden, haben die Forscher heute im Fachjournal ChemSusChem veröffentlicht (DOI 10.1002/cssc.201300291).

Die Breite der Anwendungen für Zinkoxid beruht auf der Vielzahl von inneren Strukturen, sogenannten Morphologien, die das Material annehmen kann. Durch verschiedene Herstellungskonditionen kann Zinkoxid beispielsweise zu Nanostäbchen, Tetrapoden oder bandartigen Formen gestaltet werden. Bei dem jetzt von dem München-Hamburger Forschungsteam vorgestellten Fertigungsverfahren haben die Wissenschaftler eine Methode entwickelt und systematisch untersucht, in der die Umgebungsbedingungen gezielt so geändert wurden, dass verschiedene Morphologien im Zinkoxid entstanden.

„Wir können mit dem Verfahren die Zinkoxid-Schicht auf der Nanoskala schaumartig, wurmartig oder auch in Kreisen anordnen“, sagt Erstautorin Kuhu Sarkar von der TU München.

Für ihre Experimente nahmen die Forscher ein Dünnschichtpolymer als eine Art nanoskaliger Gussform für die Zinkoxid-Struktur. In einem Flüssigkeitsmix aufgelöst, wurde eine Vorstufe des Zinkoxids (ZAD) zusammen mit der Polymerlösung im sogenannten Schleuderbeschichtungsverfahren-Verfahren auf ein Silizium-Trägermaterial aufgebracht. Dabei wird die Lösung auf den Träger aufgebracht, der mit einigen tausend Umdrehungen pro Minute rotiert, verläuft zu einer gleichmäßigen Nanoschicht von einigen hundert Nanometern Dicke und trocknet aus. Bei diesem Prozess veränderten die Wissenschaftler die relativen Anteile der Lösungsbestandteile Wasser, Polymer und Zinkoxidvorstufe.

Nach dem Herstellen wurden die Proben erhitzt. Bei dieser sogenannten Kalzinierung verschwinden Wasser und Polymer aus der Dünnschichtprobe – übrig bleibt die kristalline Zinkoxidstruktur, deren Morphologie mit den Bestandteilen der verwendeten Lösung variiert.

Die Wissenschaftler stellten in systematischen Untersuchungen ein Phasendiagramm auf, in dem die Abhängigkeiten der ZnO-Morphologie von der Zusammensetzung der Eingangslösung dargestellt sind. Hierfür untersuchten sie die nanoskalige Struktur der ZnO-Schichten mit hochintensiven Röntgenstrahlen an der Strahlführung P03 von DESYs Synchrotronquelle PETRA III. Als nächsten Schritt wollen die Forscher sämtliche Schritte des Produktionsprozesses mit Synchrotronlicht analysieren, um so weitere Ansatzpunkte zur Beeinflussung der Nanoschicht zu bekommen.

„Wir wollen mit unserer Fertigungstechnologie möglichst viele verschiedene Kristallstrukturen und Morphologien des Zinkoxids herstellen und so die Schlüsselfunktionalitäten wie Leitfähigkeit und mechanische Eigenschaften der Strukturen genauestens einstellen“, erklärt DESY-Forscher Stephan Roth.

Außerdem schweben den Forschern einfachere Produktionsprozesse vor, in denen die Beschichtung mit anderen Verfahren durchgeführt wird. Damit wären auch gleichmäßige Nanoschichten auf sehr großen Flächen möglich. „In Solarzellen liegen bis zu sieben Nanoschichten verschiedener Materialien übereinander“, erklärt Peter Müller-Buschbaum von der TU München. „Das genaue Verständnis der Herstellung solcher Schichten ist der Schlüssel für neue Generationen solcher alternativen Energieträger, die hocheffizient, lange haltbar und kostengünstig sind.“