Substrate-activation approach for the chemical bath deposition of ZnO compact layers

Abstract

Die chemische Badabscheidung von ZnO ist eine kostengünstige Methode zur Herstellung von ZnO Dünnschichten. Um dieses Verfahren jedoch auf Substraten mit unterschiedlicher Beschaffenheit anwenden zu können, ist es notwendig die Oberfläche des Substrats mit einem Seed-Layer zu aktivieren. In der präsentierten Arbeit liegt das Hauptaugenmerk auf der Kombination einer Seed-Layer-Methode, basierend auf der Reduktion von KMnO4, mit einem bereits vielfach angewendeten Rezept für die chemische Abscheidung von ZnO Kompaktfilmen. Die Proben wurden mit Oberflächen- und Querschnitts-Rasterelektronenmikroskopie, sowie mittels Röntgendiffraktometrie mit steilem Einfallwinkel untersucht. Um die elektro-optischen Eigenschaften zu analysieren wurde der Flächenwiderstand mittels Vierpunktmessung ermittelt und für die Bestimmung der Transmission Fourier-transform-infrarot-Spektrosopie mit Ulbrichtkugel-Einsatz durchgeführt. Nach anfänglichen Problemen mit der Reproduzierbarkeit wurden die entscheidenden Einflussfaktoren untersucht und die Methode durch die Trennung von Zitronensäure und Seed-Layer verbessert. ZnO Dünnfilme, abgeschieden mit diesem verbesserten Ansatz, wurden auf den Einfluss von Dotiermittel untersucht und die Methode wurde mit einem bereits bekannten Seeding Ansatz, basierend auf Spin-Coating verglichen. Obwohl die Methode in gewissen Punkten noch verbessert werden muss, konnten vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die elektro-optischen Eigenschaften erzielt werden. Der nächste Schritt wäre nun die Methode auch auf rauen Oberflächen anzuwenden und so ZnO als transparentes elektrisch leitfähiges Oxid in Dünnschichtsolarzellen und anderen Anwendungen einzusetzen.

The chemical bath deposition of ZnO is a method to produce ZnO thin films with high yield at low cost. Even so, for using this approach on a variety of surfaces it is necessary to deposit a seed layer prior to the CBD procedure. In this thesis, the main focus will lie on combining a seed layer approach, based on the reduction of KMnO4, with a known route for the CBD of ZnO compact films. The morphology of the samples was investigated with surface and cross-sectional SEM as well as GIXRD analysis. For the electro optical properties of the sample, sheet resistance measurements with a four-point probe were performed to get the resistivity and FT-IR spectroscopy with an integrating sphere for the optical transmission. After initial tests of the procedure, problems occurred with the reproducibility of the samples which lead to a more thorough investigation of the influencing factors. An improvement in regard to the reproducibility was observed in the case of a separation of the seed layer and the citric acid in the solution. The impact of dopants and deposition time on the thin film was subsequently investigated for the final method and the route was compared to an already known approach with a seed layer method based on spin-coating. The final results show that while the procedure has to be examined further the reproducibility of the samples is high with promising results for electro optical properties. The next step would be to apply this procedure to deposit ZnO on rough surfaces which can then be used as front contact in solar cells or in other applications as TCO.