Synthese und Charakterisierung von Kupferoxiddünnschichten

Abstract

Das Materialsystem der Kupferoxide stellt aufgrund seiner direkten optischen Bandübergänge mit Energien von 1,6 (CuO) bzw. 2,1 eV (Cu2O) und seiner intrinsischen Löcherleitung ein vielversprechendes Material für zukünftige Solarzellenapplikationen dar. Zudem ist das für die Synthese notwendige Element Kupfer reichlich verfügbar und nichttoxisch.Im Rahmen dieser Dissertation wurden umfangreiche Untersuchungen zur Radiofrequenz-Kathodendeposition (RF-Sputtern) von Kupferoxiden, insbesondere der Phase Cu2O, durchgeführt. Dabei wurde sowohl ein metallisches Kupfertarget, als auch ein selbst hergestelltes Cu2O-Sintertarget verwendet. Die Veränderung der Stöchiometrie des Systems CuxO im Bereich von x=1 bis x=2 konnte durch strukturelle, elektrische, optische und stöchiometrische Analysen nachgewiesen werden. Das keramische Target erwies sich dabei in Bezug auf die Reproduzierbarkeit und stöchiometrische Einstellbarkeit dem metallischen als klar überlegen. Die intrinsische Löcherleitung von Cu2O ist nach allgemeiner Ansicht durch die Formierung von Kupferleerstellen VCu bedingt, die als Akzeptoren wirken. Eine verbesserte intrinsische elektrische Leifähigkeit wird deshalb immer mit strukturellen Defiziten erkauft. Die Dotierung mit einem Fremdelement könnte dieses Hindernis umgehen. Aus diesem Grund wurden Dotierungsexperimente von keramisch synthetisierten Cu2O-Dünnschichten mit Stickstoffgas durchgeführt. Die Ladungsträgerkonzentrationen konnten durch den Stickstoffeinbau um mehr als drei Größenordnungen auf über 1017 cm-3 variiert werden, ohne die Struktur der Schichten übermäßig zu verschlechtern. Ausgehend von den erfolgreichen Experimenten zur Stickstoffdotierung wurden Cu2O-ZnO-Heterostrukturen hergestellt, strukturiert und charakterisiert. Dabei konnte gleichrichtendes Diodenverhalten am p-n-Übergang zwischen Cu2O und ZnO beobachtet werden. Unter Lichteinstrahlung wurde der photovoltaische Effekt beobachtet.