Filmes finos de ZnO como óxidos condutores transparentes aplicados à células solares

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Crescimento epitaxial e caracterização de filmes finos: óxidos condutores e ferroelétricos preparados por deposição de solução química

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Filmes finos de óxido de índio e zinco e sua aplicação em díodos orgânicos emissores de luz

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Nanotecnologias e Nanociências

Filmes de óxido de zinco e nitreto de zinco depositados por magnetron sputtering com diferentes pressões de argônio, oxigênio e nitrogênio.

O óxido de zinco é um material semicondutor que apresenta alta transparência óptica no espectro visível, alta energia de ligação de éxcitons e piezoeletricidade. Por suas propriedades, ele é utilizado na área de sensores, eletrodos transparentes e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, sua utilização ainda é limitada pela dificuldade de obtenção de condutividade tipo p, cujo principal dopante é o nitrogênio, devido à assimetria de dopagem ocasionada por defeitos intrínsecos do material, dopagem em valências diferentes das esperadas e formação de níveis de aceitadores profundos na banda proibida. A aplicação em dispositivos piezoelétricos também exige alta resistividade e ótimas propriedades cristalinas. Muitos processos de deposição estabelecidos hoje ainda utilizam altas temperaturas, o que impede sua deposição sobre superfícies ou substratos sensíveis a altas temperaturas. O objetivo deste trabalho é desenvolver técnicas de deposição de filmes de ZnO, principalmente em baixas temperaturas ( 100°C), pelo método de magnetron sputtering de rádio frequência, para avaliar a influência dos gases de processo nas características estruturais, estequiométricas, elétricas e ópticas dos filmes. Para isso, foram obtidos filmes utilizando pressão total de argônio, e pressões parciais de argônio e oxigênio e argônio e nitrogênio, utilizando alvo cerâmico de óxido de zinco ou alvo metálico de zinco. Para alvo de ZnO, filmes com condutividade tipo n foram obtidos em ambiente de argônio, em condições que geraram deficiências de oxigênio. Filmes altamente resistivos foram obtidos com a utilização de pressão parcial de oxigênio no gás de processo, em condições que resultaram em filmes estequiométricos, inclusive com condutividade tipo p. Condutividade tipo p mais alta foi observada, apenas por ponta quente, para uma amostra obtida em argônio logo após a utilização de nitrogênio na câmara de processo, que provavelmente sofreu influência da dopagem não intencional do cobre, que foi identificado como um contaminante do processo devido à estrutura da câmara. Para alvo de Zn, observou-se a formação de nitreto de zinco, que demonstrou alta capacidade de oxidação em ambiente atmosférico, e portanto, transforma-se naturalmente ao longo do tempo ou por processos de oxidação térmica em ZnO dopado com nitrogênio. Filmes de ZnO produzidos a partir de nitreto de zinco foram os únicos dos testados que apresentaram fotoluminescência característica do ZnO, mesmo para processos onde não houve aquecimento intencional.

Produção e análise do desempenho óptico e elétrico de filmes finos de SnO2:F para aplicações fotovoltaicas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

Desenvolvimento de películas à base de ZnO, condutoras e resistivas para aplicação em electrónica transparente

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia dos Materiais, pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

Screening process for activity determination of conductive oxide electrodes for organic oxidation

A modified method for the calculation of the normalized faradaic charge (q fN) is proposed. The method involves the simulation of an oxidation process, by cyclic voltammetry, by employing potentials in the oxygen evolution reaction region. The method is applicable to organic species whose oxidation is not manifested by a defined oxidation peak at conductive oxide electrodes. The variation of q fN for electrodes of nominal composition Ti/RuX Sn1-X O2 (x = 0.3, 0.2 and 0.1), Ti/Ir0.3Ti0.7O2 and Ti/Ru0.3Ti0.7O2 in the presence of various concentrations of formaldehyde was analyzed. It was observed that electrodes containing SnO2 are the most active for formaldehyde oxidation. Subsequently, in order to test the validity of the proposed model, galvanostatic electrolyses (40 mA cm-2) of two different formaldehyde concentrations (0.10 and 0.01 mol dm-3) were performed. The results are in agreement with the proposed model and indicate that this new method can be used to determine the relative activity of conductive oxide electrodes. In agreement with previous studies, it can be concluded that not only the nature of the electrode material, but also the organic species in solution and its concentration are important factors to be considered in the oxidation of organic compounds.

Interconexión monolítica de dispositivos fotovoltaicos basados en a-Si mediante ablación directa con fuentes láser ultravioleta

Resumen En la última década la tecnología láser se ha convertido en una herramienta imprescindible en la fabricación de dispositivos fotovoltaicos, muy especial¬mente en aquellos basados en tecnología de lámina delgada. Independiente¬mente de crisis coyunturales en el sector, la evolución en los próximos años de estas tecnologías seguirá aprovechándose de la flexibilidad y calidad de proceso de la herramienta láser para la consecución de los dos objetivos básicos que harán de la fotovoltaica una opción energética económicamente viable: la reducción de costes de fabricación y el aumento de eficiencia de los dispositivos. Dentro de las tecnologías fotovoltaicas de lámina delgada, la tecnología de dispositivos basados en silicio amorfo ha tenido un gran desarrollo en sistemas estándar en configuración de superestrato, pero su limitada efi¬ciencia hace que su supervivencia futura pase por el desarrollo de formatos en configuración de substrato sobre materiales flexibles de bajo coste. En esta aproximación, las soluciones industriales basadas en láser actualmente disponibles para la interconexión monolítica de dispositivos no son aplica¬bles, y desde hace años se viene investigando en la búsqueda de soluciones apropiadas para el desarrollo de dichos procesos de interconexión de forma que sean transferibles a la industria. En este contexto, esta Tesis propone una aproximación completamente orig¬inal, demostrando la posibilidad de ejecutar una interconexión completa de estos dispositivos irradiando por el lado de la lámina (es decir de forma com¬patible con la opción de configuración de substrato y, valga la redundancia, con el substrato del dispositivo opaco), y con fuentes láser emitiendo en UV. Este resultado, obtenido por primera vez a nivel internacional con este trabajo, aporta un conocimiento revelador del verdadero potencial de estas fuentes en el desarrollo industrial futuro de estas tecnologías. Si bien muy posiblemente la solución industrial final requiera de una solución mixta con el empleo de fuentes en UV y, posiblemente, en otras longitudes de onda, esta Tesis y su planteamiento novedoso aportan un conocimiento de gran valor a la comunidad internacional por la originalidad del planteamiento seguido, los resultados parciales encontrados en su desarrollo (un número importante de los cuales han aparecido en revistas del JCR que recogen en la actualidad un número muy significativo de citas) y porque saca además a la luz, con las consideraciones físicas pertinentes, las limitaciones intrínsecas que el desarrollo de procesos de ablación directa selectiva con láseres UV en parte de los materiales utilizados presenta en el rango temporal de in¬teracción de ns y ps. En este trabajo se han desarrollado y optimizado los tres pasos estándar de interconexión (los habitualmente denominados Pl, P2 y P3 en la industria fotovoltaica) demostrando las ventajas y limitaciones del uso de fuentes en UV tanto con ancho temporal de ns como de ps. En particular destaca, por el éxito en los resultados obtenidos, el estudio de procesos de ablación selectiva de óxidos conductores transparentes (en este trabajo utilizados tanto como contacto frontal así como posterior en los módulos) que ha generado resultados, de excelente acogida científica a nivel internacional, cuya aplicación trasciende el ámbito de las tecnologías de silicio amorfo en lámina delgada. Además en este trabajo de Tesis, en el desarrollo del objetivo citado, se han puesto a punto técnicas de análisis de los procesos láser, basadas en métodos avanzados de caracterización de materiales (como el uso combi¬nado de la espectroscopia dispersiva de rayos X y la microscopía confocal de barrido) que se presentan como auténticos avances en el desarrollo de técnicas específicas de caracterización para el estudio de los procesos con láser de ablación selectiva de materiales en lámina delgada, procesos que no solo tienen impacto en el ámbito de la fotovoltaica, sino también en la microelectrónica, la biotecnología, la microfabricación, etc. Como resultado adicional, parte de los resultados de este trabajo, han sido aplicados exi¬tosamente por el grupo de investigaci´on en la que la autora desarrolla su labor para conseguir desarrollar procesos de enorme inter´es en otras tec-nolog´ıas fotovoltaicas, como las tecnolog´ıas est´andar de silicio amorfo sobre vidrio en configuraci´on de superestrato o el procesado de capas delgadas en tecnolog´ıas convencionales de silicio cristalino. Por u´ltimo decir que este trabajo ha sido posible por una colaboraci´on muy estrecha entre el Centro L´aser de la UPM, en el que la autora de¬sarrolla su labor, y el Grupo de Silicio Depositado del Centro de Inves¬tigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas, CIEMAT, que, junto al Grupo de Energ´ıa Fotovoltaica de la Universidad de Barcelona, han preparado la mayor parte de las muestras utilizadas en este estudio. Dichas colaboraciones se han desarrollado en el marco de varios proyectos de investigaci´on aplicada con subvenci´on pu´blica, tales como el proyecto singular estrat´egico PSE-MICROSIL08 (PSE-120000-2006-6), el proyecto INNDISOL (IPT-420000-2010-6), ambos financiados porel Fondo Europeo de Desarrollo Regional FEDER (UE) ”Una manera de hacer Europa y el MICINN, y los proyectos de Plan Nacional AMIC (ENE2010-21384-C04-´ 02) y CLASICO (ENE2007-6772-C04-04), cuya financiaci´on ha permitido en gran parte llevar a t´ermino este trabajo Abstract In the last decade, the laser technology has turned into an indispensable tool in the production of photovoltaic devices, especially of those based on thin film technology. Regardless the current crisis in the sector, the evolution of these technologies in the upcoming years will keep taking advantage of the flexibility and process quality of the laser tool for the accomplishment of the two basic goals that will convert the photovoltaic energy into economically viable: the manufacture cost reduction and the increase in the efficiency of the devices. Amongst the thin film laser technologies, the technology of devices based on amorphous silicon has had a great development in standard systems of superstrate configuration, but its limited efficiency makes its survival de¬pendant on the development of formats in substrate configuration with low cost flexible materials. In this approach, the laser industrial solutions cur¬rently available for the monolithic interconnection are not applicable, and in the last few years the investigations have been focused on the search of appropriate solutions for the development of such interconnection processes in a way that the same are transferable to the industry. In this context, this Thesis proposes a totally original approach, proving the possibility of executing a full interconnection of these devices by means of irradiation from the film side, i.e., compatible with the substrate con¬figuration, and with UV laser sources. This result, obtained for the first time at international level in this work, provides a revealing knowledge of the true potential of these sources in the future industrial development of these technologies. Even though very probably the final industrial solution will require a combination of the use of UV sources along with other wave¬lengths, this Thesis and its novel approach contribute with a high value to the international community because of the originality of the approach, the partial results found throughout its development (out of which, a large number has appeared in JCR journals that currently accumulate a signifi¬cant number of citations) and brings to light, with the pertinent scientific considerations, the intrinsic limitations that the selective direct ablation processes with UV laser present in the temporal range of interaction of ns and ps for part of the materials used in this study. More particularly, the three standard steps of interconnection (usually de¬nominated P1, P2 and P3 in the photovoltaic industry) have been developed and optimized, showing the advantages as well as the limitations of the use of UV sources in both the ns and ps pulse-width ranges. It is highly remark¬able, because of the success in the obtained results, the study of selective ablation processes in transparent conductive oxide (in this work used as a front and back contact), that has generated results, of excellent interna¬tional scientific reception, whose applications go beyond the scope of thin film photovoltaic technologies based on amorphous silicon. Moreover, in this Thesis, with the development of the mentioned goal, differ¬ent techniques of analysis of laser processes have been fine-tuned, basing the same in advanced methods for material characterization (like the combined use of EDX Analysis and Confocal Laser Scanning Microscopy) that can be presented as true breakthroughs in the development of specific techniques for characterization in the study of laser processes of selective ablation of materials in thin film technologies, processes that not only have impact in the photovoltaic field, but also in those of microelectronics, biotechnology, micro-fabrication, etc. As an additional outcome, part of the results of this work has been suc¬cessfully applied, by the investigation group to which the author belongs, to the development of processes of enormous interest within other photo¬voltaic technologies, such as the standard technologies on amorphous silicon over glass in superstrate configuration or the processing of thin layers in conventional technologies using crystalline silicon. Lastly, it is important to mention that this work has been possible thanks to the close cooperation between the Centro L´aser of the UPM, in which the author develops her work, and the Grupo de Silicio Depositado of Centro de Investigaciones Energ´eticas, Medioambientales y Tecnol´ogicas, CIEMAT, which, along with the Grupo de Energ´ıa Fotovoltaica of Univer¬sidad de Barcelona, has prepared the largest part of the samples utilized in this study. Such collaborations have been carried out in the context of several projects of applied investigation with public funding, like Proyecto Singular Estrat´egico PSE-MICROSIL08 (PSE-120000-2006-6), Proyecto IN-NDISOL (IPT-420000-2010-6), both funded by the European Regional De¬velopment Fund (ERDF), ”Una manera de hacer Europa” and MICINN, and the projects of Plan Nacional AMIC (ENE2010-21384-C04-02) and ´ CLASICO (ENE2007-6772-C04-04), whose funds have enabled the devel-opment of large part of this work.

Biossensores de pH, ureia e glicose utilizando a microeletrônica de filmes finos de AZO e TIO2

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de biossensores de pH, ureia e glicose, utilizando óxidos como plataforma para a parte seletiva. Os filmes finos de óxidos condutores foram produzidos por diferentes técnicas de deposição, como spin-coat, dip-coat, spray-pyrolysis e casting. Os materiais fabricados foram AZO e TiO2, ambos depositados sobre substratos de FTO, ITO ou vidro hidroflilizado. O número de camadas foi variado para cada técnica e as caracterizações morfológicas e estruturais foram feitas por MEV, DRX e FTIR. As caracterizações elétricas foram feitas por EGFET e voltametria cíclica. Os filmes foram testados como sensores de pHs na faixa de 2 a 8. O filme depositado com AZO em substrato de FTO pela técnica de spray-pyrolysis apresentou melhor resposta, com sensibilidade de 31,7 mV/pH entre toda a faixa de pHs do 2 ao 8. Já para os filmes de TiO2, o filme produzido por dip-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou sensibilidade de 37,8 mV/pH entre a faixa de pHs de 2 a 8. Paralelamente, os filmes tiveram suas superfícies funcionalizadas com proteínas como urease ou glicose oxidase. Neste caso, os dispositivos foram testados entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL de ureia e glicose. Como biossensor de ureia, o filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO apresentou a maior sensibilidade, com valor 3,32 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 120 mg/dL. Para os filmes estudados como biossensores de glicose, o melhor resultado também foi obtido pelo filme de TiO2 depositado por spin-coat com 5 camadas em substrato de FTO, apresentando sensibilidade em torno de 6,18 mV/(mg/dL) entre as concentrações de 5 a 200 mg/dL. Alguns resultados encontrados foram iguais ou melhores aos encontrados na literatura vigente, mesmo que os dispositivos ainda são passíveis de otimização.

Filmes finos de óxidos metálicos estudo e aplicações

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia de Materiais

Reator de UV-Ozônio com lâmpada a vapor de mercúrio a alta pressão modificada para tratamento superficial de óxidos transparentes condutivos utilizados em dispositivos poliméricos eletroluminescentes

An UV-Ozone reactor was developed with an ignition tube extracted into HID mercury lamp used to irradiation on zinc oxide (ZnO) and fluorinated tin oxide (FTO) films for PLEDs devices. Different exposures times were used. In contact angle measurements revealed better results for ZnO and FTO by 15 and 5 min, respectively. In Diffuse Reflectance Infra-red Fourier Transformed (DRIFT) spectroscopy allowed the observation of water, hydrocarbon and carbon dioxide adsorbed on the untreated TCO surfaces. After the UV-Ozone treatment the contaminants were significantly reduced or eliminated and the PLEDs devices decreased threshold voltages in comparison with respectively untreated TCOs.

Estudo das propriedades elétricas e ópticas de nanocompósitos transparentes e condutores

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Fabricación y caracterización de películas delgadas de óxidos transparentes con aplicaciones ópticas.

Los óxidos transparentes conductores (TCO′ s) son materiales compuestos conformados por oxígeno y un metal, que presentan una combinación única de alta estabilidad química, alta concentración electrónica y alta transparencia óptica. Por esta razón, el procesamiento de TCO′ s en película delgada va orientado hacia aplicaciones específicas tales como ventanas ópticas en celdas solares, sensores de gases, electrodos en dispositivos de pantallas planas, ventanas inteligentes. En este proyecto se trabajó en la síntesis experimental de dos TCO′ s relevantes tanto en investigación fundamental como en aplicaciones tecnológicas: el óxido de indio (In2O3) y el óxido de estaño (SnO2). Ambos TCO′ s se depositaron por la técnica de erosión iónica reactiva por corriente directa (DC). Para el análisis de las películas se utilizaron varias técnicas de caracterización: difracción de rayos X, espectroscopia UV-Visible, resistividad eléctrica, efecto Hall, así como microscopías electrónica de barrido y de fuerza atómica. Se fabricó también una bicapa de In2O3/SnO2, la cual se caracterizó además con espectroscopia de fotoemisión de rayos X (XPS).En esta tesis se reporta por primera vez la síntesis y caracterización de esta bicapa, la cual abre una línea de investigación en el área de interfaces. Asimismo, se desarrolló e implementó un procedimiento, basado en los modelos ópticos, tal que permite obtener parámetros que se utilizan para evaluar a cualquier película delgada TCO como potencial metamaterial. Las propiedades de las muestras se analizaron en función de la temperatura aplicada post-depósito: temperatura ambiente (TA), 100oC, 200oC, 300oC, bajo una atmósfera de argón o argón-oxígeno. Los resultados confirman que las películas presentan un crecimiento de tipo poli cristalino. Además, la calidad cristalina tiende a incrementarse como función del incremento de la temperatura. El In2O3 creció con estructura cúbica bcc (a=10.11 ˚A, ICDD #71-2195). A partir de 200C, se detectaron trazas de la fase romboédrica (a=5.490 ˚A, c=14.520 ˚A, ICDD #73-1809). Asimismo, el SnO2 creció con estructura tetragonal (a = 4.737 ˚A, c = 3.186 ˚A, ICDD #88-0287). Las películas de In2O3 poseen una transparencia promedio del 90 % en una ventana de 500 nm a 1100 nm. El borde de absorción se recorre al azul como función de la temperatura, de Eg=3.3 eV a Eg=3.7 eV por el efecto Burstein-Moss. Por otra parte, la bicapa presentó una interfaz claramente definida, sin difusión de especies metálicas. Al incrementarse la temperatura, de TA a 400oC, se detectaron dos fases de óxido de estaño: SnO2 y SnO, en un porcentaje atómico de ≈70 %:30 %, respectivamente. Se concluye que los parámetros y valores obtenidos de las películas como son el texturizado y espesor homogéneo, alta transparencia, crecimiento preferencial, ancho prohibido y resistividad eléctrica, son comparables a los que se requieren del In2O3 y SnO2 en película delgada para aplicaciones optoelectrónicas.

Monitorização e otimização da deposição de filmes de óxidos mistos por RF-sputtering

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Física

Medidas de ressonância de spin eletrônico (RSE) em polianilina dopada com plastificante e de condutividade a.c. e RSE em óxidos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)