Maßgeschneiderte Nanostrukturen
Neue Fertigungstechnik für Zinkoxid-Dünnschichten kann Effizienz von Solarzellen erhöhen.
Zinkoxid ist eines der wichtigsten Ingredienzien für aktuelle Nanowerkstoffe und 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. 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.
Abb.: Die Elektronenmikroskop-Aufnahme zeigt: Mit der neuen Methode können beispielsweise bläschenartige (oben) oder schaumartige (unten) Morphologien von Zinkoxid hergestellt werden.(Bild: DESY)
Die Breite der Anwendungen für Zinkoxid beruht auf der Vielzahl von inneren Strukturen, sogenannten Morphologien, die das Material annehmen kann. Durch verschiedene Herstellungskonditionen lässt sich Zinkoxid beispielsweise zu Nanostäbchen, Tetrapoden oder bandartigen Formen gestalten. Bei dem jetzt vorgestellten Fertigungsverfahren haben die Wissenschaftler eine Methode entwickelt und systematisch untersucht, in der sie die Umgebungsbedingungen gezielt veränderten, 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 verwendeten die Forscher ein Dünnschichtpolymer als eine Art nanoskaliger Gussform für die Zinkoxid-Struktur. In einem Flüssigkeitsmix aufgelöst, brachten sie eine Vorstufe des Zinkoxids (ZAD) zusammen mit der Polymerlösung im sogenannten Schleuderbeschichtungsverfahren-Verfahren auf ein Silizium-Trägermaterial. Der Träger rotierte mit einigen tausend Umdrehungen pro Minute, die Lösung verlief dabei zu einer gleichmäßigen Nanoschicht von einigen hundert Nanometern Dicke und trocknete aus. Anschließend erhitzten die Forscher die Proben. Bei dieser sogenannten Kalzinierung verschwanden Wasser und Polymer aus der Dünnschichtprobe – übrig blieb die kristalline Zinkoxidstruktur, deren Morphologie mit den Bestandteilen der verwendeten Lösung variierte.
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.
Außerdem schweben den Forschern einfachere Produktionsprozesse vor, in denen andere Beschichtungsverfahren zum Einsatz kommen. 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.“
DESY / CT
