Functional properties control of doped TiO2 for transparent electrodes and photoanodes

In this thesis a deep investigation on the electrical and optical properties control of Ta-doped TiO2 (TaTO) thin films is presented, with the aim of shedding light on the open issues concerning this material which has been recently proposed as a novel transparent conducting oxide. In the field of new generation photovoltaic devices, undoped TiO2 already plays a major role. In this framework, it is possible to take advantage of its peculiar properties in the form of an high surface area porous layer (photoanode), as well as in a compact morphology (selective layer) for controlling electron separation / transport mechanisms in the device. Nonetheless, the ability to add to the intrinsic transparency of TiO2 a significant electrical conductivity via extrinsic doping with group V elements, like Nb or Ta, opens the way to its possible implementation as the front transparent conducting electrode in a possibly all TiO2-based photovoltaic architecture. Here, TaTO as well as TiO2 thin films are synthesized by room temperature Pulsed Laser Deposition on glass substrates followed by thermal treatment. The high control level achieved for these processes allows to obtain compact and nanoporous morphologies with the proven ability of finely tuning conductivity and transparency, making this material suitable for several applications. This capability is thoroughly investigated with different experimental techniques, trying to shed light on the relationship between the material structure / morphology and the corresponding functional properties, and on the ruling physical mechanisms. This study can represent an important step further not only for the future implementation of TaTO in novel solar cell or other optoelectronic devices, but also for a deeper comprehension of the behavior and defect chemistry of TiO2-based materials.

In questa tesi viene presentata un’indagine approfondita sul controllo delle proprietà elettriche ed ottiche di film sottili di TiO2 drogato con Ta (TaTO), cercando in particolare di indagare sulle potenzilità di questo materiale recentemente proposto come ossido trasparente conduttore. Il TiO2 non drogato è un materiale molto conosciuto ed ampiamente utilizzato nel campo dei dispositivi fotovoltaici di nuova generazione, risultando al giorno d’oggi uno dei componenti fondamentali nell’architettura di molti tipi di celle solari. Questo è dovuto alle proprietà peculiari della titania che possono essere sfruttate per i meccanismi di separazione e trasporto degli elettroni all’interno del dispositivo sia nella forma di uno strato poroso ad alta area superficiale (il cosiddetto fotoanodo), così come in una morfologia compatta (denominato strato selettivo). Tuttavia, è stato recentemente dimostrato come il drogaggio estrinseco del TiO2 con elementi quali Ta o Nb renda possibile l’ottenimento di una elevata conducibilità elettrica in un materiale altrimenti isolante, aprendo la strada ad un suo possibile utilizzo come elettrodo trasparente e conduttore all’interno di un’innovativa architettura di cella. Nell’ambito di questo lavoro, film sottili di TaTO e TiO2 sono stati depositati a temperatura ambiente mediante la tecnica di deposizione a laser pulsato (PLD) su substrati di vetro, ed in seguito trattati termicamente. L’elevato livello di controllo raggiunto sui processi di sintesi del materiale ha reso possibile l’ottenimento di film caratterizzati da una diversa morfologia (compatti e porosi), dimostrando la capacità di poterne controllare in maniera accurata la trasparenza e la conducibilità elettrica, rendendo questo materiale adatto per diverse applicazioni. Inoltre, molteplici tecniche sperimentali di caratterizzazione sono state utilizzate per cercare di comprendere i mecanismi fisici che regolano il rapporto tra struttura e morfologia del materiale e le sue proprietà funzionali. Questo studio può risultare fondamentale per la futura implementazione del TaTO nelle celle solari di nuova generazione e per una più profonda comprensione della sua chimica dei difetti.