Proprietà ottiche e di trasporto elettrico di film di ZnO drogato Al per applicazioni fotovoltaiche

The interest in new generation photovoltaic devices has given a boost to the research field of Transparent Conducting Oxides (TCOs), wide band-gap semiconductors which, upon doping, exhibit a remarkable combination of low resistivity and high transparency in the visible range. The quest for cheap solutions with low environmental impact is drawing the attention of the world of research to materials such as Al-doped ZnO (AZO). In this work we perform a deep investigation on optical and electrical transport properties of AZO films. The focus of the work is not only aimed at practical applications (such as minimizing resistivity and increasing transparency and light-trapping properties) but also at a deeper understanding of the factors involved in determining these properties. AZO films obtained by PLD at room temperature are characterized by electrical and optical measurements in terms of resistivity, carrier density, electron mobility, transmittance and haze factor. The films show different structures and morphologies as a consequence of the variation of oxygen ambient pressure in the deposition chamber. Among the compact films obtained at low pressures, an optimal condition is found, depending on the compromise between an increase in structure regularity and the presence of residual oxygen vacancies. Films deposited at high pressures show mean transparency over 85% in the visible range and a mean haze factor over 80%. An annealing treatment in air is shown to increase transparency in spite of being detrimental to electrical properties. The analysis of other properties involving electrical and optical phenomena (filling of the conduction band, increase in the optical gap, refractive index and extinction coefficient, plasma wavelength, scattering mechanisms decreasing carrier mobility) give rise to consistent results, thus enabling a comprehensive description of electrical and optical properties in AZO films.

L'avvento dei dispositivi fotovoltaici di nuova generazione ha portato a uno sviluppo della ricerca sul fronte degli ossidi trasparenti conduttivi (TCO), semiconduttori ad ampio gap fortemente drogati nei quali si riscontrano simultaneamente un buon grado di conducibilità elettrica e un'elevata trasparenza alla luce visibile. L'orientamento della ricerca verso soluzioni economiche e a basso impatto ambientale porta allo studio di materiali come ZnO drogato Al (AZO). In questo lavoro vengono investigate approfonditamente le proprietà ottiche e di trasporto elettrico in film di AZO, non solo da un punto di vista dell'interesse applicativo (minimizzare la resistività, aumentare la trasparenza e la capacità di light-trapping) ma soprattutto per quanto riguarda la comprensione dei fattori che influenzano queste proprietà. Attraverso misure elettriche (resistività, densità di portatori e mobilità) e ottiche (trasmittanza integrale e diffusa) vengono caratterizzati film di AZO ottenuti per PLD a temperatura ambiente, i quali presentano caratteristiche morfologiche e strutturali molto differenzate a seguito di una diversa pressione di ossigeno nella camera di deposizione. Tra i film compatti depositati a bassa pressione, che risultano buoni conduttori, viene identificata una condizione ottimale dovuta al compromesso tra l'aumento della regolarità strutturale del film e la presenza di vacanze di ossigeno risalenti alla fase di deposizione. I film depositati ad alte pressioni mostrano una trasparenza media superiore a 85% e una probabilità di scattering dei fotoni trasmessi (haze factor) superiore a 80%. Si dimostra che una ricottura in ambiente ossidante aumenta la trasparenza ma degrada fortemente le proprietà elettriche. Lo studio delle altre proprietà legate a fenomeni ottici ed elettrici (riempimento della banda di conduzione, aumento del gap ottico, indice di rifrazione e coefficiente di assorbimento, pulsazione di plasma, meccanismi di scattering che limitano la mobilità elettronica) fornisce risultati coerenti in grado di presentare una descrizione consistente delle proprietà ottiche e di trasporto elettrico dei film di AZO studiati.