Thermoelektrische Eigenschaften von binären und ternären Schichten der Materialsysteme CuyO1-xSx und ZnO1-xSx

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2018

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http://dx.doi.org/10.22029/jlupub-9784

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Mit dem Ziel kostengünstige, nachhaltige, umweltfreundliche und somit massentaugliche Materialien für thermoelektrische Anwendungen zu finden, wurden in dieser Arbeit Dünnfilme der Kupferoxide, Kupfersulfide, Kupferoxisulfide und Zinkoxisulfide mittels Kathodenzerstäubung abgeschieden und auf thermoelektrische Eigenschaften untersucht. Als Targetmaterial wurde Kupfer, ZnO und ZnS verwendet, während als Reaktivgase Sauerstoff und Schwefelwasserstoff eingesetzt wurden. Die Kupfer-Oxide/Sulfide/Oxisulfide sind aufgrund der vorliegenden Kupferleerstellen im Kristallgitter p-leitend, während das Zinkoxid und das ternäre Zinkoxisulfid aufgrund von flachen Donatorzuständen des Wasserstoffs n-leitend sind. Beide Materialklassen könnten die Basis zukünftiger nachhaltiger und ökologisch unbedenklicher thermoelektrischer Generatoren sein. Die abgeschiedenen Schichten sind exzellent geeignet, um thermoelektrische Eigenschaften als Funktion der Stöchiometrie und Dotierung zu bestimmen und zu bewerten. Dabei wurden Parameter wie Seebeck-Koeffizient, elektrische Leitfähigkeit, Ladungsträgerkonzentration und Wärmeleitfähigkeit temperaturabhängig im Bereich von ca. 150 bis 300K untersucht. Mit diesen Ergebnissen konnten die für die Thermoelektrik relevanten Größen Leistungsfaktor und bei einigen Probenserien auch die dimensionslose thermoelektrische Gütezahl ZT bestimmt werden. Zur Klassifizierung der Materialklassen wurde die Röntgendiffraktometrie und Raman-Spektroskopie verwendet.Bei dem undotierten Kupferoxidsystem wurde der Einfluss der Phasenübergänge von Cu2O zu Cu4O3 und von Cu4O3 zu CuO auf die thermoelektrischen Parameter studiert. Das Einstellen der Stöchiometrie erfolgte mittels Erhöhung des O2-Reaktivgasflusses im Wachstumsprozess. Eine Verbesserung der thermoelektrischen Eigenschaften ist mit einer Stickstoffdotierung realisiert worden, welche durch einen zusätzlichen konstanten N2-Fluss in der Prozesskammer erreicht wurde. Mit dem Wechsel zum H2S als Reaktivgas wurden Kupfersulfiddünnfilme abgeschieden. Bei niedrigen Flüssen wurde beta-Cu2S abgeschieden und mit der Erhöhung des Reaktivgasflusses erfolgte ein Übergang zum Cu1,8S. Es finden sich Anzeichen für weitere Kupfersulfidphasen. Mittels einem zusätzlichen konstanten O2-Fluss wurden Kupferoxisulfide realisiert. Mit steigendem H2S-Fluss erfolgt ein Austausch an Anionen im kubischen Cu2O-Gitter bis zu der Komposition Cu2O0,45S0,55. Darüber hinaus bildet sich beta-Cu2S mit einem geringen Anteil an Sauerstoff. Das Einbringen von geringen Mengen an Fremdatomen, wie z. B. Schwefel, in das ZnO- oder Cu2O-Gitter führt zu der Reduzierung der Wärmeleitfähigkeit und somit zur Erhöhung des Gütefaktors gegenüber den binären Ausgangsverbindungen. Dieser Effekt wurde am ternären ZnO1-xSx studiert.Basierend auf den in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen der thermoelektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Materialzusammensetzungen können zukünftige Dotierversuche unternommen werden, um eine höhere elektrische Leitfähigkeit und damit eine Steigerung des thermoelektrischen Gütefaktors ZT zu erzielen.

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