Stromlose Abscheidung von porösem Zinkoxid auf Aluminium

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der elektrochemischen und stromlosen Abscheidung von porösem Zinkoxid auf passivierten Aluminiumoberflächen. Dabei wurden hauptsächlich sauerstoffbasierte Abscheidungen aus einem Zinkchloridsystem betrachtet, jedoch ist eine Übertragung auf nitratbasierte Abscheidungen ebenfalls möglich. Durch intensive Untersuchungen möglicher Vorbehandlungen konnte gezeigt werden, dass die Art und Durchführung der Vorbehandlung einen direkten Einfluss auf die Morphologie und Substratbedeckung der hergestellten Filme hat. Dabei kristallisierte sich die Vorbehandlungsmethode, die aus einer Kombination aus Ätzen in HCl und anschließender Behandlung in Zinkatbeize besteht, als am Besten heraus. Durch diese Behandlung wird ein Zinkfilm auf der Aluminiumoberfläche aufgebracht, um diese bis zur weiteren Verarbeitung reaktiv zu halten. Ausgehend von dieser Vorbehandlungsmethode war es möglich eine neue Abscheidemethode zu entwickeln, bei der das Zink aus der Vorbehandlung als Elektronenquelle für die Hydroxidionenbildung mit anschließender Zinkoxidabscheidung dient. Mittels XRD-Messungen konnte die Art der abgeschiedenen Spezies eindeutig als Zinkoxid identifiziert werden. Es wurde gezeigt, dass diese stromlose ZnO Abscheidung selbstlimitierend auf 8 µm gemittelter Filmdicke ist. Durch Variationen der Abscheidedauer, der Vorbehandlungszeit, der Abscheidetemperatur und der Zinkchloridkonzentration in der Lösung, konnte die Ausbildung des Sättigungswertes bestätigt werden. Parallel dazu wurde der Einfluss des Strukturdirigenten EosinY auf die Morphologie und Art der stromlos abgeschiedenen Substanz diskutiert. In weitergehenden Untersuchungen wurde gezeigt, dass die elektrochemische Abscheidung auf Aluminium, unabhängig von der Vorbehandlungsart, ebenfalls selbstlimitierend auf 8 µm ist. Experimente, in denen elektrochemische Abscheidungen bei -960 mV vs. Ag/AgCl durchgeführt wurden, verdeutlichten, dass die Ausbildung eines Sättigungswertes von 8 µm unabhängig von der Wahl des Trägermaterials ist und somit allgemeine Gültigkeit hat. Des Weiteren wurde die Eignung der stromlos auf Aluminium abgeschiedenen porösen Zinkoxidfilme als Elektrodenmaterial in farbstoffsensibilisierten Solarzellen untersucht. Dabei konnte neben dem Nachweis der prinzipiellen Funktion festgestellt werden, dass eine Nachbehandlung der Filme notwendig ist und dass das stromlos hergestellte Zinkoxid eine geringere Porosität und damit geringere Oberfläche als die elektrochemisch auf FTO abgeschiedenen porösen ZnO Filme aufweist, was zu technisch wenig nutzbaren Wirkungsgradenführt.

This work deals with electrochemical and electroless depositions of porous zinc oxide on passivated aluminium surfaces. Oxygen based depositions from zinc chloride solution were primarily studied, however, it could also be shown that a transfer to nitrate based depositions was possible. By testing different pre-treatment methods, it could be shown that the morphology of the deposited zinc oxide films and the coverage of the substrate surface are directly inuenced by the kind of pre-treatment and its realisation. A combination of etching in concentrated HCl and subsequent treatment in zincate stain is the best pre-treatment method to reach a homogeneous and adherent coating of the substrate. Starting with such a pre-treatment method, a new kind of deposition was discovered. This deposition was based on the dissolution of zinc grown during pre-treatment. Zinc serves as an electron source for the formation of hydroxide ions with subsequent deposition of ZnO. With the help of X-ray diffraction measurements, the deposited film could be identified as zinc oxide. The electroless deposition of zinc oxide was self-limiting to a thickness of 8 µm which could not be exceeded by longer deposition times, a variation of the pre-treatment, an increase in temperature or a higher concentration of Zn2+-ions in the solution. In parallel experiments, the strong influence of the structure directing agent EosinY was discussed. It could be shown that electrochemical depositions on aluminium surfaces were also self-limiting to 8 µm independent of the pre-treatment method. This saturation value was additionally observed in electrochemical depositions on FTO substrates at a deposition potential of -960 V vs. Ag/AgCl. This implies that the film thickness of zinc oxide is self-limiting independent of the substrate material and the kind of deposition. In further experiments, it was tested wether the electroless deposited ZnO films are suitable for the use in dye-sensitised solar cells. A post-treatment of the electroless deposited films was necessary for a successful application in DSCs. However, these films offered a lower porosity than films which were electrochemically deposited on FTO glass which did not allow high efficiencies when applied in DSCs.