Fundamentals, Materials and Applications of ALD-Based TCO Thin Film Optoelectronics

Thumbnail Image

Files

Puska_Lauri_2025.pdf (1.36 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-01-14

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

28

Series

Abstract

Transparent conductive oxide (TCO) thin films generally consist of oxide and metal in a lamellar structure. These thin films’ high transparency and conductivity allows the production of energy efficient optoelectronics. In most applications, TCO thin films are utilized as transparent anodes or electrodes. Other applications include antireflective and passivating coatings specially in photovoltaics applications. This bachelor’s thesis presents a comprehensive literature review on the core principles, materials and applications of TCO thin films deposited using atomic layer deposition (ALD). There are several different methods for improving the properties of TCO thin films, of which the most common is doping. Another common improvement method is annealing in various gas atmospheres or with UV-light treatment. The improvements from doping are dependent on the dopant itself and best improvements in optoelectronic properties are generally reached with low dopant ratios. Annealing improves the crystallinity of TCO thin films, however high temperature treatment is not always possible due to the substrate material limitations. Different gas atmospheres are used to increase the amount of oxygen vacancies on the surface of the thin films, which improves the conductivity of the films. Additionally, UV light treatment enhances the formation of oxygen vacancies in annealing. The most promising new improvement methods for TCO thin films are hydrogen doping and various sandwich structures. Hydrogen doping in the ALD cycle allows inclusion of hydrogen in the whole thin films structure, mainly in the oxygen vacancies, although slowing down the film growth speed in the process. An alternative for this is radiative annealing in hydrogen atmosphere, however this treatment mainly allows inclusion of hydrogen in the surface oxygen vacancies of the TCO thin films. In sandwich structures, the conductivity of optoelectronic materials is improved with TCO thin films grown on the top and bottom layers of the middle material. This leads to improved transparency due to the Burstein-Moss effect. Additionally, this structure is often called 2D electron gas due to its high conductivity, especially in sandwich structures made entirely of TCO thin films. TCO thin films have become increasingly popular, particularly as transparent electrodes, paralleling improvements in perovskite and dye-sensitized solar cell technologies. Beyond photovoltaics, TCOs have demonstrated promising applications in lighting devices and flexible electronics, where sandwich structures and nanolaminates offer improvements over current technologies. In conclusion, TCO thin films are likely to become the cornerstone of future optoelectronics by not only enhancing current technologies but also enabling the development of new, more efficient optical devices.

Läpinäkyvät johtavat oksidiohutkalvot (TCO) koostuvat lähtökohtaisesti oksidista ja metallista lamellimaisessa rakenteessa. Näiden ohutkalvojen korkea läpinäkyvyys ja konduktiivisuus mahdollistavat energiatehokkaamman optoelektroniikan valmistamisen. Suurimmassa osassa käyttökohteista TCO-ohutkalvot ovat läpinäkyvinä anodeina tai elektrodeina. Muita applikaatioita ovat näiden lisäksi heijastuksenesto- ja passivointipinnoitteet erityisesti aurinkokennoteknologiassa. Tämä kandidaatintutkielma esittelee kattavan kirjallisuuskatsauksen atomikerroskasvatuksella (ALD) valmistettujen TCO-ohutkalvojen perusperiaatteista, materiaaleista ja sovelluksista. TCO-ohutkalvojen ominaisuuksien parannuskeinoista yleisin on douppaus. Toisena yleisenä parannuskeinona ovat lämpökäsittelyt erilaisissa kaasuilmapiireissä tai UV-valokäsittelyllä. Douppauksessa saatavat optoelektronisten ominaisuuksien parannukset riippuvat huomattavasti itse dopanteista, ja parhaat ominaisuudet useimmiten saavutetaan hyvin pienillä määrillä dopanttia. Lämpökäsittelyillä saadaan parannettua TCO-ohutkalvojen kristallisuutta, joskaan käsittely ei ole aina mahdollista, koska monet substraattimateriaalit eivät kestä korkeita lämpötiloja. Lisäksi eri kaasuilmapiireillä pyritään usein kasvattamaan happivakanssien määrää ohutkalvon pinnalla, mikä parantaa kalvon konduktiivisuutta jonkin verran. UV-valokäsittely tehostaa lämpökäsittelyn happivakanssien muodostumista. Lupaavimpia uusia TCO-ohutkalvojen parannuskeinoja ovat vetydouppaus sekä erilaiset sandwich-rakenteet. Vetydouppaus ALD-syklin aikana mahdollistaa vedyn saamisen koko ohutkalvon rakenteeseen, pääasiassa happiatomien vakansseihin, mutta toisaalta hidastaa kalvon kasvunopeutta. Vaihtoehtona tälle on säteittäinen lämpökäsittely (radiative annealing) vetykaasuilmakehässä, tosin käsittelyllä vetyä saadaan näin pääasiassa ohutkalvon pintakerrosten happivakansseihin. Sandwich-rakenteissa optoelektronisten materiaalien konduktiivisuutta parannetaan materiaalin ylä- ja alapuolille kasvatetuilla TCO-ohutkalvoilla, mikä johtaa Burstein-Moss ilmiön kautta myös parannuksiin materiaalien läpinäkyvyydessä. Tätä rakennetta kutsutaan myös 2D-elektronikaasuksi sen korkean konduktiivisuuden takia erityisesti kokonaan TCO-kalvoista tehtyjen sandwich-rakenteiden kohdalla. TCO-ohutkalvojen suosio on kasvanut etenkin läpinäkyvinä elektrodeina perovskiittipohjaisissa ja väriaineherkistetyssä aurinkokennoteknologiassa tapahtuneiden parannusten myötä. Muita lupaavia käyttökohteita ovat LED- ja nestekristallipohjaiset valaistuslaitteet ja joustava elektroniikka, joissa TCO-kerrosrakenteet ja -nanolaminaatit tarjoavat parannuksia nykyisiin teknologioihin verrattuna.

Description

Supervisor

Nieminen, Minna

Thesis advisor

Ghiyasi, Ramin

Keywords

ALD, TCO, doping, annealing, optoelectronic, photovoltaic

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501211491

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM