CVD-Synthese von LiCoO2-Dünnschichtkathoden und Silizium-Dünnschichtanoden als Elektroden für Lithium-Ionen-Dünnschichtbatterien

Im Hinblick auf die Entwicklung von sogenannten 3-Dimensionalen-Dünnschichtbatterien ist die chemische Gasphasenabscheidung von besonderer Bedeutung. Diese Beschichtungstechnologie bietet den Vorteil, defektfreie Dünnschichten auf Substrate mit hohen Aspektverhältnissen abscheiden zu können und ist somit eine Schlüsseltechnologie bei der Entwicklung von 3D-Dünnschicht-Batterien auf Substraten mit hohem Aspektverhältnis. Diese Arbeit fokussiert sich mit diesem Hintergrund auf die Entwicklung eines MOCVD-Prozesses zur Abscheidung von LiCoO2-Dünnschichtelektroden. Zusätzlich gibt sie einen Einblick auf die Grenzflächenausbildung zwischen LiCoO2-Dünnschichten und verschiedenen gasförmigen Spezies sowie in die Eigenschaften von HW-CVD-Siliziumdünnschichtanoden. In Bezug auf die MOCVD-Abscheidung von LiCoO2-Dünnschichtelektroden beschreibt die Arbeit den Aufbau eines geeigneten Reaktordesigns sowie die Auswahl geeigneter Präkursoren. Darüber hinaus werden prozessparametrische Einflussfaktoren auf Fremdphasen ermittelt. Hierbei werden als Hauptfaktoren der Sauerstoffpartialdruck während der MOCVD-Synthese sowie die maximale Kalzinierungstemperatur identifiziert. Zusätzlich werden Prozessbedingungen bestimmt, in denen fremdphasenfreie LiCoO2-Dünnschichten mit guten elektrochemischen Eigenschaften und einem guten 3D-Bedeckunsgrad erhalten werden. Weiterhin wird die Grenzflächenausbildung zwischen LiCoO2-Dünnschichten und den chemsichen Spezies O2, CO2, H2O sowie Laborluft mittels XPS untersucht. Hierbei liegt besonderer Fokus auf der Charakterisierung der chemischen Struktur der Grenzflächen oder Oberfläche sowie der Identifikation möglicher Ladungstransferprozesse. Bei der Untersuchung der prozessparametrische Einflussfaktoren sowie den Grenzflächenbetrachtungen stellt sich CO2 als chemische Spezies heraus, die die Bildung von Li2CO3-Fremdphasen begünstigt. Als Schlussfolgerung ist CO2 somit als chemisches Reaktionsprodukt in der MOCVD-Abscheidung von LiCoO2-Dünnschichten, bei den in dieser Arbeit verwendeten Prozessbedingungen, absolut zu vermeiden. In Bezug auf die Eigenschaften von HW-CVD-Siliziumdünnschichtanoden wird der Einfluss von Prozessparametern auf die Mikrokristallinität der Siliziumdünnschichten untersucht. Zusätzlich wird der Einfluss der Mikrokristallinität auf die elektrochemischen Zyklierungs-Eigenschaften der Dünnschichten charakterisiert. Dünnschichten mit einer Mikrokristallinität von 0,5 zeigen hier besonders vielverprechende Zyklierungseigenschaften. Zur Charakterisierung der synthetisierten Dünnschichten werden in dieser Arbeit materialwissenschaftliche Methoden wie Raman-Spektroskopie, XPS, XRD, REM und elektrochemische Methoden wie die galvanostatische Zyklierung und die Cyclovoltammetrie verwendet

Surface and Interface Analysis of LiCoO2 and LiPON Thin Films by Photoemission: Implications for Li-Ion Batteries

Abstract Thin film technology is applied in different fields of Li-ion battery research and development, such as the fabrication of thin film cells and model electrodes. Data obtained by surface and interface analysis of thin films provides important insights into fundamental processes such as charge compensation mechanism or interface formation. In this overview, we present the analysis of LiCoO2 and LiPON thin films using photoemission. It includes data obtained directly after preparation, after exposure to molecular species and/or after electrode-electrolyte interface formation. Information both on electronic structure and surface chemistry of the films is deduced from core level spectra, valence band spectra, Fermi level position and work function. Next to PES analysis of our films, we address composition, structure and functionality in more general terms in relation to literature.</jats:p

Determination of the valence band structure of an alkali phosphorus oxynitride glass: A synchrotron XPS study on LiPON

Lithium phosphorus oxynitride (LiPON) is a solid state electrolyte commonly used in thin film batteries (TFBs). Advanced TFBs face the issue of detrimental electrode–electrolyte interlayer formation, related to the electronic structure of the interface. In this contribution, we study the valence band structure of LiPON using resonant photoemission and synchrotron photoemission with variable excitation energies. The identification of different valence band features is done according to the known valence band features of meta- and orthophosphates. Additionally we compare our results with partial density of states simulations from literature. We find that the valence band structure is similar to the known metaphosphates with an additional contribution of nitrogen states at the top of the valence band. From the results we conclude that synchrotron X-ray photoemission (XPS) is a useful tool to study the valence band structure of nitridated alkali phosphate glasses

12% efficient CdTe/CdS thin film solar cells deposited by low-temperature close space sublimation

We report 12% efficient CdS/CdTe thin film solar cells prepared by low temperature close space sublimation (CSS). Both semiconductor films, CdS and CdTe, were deposited by high vacuum CSS in superstrate configuration on glass substrates with fluorine doped tin oxide (FTO) front contact. The CdTe deposition was carried out at a substrate temperature (Tsub) of 340° C, which is much lower than that used in conventional processes (&#62;500 ° C). The CdTe films were treated with the usual CdCl 2 activation process. Different optimal annealing times and temperatures were found for low-temperature cells (Tsub 340°C) compared to high-temperature cells (Tsub = 520°C). The influence of the activation step on the morphology of high-temperature and low-temperature CdTe is determined by XRD, AFM, SEM top views, and SEM cross-sections. Grain growth, strong recrystallization, and a reduction of planar defects during the activation step are observed, especially for low-temperature CdTe. Further, the influence of CdS deposition parameters on the solar cell performance is investigated by using three different sets of parameters with different deposition rates and substrate temperatures for the CdS preparation. Efficiencies about 10.9% with a copper-free back contact and 12.0% with a copper-containing back contact were achieved using the low temperature CdTe process

12% efficient CdTe/CdS thin film solar cells deposited by low-temperature close space sublimation

We report 12% efficient CdS/CdTe thin film solar cells prepared by low temperature close space sublimation (CSS). Both semiconductor films, CdS and CdTe, were deposited by high vacuum CSS in superstrate configuration on glass substrates with fluorine doped tin oxide (FTO) front contact. The CdTe deposition was carried out at a substrate temperature (Tsub) of 340° C, which is much lower than that used in conventional processes (>500° C). The CdTe films were treated with the usual CdCl2 activation process. Different optimal annealing times and temperatures were found for low-temperature cells (Tsub 340° C) compared to high-temperature cells (Tsub ¼ 520° C). The influence of the activation step on the morphology of high-temperature and low-temperature CdTe is determined by XRD, AFM, SEM top views, and SEM cross-sections. Grain growth, strong recrystallization, and a reduction of planar defects during the activation step are observed, especially for low-temperature CdTe. Further, the influence of CdS deposition parameters on the solar cell performance is investigated by using three different sets of parameters with different deposition rates and substrate temperatures for the CdS preparation. Efficiencies about 10.9% with a copper-free back contact and 12.0% with a copper-containing back contact were achieved using the low temperature CdTe process