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UFOP - CETEC - UEMG REDEMAT REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS UFOP – CETEC – UEMG Dissertação de Mestrado "Preparo e Caracterização de Óxido de Zinco Dopado com Alumínio e Hidrogênio para Aplicações em Células Solares Fotovoltaicas" Autor: Gilson Ronaldo Guimarães Orientador: Prof. José Roberto Tavares Branco Novembro de 2013

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UFOP - CETEC - UEMG

REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP – CETEC – UEMG

Dissertação de Mestrado

"Preparo e Caracterização de Óxido de Zinco

Dopado com Alumínio e Hidrogênio para Aplicações

em Células Solares Fotovoltaicas"

Autor: Gilson Ronaldo Guimarães

Orientador: Prof. José Roberto Tavares Branco

Novembro de 2013

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UFOP - CETEC - UEMG

REDEMATREDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS

UFOP – CETEC – UEMG

Gilson Ronaldo Guimarães

Preparo e Caracterização de Óxido de Zinco Dopado com Alumínio e

Hidrogênio para Aplicações em Células Solares Fotovoltaicas

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de

Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da

REDEMAT, como parte integrante dos requisitos

para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de

Materiais.

Área de concentração: Engenharia de Superfícies

Orientador: Prof. José Roberto Tavares Branco

Ouro Preto, Novembro de 2013

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Catalogação: [email protected]

G963p Guimarães, Gilson Ronaldo.

Preparo e caracterização de óxido de zinco dopado com alumínio e hidrogênio

para aplicações em células solares fotovoltaicas [manuscrito] / Gilson Ronaldo

Guimarães – 2013.

70f.: il. color., grafs., tabs.; mapas.

Orientador: Prof. Dr. José Roberto Tavares Branco.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Rede Temática

em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Engenharia de Superfícies.

1. Óxido de zinco - Teses. 2. Células solares - Teses. 3. Elétrons espalhamento.

I. Branco, José Roberto Tavares. II. Universidade Federal de Ouro Preto.

III. Título.

CDU: 551.521.37

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AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus pela saúde e pela capacidade física e mental para realização

deste trabalho.

Agradeço a meus pais, que além de promoverem a minha existência sempre deram apoio

incondicional em todos os momentos necessários.

Agradeço minha namorada, Bruna Camargos, pela compreensão, pelo apoio em momentos

difíceis e principalmente por me ajudar a retomar o foco em momentos de dificuldade.

Agradeço meu irmão pelo apoio dado em todo o período.

Agradeço a toda equipe do CETEC, Adriano Menezes, Diego Munhoz, Nilo Nogueira, Thiago

Moura, Reinaldo Proença e a tantos outros que contribuíram direta ou indiretamente para

realização deste trabalho.

Agradeço a CEMIG e ao CNPQ pelo apoio financeiro.

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Sumário

1 Introdução ......................................................................................................................... 14

2 Justificativa ....................................................................................................................... 16

3 Objetivos ........................................................................................................................... 17

3.1 Objetivo geral ...................................................................................................................... 17

3.2 Objetivos específicos: ........................................................................................................ 17

4 Revisão bibliográfica ........................................................................................................ 18

4.1 Materiais semicondutores e o efeito fotovoltaico ........................................................... 18

4.2 Células solares ..................................................................................................................... 21

4.3 Óxidos transparentes condutores – TCO’s ...................................................................... 26

4.3.1 Histórico dos TCOs ............................................................................................ 26

4.4 TCOs para células solares.................................................................................................. 26

4.5 ZnO ....................................................................................................................................... 28

4.5.1 Propriedades ópticas .......................................................................................... 31

4.5.2 Propriedades elétricas ....................................................................................... 31

4.5.3 Hidrogenação do ZnO ........................................................................................ 32

4.6 Interação da radiação com a matéria ................................................................................ 35

5 Materiais e métodos .......................................................................................................... 38

5.1 Condições de contorno ....................................................................................................... 39

5.2 Experimentos ....................................................................................................................... 40

5.3 Caracterizações realizados nos filmes de ZnO ............................................................... 42

5.3.1 Espectroscopia na região Uv-Vis ....................................................................... 43

5.3.2 Resistividade ....................................................................................................... 44

5.3.3 Perfilometria ...................................................................................................... 46

5.3.4 Elipsometria ....................................................................................................... 47

5.3.5 Raman. ................................................................................................................ 49

5.3.6 Difração de raios X ............................................................................................ 51

6 Resultados ......................................................................................................................... 52

6.1 Transmitância ...................................................................................................................... 52

6.2 Energia de banda proibida ................................................................................................. 53

6.2.1 Primeira série de experimentos - Amostras com variação de hidrogênio ......... 53

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6.2.2 Segunda série de experimentos - Amostras depositadas com variação de

corrente do feixe......... ...................................................................................................... 55

6.3 Resistividade ....................................................................................................................... 57

6.3.1 Primeira série de experimentos - Amostras com variação de hidrogênio ......... 57

6.3.2 Segunda série de experimentos - Amostras com variação da corrente do feixe 58

6.4 Raman ................................................................................................................................... 58

6.5 Difração de raios X ............................................................................................................. 60

6.6 Efeito do hidrogênio e da corrente do feixe de elétrons nas propriedades dos filmes.......... 62

7 Conclusões ........................................................................................................................ 64

8 Sugestões para trabalhos futuro ........................................................................................ 65

9 Referências bibliográficas ................................................................................................. 66

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Lista de figuras

Figura 1.1- Geração bruta de energia renovável. A) Com base em dados de 2009 b) Com base

em dados de 2007. .................................................................................................................... 14

Figura 1.2– Diagrama esquemático simplificado de uma célula fotovoltaica tipo SHJ.. ........ 15

Figura 4.3 - Representação básica de uma junção p-n ............................................................. 18

Figura 4.4 – Esquema bandas de energia em sólidos. .............................................................. 19

Figura 4.5 - Espectro solar padrão: .......................................................................................... 20

Figura 4.6– Gráfico que representa a produção de módulos fotovoltaico em 2010 por região 22

Figura 4.7- Mapa da irradiação solar anual no Brasil. ............................................................. 23

Figura 4.8- Esquema de módulo com células solar de silício monocristalina. ........................ 24

Figura 4.9 - Esquema de módulo com células solar de silício policristalino ........................... 24

Figura 4.10 - Esquema de módulo com células solares de filmes fino. ................................... 25

Figura 4.11 - Esquema célula solar TANDEM. ....................................................................... 25

Figura 4.12- Mineral zincita (vermelho) em calcita. ................................................................ 28

Figura 4.13 - Representação esquemática de uma estrutura de ZnO tipo Wurtzita com seus

respectivos parâmetros de rede (a=b≠c). As esferas em cinza representam átomos de oxigênio

e em preto, átomos de Zinco. ................................................................................................... 29

Figura 4.14 - Possíveis pontos de ligação do hidrogênio na estrutura Wurtzita do ZnO. AB||,O

ligação anti-central paralela ao oxigênio, BC|| ligação central paralela, BC - ligação central

perpendicular e AB,O- ligação anti-central perpendicular oxigênio. ...................................... 33

Figura 4.15 Variação da posição dos átomos na estrutura do ZnO devido a presença do

hidrogênio. ................................................................................................................................ 34

Figura 4.16– Diagrama do nível de energia para o espalhamento Raman; (a) espalhamento

Stokes (b) espalhamento anti-Stokes. ....................................................................................... 36

Figura 5.17 - Fluxograma da metodologia de trabalho ............................................................ 38

Figura 5.18- Esquema do reator BAI representando a configuração utilizada para deposição,

Fonte: Elaboração própria ........................................................................................................ 39

Figura 5.19 - Esquema do reator BAI Balzers 640. ................................................................. 40

Figura 5.20– Esquema das propriedades estudadas seguidas das técnicas de caracterizações

utilizadas, para cada propriedade, e das informações obtidas com as técnicas. ....................... 43

Figura 5.21 - Espectrofotômetro da AnalytikJenaSpecord 210 UV-Vis-IR parra medidas de

refletância no visível e infravermelho próximo. ...................................................................... 44

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Figura 5.22– Arranjo para medidas de resistividade pelo método de quatro pontas (ou de quatro

terminais). A letra “s” representa a distância entre as pontas .................................................. 45

Figura 5.23 -PerfilômetroTaylor-Hobson, modelo FormTalysurf, .......................................... 46

Figura 5.24 - Esquema de degrau medido por perfilometria. .................................................. 46

Figura 5.25 - – Ondas eletromagnéticas combinadas para demonstrar a polarização da luz.. 47

Figura 5.26 – Propagação da onda no filme. Onda passando do ar para dentro do filme 1

absorvente e então para um filme 2 transparente. A velocidade da fase e comprimento de onda

variam em cada material dependendo do índice de refração (Filme 1: n=4, Filme 2: n=2). ... 48

Figura 5.27 -– Foto elpisometro SOPRA GES 5 Evolution Mains. ........................................ 49

Figura 5.28- Possíveis configurações para o modo Raman retroespalhamento. ...................... 50

Figura 5.29- Micro-ramanRenishaw, modelo InVia. ............................................................... 51

Figura6.30 - a) Espectro de Transmitância na região do Uv-Vis-NIR, b) Espectro de

Transmitância na região do Uv. ............................................................................................... 52

Figura 6.31–a) Espectro de Transmitância na região do Uv-Vis-NIR, b) Espectro de

Transmitância na região do Uv. Ambos da segunda série de experimentos. ........................... 53

Figura 6.32–Extrapolação da região linear da curva 2 h versus energia utilizada para

cálculo da banda proibida das amostras da primeira série de experimentos. ........................... 54

Figura 6.33–Extrapolação da região linear da curva 2 h versus energia. ......................... 56

Figura 6.34– Variação da resistividade em relação a porcentagem de hidrogênio na câmara de

deposição. ................................................................................................................................. 58

Figura 6.35– Espectros Raman das amostras depositadas na primeira série de experimentos. As

linhas em vermelho indicam os principais picos em cm-1. ....................................................... 59

Figura 6.36 – Difração de raios X das amostras de ZnO:Al hidrogenado produzido na primeira

série de experimentos ............................................................................................................... 61

Figura 6.37- Largura de meia altura -Fwhm (preto) e tamanho de grão(azul) versus porcentagem

de hidrogênio baseado no pico da orientação (002). ................................................................ 62

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Lista de tabelas

Tabela IV. 1– Algumas propriedades do ZnO . ....................................................................... 30

Tabela IV.2 – Energia de ligação e estado de ionização das ligações do H na rede do ZnO. .. 34

Tabela V.3– Variação da porcentagem de hidrogênio na atmosfera de deposição para amostras

produzidas na primeira série de experimentos. ........................................................................ 41

Tabela V.4 – Parâmetros de deposição usados na deposição das amostras da primeira série de

experimentos ............................................................................................................................ 41

Tabela V.5 – Variação da corrente do feixe de elétrons nas deposições da segunda série de

experimentos. ........................................................................................................................... 42

Tabela V.6 – Parâmetros de deposição .................................................................................... 42

Tabela VI.7 – Valores de energia de banda proibida e espessura das amostras de ZnO:Al

hidrogenado produzidas na primeira série de experimentos. ................................................... 55

Tabela VI.8- Valores de energia de banda proibida e espessura das amostras de ZnO:Al

hidrogenado produzidas na segunda série de experimentos ..................................................... 56

Tabela VI.9– Resistividade das amostras obtidas pela técnica 4 pontas. ................................. 57

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Lista de abreviaturas

- frequência

- energia de interação entre os átomos.

E – Variação da energia

< - Menor que

> - Maior que

µcSi:H – Silício microcristalino dopado

com hidrogênio.

A - Ampère

Å - Angstrons

A1- E1 – E2 – Modos óticos do espectro

Raman

Ab - Absorbância

AB||,O ligação anti-central paralela ao

oxigênio

AB,O- ligação anti-central perpendicular

oxigênio.

ABINEE - Associação Brasileira da

Indústria Elétrica e Eletrônica

Al2O3 – Alumina – óxido de alumínio

Ar – Argônio

a-Si – Silício amorfo

a-Si:H – Silício amorfo hidrogenado

At - Absortância,

AZ0 – Óxido de Zinco dopado com

alumínio

BC||- Ligação central paralela

BC - Ligação central perpendicular

c- Velocidade da luz.

CEMIG - Companhia Energética de Minas

Gerais

CETEC – Centro Tecnológico do Estado de

Minas Gerais

CGEE - Centro de Gestão e Estudos

Estratégicos

cm – Centímetro

cm3 – Centímetro cúbico

c-Si – Silício cristalino

d – distância interplanar

d’ – Tamanho de grão

E - energia movimento vibracional

e- espessura

E1 – Primeiro nível de energia em um

átomo/molécula

E2 – Segundo nível de energia em um

átomo/molécula

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e-beam – Evaporação por Feixe de elétrons.

Ee - energia dos elétrons

Eg – Energia de banda proibida.

Ei - energia interna da molécula

EPIA - European Photovoltaic Industry

Association- Associação das Indústrias

Europeias

Er - Energia movimento rotacional

eV- Elétron-volt

FTIR – Espectroscopia por infravermelho

com transformada de Fourier

FTO - Fluorine tin oxide – Óxido de

Estanho dopado com Fluor

GAP – Intervalo entre banda de valência e

banda de condução.

GW – Giga watts

h – Constante de Planck

H2 – Gás hidrogênio

HIT - Heterojunção com camada intrínseca

HJS – Heterojunção

i – Número imaginário

I(0) – Intensidade inicial

I(z) – Intensidade em função da penetração

no filme

Ia - radiação absorvida

Ir – radiação refletida

It - radiação transmitida

ITO - In2O3:Sn - Óxido de estanho dopado

com índium

J – Joules

k – Coeficiente de extinção

K – Kelvin

keV- Kiloelétron-volt

Lo – Modo Óptico longitudinal

Log – Logaritmo

mA –MiliAmpère

mbar – Unidade de pressão.

Min – Minuto

mm3– Milímetro cúbico

n – Índice de refração

n – número inteiro

nm – Nanômetros

ºC – Graus Celsius

p-i-n - Junção de um semicondutor tipo p

com um tipo n com uma camada de

semicondutor intrínseco interposta.

p-n - Junção de um semicondutor tipo p

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R - Refletância

s - Segundo

sccm- Centímetros cúbicos por minuto

padrão

Si – Silício

SnO2 - Óxido de Estanho

T – Transmitância

TCO – Óxido transparente condutor.

Tipo n – Excesso de portadores de carga

negativa.

Tipo p – Excesso de portadores de carga

positiva

Uv-Vis NIR – Ultravioleta - visível –

infravermelho próximo

z – Penetração da luz no filme.

Zn - Zinco

ZnO – Óxido de Zinco

ZnO:B – Óxido de Zinco dopado com boro

ZnO:Al – Óxido de Zinco dopado com

alumínio

α – Coeficiente de absorção

2θ – Ângulo de difração

λ – Comprimento de onda

λespalhada – Comprimento de onda da luz

espalhada

λincidente – Comprimento de onda da luz

incidente

Π – Pi.

Ω - Ohms

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Resumo

O CETEC vem desenvolvendo células solares baseadas em uma heterojunção com camada

intrínseca, à base de Silício– HJS. Este tipo de célula requer um TCO (óxido transparente

condutor) de alta qualidade, com resistividade da ordem de 10-4Ω.cm e transmitância acima

85%. Obter TCO’s para este tipo de célula é um desafio, pois este deve ser obtido a temperaturas

abaixo de 200ºC. Neste trabalho, foi estudado a hidrogenação de ZnO:Al a fim de diminuir a

resistividade dos filmes, sem alterar significativamente as propriedades ópticas. O hidrogênio

age no ZnO como doador de carga tipo n diminuindo assim a resistividade dos filmes. Os filmes

de ZnO:Al hidrogenados foram depositados por evaporação por feixe de elétrons assistido por

plasma. Os experimentos foram realizados em duas etapas, ambas a uma temperatura em torno

de 100ºC. Na primeira, produziram-se filmes variando apenas o teor de hidrogênio na atmosfera

de deposição. A variação ocorreu em cinco níveis diferentes, 0, 5, 10, 15, 20 e 25%. Já na

segunda série de experimentos variou-se apenas a corrente do feixe, de 0,3 a 0,6A, mantendo o

hidrogênio a 5% na atmosfera de deposição. Os filmes foram caracterizados eletricamente

empregando-se o método de quatro pontas, estruturalmente por espectroscopia Raman e

difração de raios X e opticamente por espectrofotometria Uv-Vis. Foram produzidos filmes

com transmitância maior que 80% e com resistividade de 4,54 x10-3Ω.cm. A difração de raios

X mostrou que os filmes de ZnO depositados apresentam estrutura wurtzita com orientação

preferencial (002), com o eixo c paralelo a normal do substrato. A difração também mostrou

que o hidrogênio, entre 5 e 10%, aumenta a cristalinidade do filme bem como fluxos de

hidrogênio acima de 10% levam a diminuição do tamanho de grão até o filme ficar amorfo.

Através do espectro Raman pode-se perceber que os filmes depositados possuem muitos

defeitos. Atmosfera de 5 a 10% de hidrogênio mostraram ser as melhores para dopagem dos

filmes.

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Abstract

The CETEC`s photovoltaic group has been developing heterojunction silicon based solar cells

with intrinsic layer. This kind of solar cell require a high quality TCO (Transparent conductive

oxide). The TCO must present a low resistivity in order of 10-4Ω.cm and transmittance above

85%. Grow TCOs for this type of cell is a challenge due the difficulty to obtain it at temperatures

below 200°C. In this work, the effect of hydrogen in ZnO:Al was studied. The hydrogen reduces

the resistivity of ZnO without modifying optical properties significantly. Hydrogen acts as n-

type donor but in excess can reduce the ZnO. The films were deposited by e-beam plasma

assisted. The experiments were carried out in two phases. In the first one, only the percentage

of hydrogen in the deposition atmosphere was varied. The hydrogen flow varied from 6 to

40sccm, corresponding to 5% and 25% of the gas present in the deposition atmosphere

respectively. In the second phase, the beam current was varied, from 0.3 to 0.6A in order to

study the effect of the current in the properties of hydrogenated AZO. The films were

characterized by four point probe, Raman spectroscopy, X ray diffraction and UV-Vis

spectrophotometry. We obtained films with transmittance higher than 80% and band gap around

3.2ev. The hydrogen reduces the resistivity in one order of magnitude. The lowest resistivity

was 4.54 x10-3Ω.cm in atmosphere of 5% of hydrogen. The X-ray diffraction showed the films

presented wurtzite structure. Diffraction also showed that the hydrogen between 5% and 10%

increases the crystallinity of the film, and hydrogen above to 10% decreases the crystallinity.

The Raman spectrum presented a band in all films that corresponds too many defects in the

films, mainly in the grain boundaries. Atmosphere 5-10% of hydrogen turned out to be the best

for doping the film.

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1 Introdução

Fontes de energia renováveis são necessárias para satisfazer a enorme demanda de

energia no mundo e contribuir na redução de emissão de gases estufas na atmosfera. Para

geração de energia elétrica, além de recursos como eólica, a biomassa (verde) e geotérmica

(roxo escuro), a energia solar é uma alternativa promissora. A expectativa de crescimento da

contribuição deste tipo de energia vem aumentando nos últimos anos, como pode-se observar

na Figura 1.1.

Figura 1.1- Geração bruta de energia renovável. A) Com base em dados de 2009 b) Com base

em dados de 2007.

Fonte: Skrivet av Hans Nilsson, 2010.

Embora os sistemas fotovoltaicos sejam agora amplamente disponíveis e cada vez mais

implantados no mundo o preço da eletricidade gerada com estes sistemas ainda não é

competitivo com a eletricidade gerada a partir de outras fontes como combustíveis fósseis,

hidroeletricidade e eólica. No Brasil a indústria fotovoltaica é praticamente inexistente. Devido

a este fato, importa-se praticamente todos os componentes deste sistema, fato que corrobora

para que os preços sejam ainda menos competitivos (ABINEE, 2012).

Tendo em vista estes problemas, o CETEC e a CEMIG vêm tomando frente nesta

questão, atuando para desenvolver materiais para todas as etapas da cadeia produtiva. A ideia

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é partir do Si (silício) grau metalúrgico e chegar ao módulo fotovoltaico. A célula que está

sendo implementada no momento é baseada em uma heterojunção à base de Si – HJS, do tipo

HIT (heterojunção com camada intrínseca), formada pela deposição de filme de silício amorfo

hidrogenado (a-Si:H) sobre um substrato cristalino, também de silício, com uma camada de

a-Si intrínseco interposta, dando origem a uma heterojunção amorfo/cristalina, e no topo um

TCO (óxido transparente condutor), como mostrado na Figura 1.2. Tsunomura et al. (2009)

conseguiram uma eficiência maior que 22% para este tipo de célula solar.

Figura 1.2– Diagrama esquemático simplificado de uma célula fotovoltaica tipo SHJ.. Fonte: Elaboração própria

No entanto, existem possibilidades de desenvolvimento para melhorar esta eficiência.

Um dos materiais utilizados para fabricação deste tipo de célula que pode ser melhorado é o

TCO (Óxido transparente condutor). A obtenção de um TCO de alta qualidade é um desafio,

devido à dificuldade de ser obtido em baixas temperaturas (<200ºC). A deposição nesta faixa

de temperatura é necessária pelo fato do TCO ser depositado sobre uma camada de silício

amorfo (Koida et al., 2009). O a-Si, em altas temperaturas, tem suas propriedades alteradas,

devido, principalmente, a cristalização.

Neste trabalho, estão sendo pesquisados filmes de óxido de zinco dopados com alumínio e

hidrogenados obtidos por evaporação por feixe de elétrons (e-beam) assistido por plasma. Este

material será utilizado como óxido transparente condutor (TCO) em células solares. Estes

filmes devem apresentar alta transmitância na região visível do espectro, maior que 90 %, bem

como resistividade elétrica da ordem 10-4Ω.cm (Kim et al., 2011). Estas propriedades são

importantes, pois são duas das principais funções deste material, que além de ser transparente

na região do visível deve ser um bom condutor para ser capaz de capturar os portadores de carga

do silício e os conduzir, de forma mais eficiente possível, até os contatos metálicos.

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2 Justificativa

Um dos grandes desafios no século XXI é a geração de energia suficiente, segura, limpa

e de baixo custo para suprir a demanda energética mundial. A geração fotovoltaica é uma das

alternativas portadora de futuro e por isso, ter o domínio de tecnologias nesta área é importante

para o desenvolvimento econômico de um país. Em países como Alemanha, Estados Unidos,

Japão, Taiwan e China já existe uma indústria fotovoltaica forte e bem estabelecida nesta área

(ABINEE, 2012 e Germany Trade and Invest, 2011).

O Brasil é um dos maiores detentores de reservas de sílica do mundo, da qual se extrai

o silício, matéria prima fundamental para produção das principais tecnologias fotovoltaicas

existentes. Por isso, dominar a tecnologia para obtenção de sílica de alta pureza é um passo

fundamental para promover uma indústria nacional integrada de fotovoltaicos. Conseguir o

domínio de tecnologias, nesta temática, é um grande desafio, pois o país conta com poucos e

mal equipados laboratórios dedicados ao tema.

Outro desafio, este geral para a comunidade fotovoltaica, é fornecer tecnologias que

permitam obter custos de geração elétrica bem abaixo dos valores atuais. Também existem

desafios científicos, tanto teóricos como experimentais, bem como de engenharia a serem

vencidos, a fim de se obter o maior potencial possível das células solares (Rockett et al., 2011).

A solução destes desafios poderá implicar em quebras de paradigmas ou de rupturas

epistemológicas nas tecnologias existentes (Martins, 2006).

No tocante a hidrogenação do ZnO existem lacunas no processo no domínio do processo

de produção do ZnO, principalmente por evaporação por feixe de elétrons. Não foi encontrado

qualquer trabalho publicado, na revisão realizada, que aborde a hidrogenação de óxido de zinco

dopado com alumínio e hidrogênio por evaporação a vácuo e feixe de elétrons com assistência

de plasma. Existem lacunas na literatura referente ao papel do hidrogênio em propriedades

ópticas e elétricas de filmes de ZnO, como qual é quantidade ideal de hidrogênio a ser

incorporado no filme, qual a melhor tipo de ligação deste hidrogênio na ligação entre outros

(Klykov et al, 2012). Dentre os principais desafios na obtenção de ZnO, pode-se destacar sua

obtenção temperaturas abaixo de 200ºC com as propriedades adequadas para células solares

fotovoltaicas.

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3 Objetivos

3.1 Objetivo geral

Estudo do efeito do hidrogênio na transmitância e condutividade elétrica de filmes de óxido

de zinco dopado com alumínio, produzido por evaporação a vácuo e feixe de elétrons, com

assistência de plasma, para uso como TCO (óxido transparente condutor) em células solares.

3.2 Objetivos específicos:

Estudo do efeito do fluxo de hidrogênio na transmitância e resistividade em filmes de

Zn-O:Al:H.

Estudo do efeito da corrente do plasma nas propriedades de filmes hidrogenados.

Estudo da interação do hidrogênio com a estrutura do ZnO e de como esta interação

afeta as propriedades do filme.

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18

4 Revisão bibliográfica

4.1 Materiais semicondutores e o efeito fotovoltaico

A conversão fotovoltaica é definida como a transformação direta da radiação solar em

energia elétrica. Células solares fotovoltaicas são dispositivos destinados a realizar esta função.

Um esquema de uma junção p-n de tal célula pode ser observado na Figura 4.3.

Figura 4.3 - Representação básica de uma junção p-n Fonte: Green, 2000

A absorção de fótons da radiação solar ocorre mediante transições eletrônicas, para as

quais os fótons incidentes fornecem energia para excitação dos elétrons, ocorrendo transição de

elétrons dos estados menos energéticos para os estados mais energéticos. Elétrons em um átomo

podem ser excitados de um estado ocupado com energia E1 para um estado vazio e de maior

energia E2, pela absorção de um fóton de energia com energia igual a diferença de energia entre

os dois níveis. A variação de energia experimentada pelo elétron, ΔE, depende da frequência

da radiação (f) de acordo com a seguinte relação, equação 4.1 (Nelson, 2007):

hfE (4.1)

sendo “h” a constante de Planck que tem o valor de 6,63x10-34J.s

Em termos de comprimento de onda, a equação 4.1 pode ser reescrita na equação 4.2:

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hcnE (4.2)

Sendo c a velocidade da luz, 3x108 m/s e λ o comprimento de onda (em metros) e n os níveis de

energia permitidos para o átomo.

Quando se trata de um material sólido há uma sobreposição de níveis de energia

formando bandas de energia. Num sólido as energias possíveis dos elétrons estão agrupadas em

bandas permitidas e separadas entre si por bandas proibidas, "GAP", devido à periodicidade do

potencial criado por íons em sólidos. Estas bandas são: a banda de valência e a banda de

condução. A banda de valência é o mais elevado dos intervalos de energias eletrônicas no qual

os seus elétrons se encontram por norma presentes à temperatura de zero absoluto. Por outro

lado, a banda de condução é o intervalo de energias eletrônicas, acima da banda de valência,

que é necessária para “libertar” um elétron da sua ligação a um átomo, ou seja, a formação de

um elétron livre. A Figura 4.4 mostra uma representação esquemática de bandas de energia em

sólidos isolantes, condutores e semicondutores.

Figura 4.4 – Esquema bandas de energia em sólidos. Fonte: Adaptado Silva (2010)

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Em um material condutor não existe separação entre a banda de condução e a banda de

valência. Nos materiais isolantes e semicondutores há um distanciamento entre essas duas

bandas, dando origem a uma banda proibida, conhecida como intervalo entre bandas (band gap

(Eg)). A principal diferença entre um material isolante e um semicondutor é a largura das suas

bandas proibidas. Os materiais com menores intervalos entre bandas são semicondutores, por

exemplo, o Si e ZnO, com intervalos entre bandas de 1eV e 3.2eV respectivamente, e aqueles

com intervalos maiores são considerados isolantes (Eisberg, 1994).

As excitações dos elétrons de um estado com menor energia para um estado de maior

energia, com as consequentes absorções de energia, podem ocorrer somente se a energia do

fóton for maior do que a diferença entre as energias das bandas condutora e de valência (Eg),

isto é, se hc/λ >Eg. Sendo assim, as transições eletrônicas de um semicondutor são percebidas

por sua maioria, na região visível e ultravioleta do espectro. Então, um material para ser

transparente na região do visível deve ter um intervalo entre banda (band gap) com energia na

região Uv do espectro, ou seja, maior que 3.1eV (Calister, 2002).

Cada material semicondutor, devido a seu intervalo entre bandas, responde a uma faixa

estrita de energias. O sol tem um espectro de emissão característico, mostrado na Figura 4.5. É

de fácil percepção que a maior emissão do sol está na região do visível e infravermelho próximo

(300 a 1100nm). Assim sendo, materiais semicondutores para a aplicação em conversão

fotovoltaica, como o silício, devem absorver energia nestes comprimentos de onda.

Figura 4.5 - Espectro solar padrão: Fonte: ASTM, 2003

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O efeito fotovoltaico consiste na absorção destes fótons e conversão de sua energia em

energia elétrica. O fenômeno ocorre quando um fóton com energia igual ou superior à energia

de banda proibida atinge o semicondutor gerando pares “elétrons-buracos”, que são separados

pelo campo elétrico existente na junção p-n. A junção p-n é uma junção composta por um ou

dois semicondutores com dopagem tipo p e n. As junções p-n dividem-se em:

Homojunção: Na homojunção p-n temos uma interface de transição, dentro de um

mesmo semicondutor, entre uma região tipo p e outra região tipo n. Ex.: Célula solar

monocristalina.

Heterojunção: Na heterojunção, um material semicondutor é crescido sobre um outro

material semicondutor, ou um mesmo material é crescido em duas fases diferentes,

como silício amorfo sobre silício cristalino.

A região tipo p de um semicondutor é formada devido a dopagem com materiais tipo

boro e gálio. Esta dopagem faz com que o material semicondutor fique com “falta” de elétrons,

ficando com uma carga positiva. Já o semicondutor tipo n é devido a dopagem com fósforo,

arsênio ou antimônio. Esta dopagem faz com que o semicondutor com “excesso” de elétrons

fique com uma carga negativa.

Quando a junção está formada cria-se uma região de campo elétrico, fazendo com que

os elétrons sejam arrastados para o lado n e buracos para o lado p. Desse modo, surge uma

diferença de potencial nos terminais da célula, a qual variará proporcionalmente com a

intensidade da luz incidente. Os fótons que não possuem energia suficiente para formar um par

elétron-buraco, ou seja, com energia menor que a do intervalo entre bandas do material,

simplesmente passam através da célula. Já fótons com energia maior que o intervalo entre

bandas são absorvidos, mas a maior parte da sua energia é dissipada em forma de calor. Essa

perda de energia é um dos fatores que reduzem significativamente a eficiência de uma célula

solar (Mishima, 2011).

4.2 Células solares

Célula solar é o dispositivo do sistema fotovoltaico responsável pela conversão da

energia solar em energia elétrica. Esta conversão se dá pelo processo fotovoltaico, explicado

no item anterior. Segundo European Commission (2009), nos últimos anos, tem se observado

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na Europa um crescimento extensivo do mercado fotovoltaico. Em 2011, foi instalado no

mundo um total de 427.7GW, chegando a um total acumulado de 67.4GW (STUART, 2012).

O aumento da instalação e da produção vem fazendo com que o preço diminua a cada ano,

tornando a tecnologia mais competitiva. A produção tem aumentado principalmente na China

que foi responsável por 45% da produção mundial em 2010, como mostrado na Figura 4.6.

Figura 4.6– Gráfico que representa a produção de módulos fotovoltaico em 2010 por região Fonte: http://www.solarnovus.com

A associação das indústrias Europeia - EPIA (2011) - estima que em 2030, sistemas

fotovoltaicos gerarão aproximadamente 260GWP de eletricidade ao redor do mundo. Esta

quantidade de energia é suficiente para atender a demanda de energia de 12% da população

europeia.

No Brasil, foi realizado em 2009 um encontro do Centro de Gestão e Estudos

Estratégicos – CGEE (2009) - no qual foi gerado um estudo prospectivo em energia solar

fotovoltaica. Uma das conclusões deste estudo é de que o Brasil precisa, primeiramente ter

produtos nacionais, desde silício grau solar até a produção de módulos, ou seja, incentivar o

desenvolvimento de toda cadeia produtiva do sistema fotovoltaico. Com produtos nacionais, o

preço final do sistema fotovoltaico tende a diminuir tornando-se mais interessante para o

mercado. O Brasil tem um potencial enorme para desenvolvimento de energias renováveis

baseadas em tecnologias solares devido à grande insolação como mostrado na Figura 4.7

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Figura 4.7- Mapa da irradiação solar anual no Brasil.

Fonte: Fraidenraich, (2009).

Em 2012, a ABINEE realizou um estudo em que mostra mais alguns indicativos que fortalece

o fato de que o Brasil é uma região de oportunidades promissoras para o uso da tecnologia

fotovoltaica.

Com intuito de conseguir células solares mais eficientes e baratas a comunidade científica e a

indústria fotovoltaica vêm ao longo dos anos desenvolvendo e aprimorando tecnologias para

este fim. Este fato fez surgir diversos tipos de células solares. Abaixo serão citadas algumas das

principais tecnologias de células: A célula de Si monocristalino e policristalino, pois são as

mais comuns e as outras devido a importância do uso do TCO.

Células solares de silício monocristalino

Células solares de silício monocristalino, Figura 4.8, são os tipos de células mais

utilizadas. Elas provêm de cortes de monocristais de silício que são dopados para gerar

uma junção p-n. Estas células são encontradas no mercado com eficiência de

América do Sul

Oceano Atlântico

Oceano Atlântico

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aproximadamente 22% (SOLAROLAZA, 2012). É o tipo de célula mais usado. As

condições de crescimento do monocristal, como alta temperatura e utilização de silício

de alta pureza, torna o processo muito caro.

Figura 4.8- Esquema de módulo com células solar de silício monocristalina.

Células solares de silício policristilino.

Células solares de silício policristalinos, Figura 4.9, são mais baratas, devido ao

processo de crescimento de policristais ser mais barato que o crescimento de monocristais.

Contudo, sua eficiência é menor, alcançando eficiências de 14 a 18% em escala industrial

(EPIA, 2010).

Figura 4.9 - Esquema de módulo com células solar de silício policristalino

Células solares de filmes finos

As células solares de filmes finos destacam-se como um grupo específico de células

dentre as muitas tecnologias disponíveis. A Figura 4.10 mostra um módulo com células

de filmes finos. Esta tecnologia visa à redução dos custos da célula, com qualidade e

confiabilidade. Este tipo de célula usa uma quantidade menor de material semicondutor,

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reduzindo o consumo de energia durante o processo de produção. Células de silício

amorfo, telureto de cádimo e disseleneto de cobre são alguns exemplos de células de

filmes finos. A eficiência dos módulos de filmes finos chega a 15%(EPIA, 2010).

Figura 4.10 - Esquema de módulo com células solares de filmes fino.

Células solares TANDEM

Células solares TANDEM ou multijunção são um tipo de célula solar formadas por

“várias células”. Cada parte da multijunção é responsável pela conversão de uma faixa

do espectro solar de forma mais eficiente possível. Isto faz com que a célula como um

todo seja muito mais eficiente que uma de uma única junção. O modelo esquemático de

uma célula TANDEM é mostrado na Figura 4.11. Este tipo de célula pode alcançar

eficiência de 30% sob iluminação solar padrão, e de até 50% com iluminação solar

superconcentrada. Este tipo de célula é muito cara e seu uso ainda é restrito a aplicações

espaciais (EPIA, 2010).

Figura 4.11 - Esquema célula solar TANDEM.

Fonte: http://run.unl.pt/bitstream/10362/6639/1/Fernandes_2011.pdf

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4.3 Óxidos transparentes condutores – TCO’s

4.3.1 Histórico dos TCOs

Óxidos transparentes condutores, normalmente chamados de TCO (sigla do termo em

inglês Transparent and Conductive Oxide) têm sido estudados desde o começo do século

passado. O primeiro TCO produzido foi preparado por sinterização, em forma massiva ou de

"bulk", a partir de Óxido de cádmio em 1902. Cinco anos depois o material foi preparado em

forma de filme fino. A primeira patente referente a um TCO foi relativa ao óxido de estanho

(SnO2) e teve pedido depositado em 1931. Em 1942 cadastrou-se nova solicitação de patente para

filmes finos de SnO2 depositados sobre vidro. Uma das primeiras aplicações destes filmes foi

para aquecimento de para-brisas afim de se obter degelo em superfícies de vidro, durante período

da segunda guerra mundial. Nas décadas seguintes foram desenvolvidos os TCOs baseados em

In2O3, incluindo o óxido de estanho dopado com índio (ITO) e TCOs baseados em ZnO. O

primeiro ZnO dopado com alumínio foi reportado em 1971, mesmo ano que o primeiro varistor

baseado em ZnO foi produzido (Ginley, 2010).

Ainda hoje, os TCO’s mais utilizados são os filmes de dióxido de estanho (SnO2), dióxido

de estanho dopado com flúor (SnO2:F), óxido de índio dopado com estanho (In2O3:Sn), também

conhecido como ITO, o óxido de zinco (ZnO) e óxido de zinco dopado com alumínio (ZnO:Al)

(Ginley, 2010).

4.4 TCOs para células solares.

Para aplicação em células solares, os TCOs devem apresentar transmitância acima de

85% na região do visível e banda proibida óptica maior que 3eV. Tais TCOs também devem

ter suas propriedades elétricas específicas, como a concentração de portadores de carga de pelo

menos 1020cm-3 e resistividade da ordem de 10-4 ohm.cm (Kim et al., 2011). Outras

propriedades importantes para que o material seja um bom TCO são: índice de refração para

capturar de modo eficiente a luz que chegará à camada absorvedora de silício, textura de

superfície para espalhamento da luz, boa estabilidade química, ou seja, baixa degradação do

material quando exposto a luz solar e a atmosfera. Também deve apresentar baixa toxicidade,

abundância das matérias primas correspondentes e custo compatível (Ginley, 2010).

TCOs podem ser usados em diferentes tipos de células como: células solares de filmes

finos, tandem e orgânicas. Apesar de maneira geral os requisitos básicos para um TCO de

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qualidade sejam os mesmos, em cada tipo de célula, podem desempenhar funções diferentes.

Sua aplicação irá depender do tipo de célula que está sendo aplicado.

Atualmente, para células baseadas em silício amorfo os TCOs mais utilizados e com

disponibilidade de matéria prima para produção em larga escala são o AZO, ZnO:B ou o FTO,

devido ao fato do ITO ser mais caro ele não é uma boa opção para esta tecnologia (Fleischer et

al, 2012).

O TCO pode ser aplicado na parte frontal de células solares de filmes finos a base de

silício com configuração p-i-n, nas quais a camada de silício é depositada sobre um substrato

transparente, como o vidro, por exemplo, coberto com o TCO. Para estas células, além de alta

transmitância e condutividade elétrica, o TCO deve também espalhar satisfatoriamente a luz

incidente na camada absorvedora de Si e ainda ser inerte às condições de deposição da camada

de Si. Nessas células, o TCO pode ainda ser depositado entre o silício e o contato metálico,

atuando como refletor de fundo para melhorar as propriedades ópticas e também agir como

barreira para a difusão do metal para o silício (Poortmans, 2006). Além disso, em células com

heterojunção a-Si:H/µcSi:H um TCO pode ser usado como um refletor intermediário entre o

topo e o fundo da célula para aumentar a corrente no filme de silício amorfo presente no topo

da célula (Muller et al, 2004).

Para aplicação em células solares de Si, os requisitos mínimos para as propriedades

ópticas e elétricas dos TCOs dependem da estrutura e do material usado com camada

absorvedora na célula solar. Quando silício amorfo é usado como camada absorvedora uma alta

transmitância na região do visível (comprimentos de onda de 400-750 nm) é suficiente, mas

para células solares que apresentam camada de absorvedora de µc-Si:H, que é o tipo de células

que deseja-se desenvolver no CETEC, o TCO deve ser transparente ao infravermelho próximo

(comprimentos de onda de 400-1100nm). Isto impõe certas restrições quanto à densidade de

portadores de carga do material usado como TCO, uma vez que o aumento da densidade de

portadores livres leva a uma redução da transmissão na região do infravermelho próximo

(Muller et al, 2004).

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4.5 ZnO

ZnO é um material semicondutor com banda proibida larga (3.2eV), com alta

estabilidade química e propriedades fotoelétrica e piezoelétrica. Na natureza o ZnO é

encontrado na forma de mineral avermelhado zincita mostrado na figura 4.12

Figura 4.12- Mineral zincita (vermelho) em calcita.

Fonte: Ginley, 2010

O ZnO é usado em várias aplicações tecnológicas tais como eletrodos transparentes, células

solares e sensores de gases. ZnO é um importante material para aplicações fotovoltaicas devido

a sua não toxidade, abundância na natureza e baixo custo, comparado com outros materiais

usados como TCOs em células solares (Kong et al., 2010). Diferentes técnicas de deposição

como “laser ablation”, “spray pyrolyses”, “sputtering”, sol-gel e evaporação por feixe de

elétrons (e-beam) são utilizadas para produção dos filmes (Ruske et al., 2005, Silva, 2010). A

sua estrutura é formada por tetraedros de ZnO4 orientados numa só direção, alternando camadas

de oxigênio e de zinco. A estrutura do ZnO é evidenciada na na Figura 4.13 com os parâmetros

de rede a = b = 3,25 Å e c = 5,12 Å.

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Figura 4.13 - Representação esquemática de uma estrutura de ZnO tipo Wurtzita com seus

respectivos parâmetros de rede (a=b≠c). As esferas em cinza representam átomos de oxigênio

e em preto, átomos de Zinco. Fonte: WANG (2006)

Pelo fato do óxido de zinco apresentar uma estrutura relativamente aberta, o mesmo

possui uma facilidade em incorporar impurezas, contaminantes ou dopantes, em seu retículo,

criando defeitos. Esses defeitos também podem ser formados por processo de migração de

átomos do próprio composto nos interstícios do reticulado cristalino e são chamados de defeitos

nativos. A presença desses defeitos na estrutura do ZnO o caracteriza como um semicondutor

não estequiométrico do tipo n com excesso de metal (SILVA, 2001). Sua estrutura de banda e

propriedades ópticas são bem parecidas com as do nitreto de gálio (GaN), que é conhecido

como um bom material para a fabricação de dispositivos ópticos como diodos emissores de luz

(LED) ou diodos a laser (LD).

A Tabela IV.1 mostra algumas características do ZnO.

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Tabela IV. 1– Algumas propriedades do ZnO (Peartonv et al, 2005).

Estrutura cristalina Hexagonal, wurtzita

Peso molecular Zn= 65,38; O=16 e ZnO=81,38

Parâmetro de rede a=3,246 Å; c= 5,207 Å

Massa específica 5,606 g/cm3 ou 4,21 x 1019 moléculas/mm3

Ponto de fusão

2248 K ou 1975 ºC

Energia da banda proibida (“band gap”) 3,37 eV

Índice de refração

2,008

Concentração intrínseca de portadores <106cm-3(máxima dopagem tipo-n>1020cm-3 elétrons

e máxima dopagem tipo-p <1017 cm-3 buracos

Varnamkhasti et al (2011) depositaram filmes amorfos por evaporação por feixe de

elétrons e através de tratamento térmico promoveu a cristalização dos filmes. Foi mostrado que

a transmitância de filmes amorfos é próxima de 0% enquanto que quando o filme passa a ter

caráter cristalino a transmitância ultrapassa 80%. Varnamkhasti (2011) mostra que com o

aumento de temperatura de tratamento térmico há um aumento significativo da resistividade

dos filmes. Este efeito é basicamente causado pela diminuição da concentração de portadores

de carga e de sua mobilidade.

Os filmes de óxido de zinco dopado com alumínio (AZO) também são semicondutores

com uma larga banda proibida (3,3-3,9eV), os quais apresentam uma boa transmissão óptica

na região do visível e do infravermelho próximo. Essas propriedades únicas foram largamente

estudadas para várias aplicações práticas como células solares e eletrodos com monitor de tela

plana. Foram encontradas também aplicações como dispositivos acústicos, guias de onda

ópticos, sensores de gás e atuadores de micro-máquinas. As propriedades físicas dos filmes de

ZnO dependem fortemente do método de deposição, das condições de crescimento e dos

tratamentos pós-deposição.

Nós ultimos anos tem-se estudado outros TCOs a base de ZnO como ZnO dopado com

Indium e com Ítrio que tem apresentado resultados interessantes para aplicação em células

solares.

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4.5.1 Propriedades ópticas

As propriedades ópticas de um semicondutor estão relacionadas a efeitos intrínsecos e

extrínsecos. Efeitos intrínsecos são transições ópticas entre os elétrons na banda de condução e

buracos na banda de valência. Já os efeitos extrínsecos estão relacionados a dopantes ou defeitos,

que habitualmente criam estados eletrônicos discretos na banda proibida e, portanto, influenciam

tanto os processos de absorção quanto os de emissão óptica e, consequentemente, a transmitância

na região do visível. O ZnO apresenta elevada energia da banda proibida, em torno de 3,4eV

(Pearton et al., 2005), portanto, é transparente na região de comprimentos de onda de cerca de

350nm a acima de 800nm, na qual o comprimento de onda de corte, do limite inferior, depende

da concentração de portadores de carga. A energia da banda proibida também pode variar em

função de dopantes e defeitos (Ellmer, 2001).

Para melhor captura e aproveitamento da radiação dólar deve-se ainda levar em conta o

índice de refração, pois o conhecimento sobre a dispersão dos índices de refração de materiais

semicondutores é necessário para a modelagem exata e melhora do desempenho dos dispositivos.

O ZnO com estrutura tipo wurtzita exibe simetria cúbica e, por isso, tem propriedades ópticas

anisotrópicas. A anisotropia resulta em birrefringência uniaxial, dois diferentes índices de

refração para polarização paralela e perpendicular ao eixo c. Todas as propriedades ópticas

citadas acima podem variar em função da técnica e dos parâmetros de deposição (Özgür et al.,

2005).

4.5.2 Propriedades elétricas

Quando trata-se de propriedades elétricas não é muito diferente das propriedades

ópticas, fatores extrínsecos e intrínsecos alteram significativamente as propriedades elétricas

do ZnO. Assim, a dopagem controlada é uma ferramenta de grande valia na diminuição da

resistividade no ZnO.

ZnO exibe condutividade tipo n originada devido ao excesso de elétrons que são

injetados na banda de condução por impurezas (Park et al., 2009). Se um monocristal de óxido

de zinco for crescido com o mínimo de defeitos intrínsecos ele exibirá uma resistividade da

ordem de 103 Ω.cm, dependendo das condições de crescimento. Para diminuir a resistividade

de ZnO deve-se introduzir dopantes intrínsecos, como lacunas de oxigênio ou átomos de zinco

em sítios intersticiais, que são eles defeitos na estrutura do ZnO. Outra tática é a introdução de

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dopantes extrínsecos, que são elementos químicos diferentes introduzidos controladamente na

estrutura para melhoria de uma determinada propriedade.

Mesmo depois de anos de investigação, a fonte de condutividade do ZnO é controversa

devido ao fato de que condutividade tipo n do ZnO ter sido tradicionalmente atribuída a defeitos

nativos (klingshirn et al.,2010). Autores como Tark, 2009 e De Walle, 2000, defendem que a

condutividade tipo n do ZnO não é devido a defeitos intrínsecos presentes no ZnO, mas, a

presença de impurezas, como hidrogênio, no processo de crescimento do ZnO.

O ZnO puro é um material instável devido a sua propensão a adsorção oxigênio

atmosférico, que decresce a sua condutividade e modifica a morfologia de sua superfície (Ali

et al, 2006). Para evitar que o material sofra essas mudanças a dopagem é necessária e o seu

objetivo é alcançado com a adição de elementos dopantes do grupo III como índio, boro,

alumínio, etc. Elementos do grupo VII também podem ser usados como o flúor (Ali et al, 2006).

4.5.3 Hidrogenação do ZnO

O estudo do efeito do hidrogênio no ZnO não é recente. Os primeiros trabalhos sobre o

tema foram publicados na década de 1950 por Mollwo em 1954 e por Thomas e Lander (1956).

Ambos os trabalhos tratam da difusão de hidrogênio em cristais de ZnO. Estes estudos

mostraram que a condutividade elétrica do ZnO aumenta após tratamento térmico em atmosfera

de hidrogênio. Porém, os autores explicaram a origem deste aumento com teorias diferentes.

Mollwo propôs que o hidrogênio reduzia moléculas de ZnO da superfície fazendo com que o

elemento zinco difundisse no cristal. O zinco agiria como centro doador de carga aumentando

assim a condutividade do ZnO. Tomas e Lander propuseram uma teoria diferente após mais

estudos sobre o assunto. Nesta teoria era defendido que o hidrogênio difunde para o cristal de

ZnO tornando-se ele mesmo doador de carga. Os autores suspeitaram que o hidrogênio

combinava com um íon de oxigênio formando ligações O-H, resultando na ionização do

Oxigênio

Em 2000, De Walle retomou a questão da hidrogenação do ZnO. Segundo ele o

hidrogênio é incorporado no ZnO como impureza devido à dificuldade de bombeá-lo da

atmosfera de deposição. Este hidrogênio incorporado como impureza torna-se um dos

responsáveis pela baixa resistividade dos filmes. O hidrogênio também é incorporado como

impureza devido ao fato de formar uma ligação muito forte com o oxigênio, provendo uma

força motriz poderosa para sua incorporação no ZnO. Ainda segundo De Walle (2000), se o

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hidrogênio for incorporado ao ZnO de forma controlada, seja durante a deposição seja em um

pós-tratamento térmico, o hidrogênio é capaz de reduzir significativamente a resistividade do

ZnO. Assim, o hidrogênio pode ser utilizado em filmes finos para modificar sua resistividade

ou absorção óptica, uma vez que controlado, pode aumentar o desempenho de materiais

microeletrônicos e óptico-eletrônicos (Park et al., 2009).

O Hidrogênio age em materiais semicondutores como uma impureza anfótera, pois em

matérias com condutividade predominante tipo p, o hidrogênio pode ser incorporado como

doador de cargas e em materiais tipo n como receptor de carga (Pankove, 1991). Porém, no

ZnO, o hidrogênio é encontrado exclusivamente em forma de cátions (H+) e sempre age como

doador de portadores de carga o que aumenta assim sua condutividade. O hidrogênio pode ligar-

se na rede de ZnO em algumas configurações como mostrado na Figura 4.14.

Figura 4.14 - Possíveis pontos de ligação do hidrogênio na estrutura Wurtzita do ZnO.

AB||,O ligação anti-central paralela ao oxigênio, BC|| ligação central paralela, BC - ligação

central perpendicular e AB,O- ligação anti-central perpendicular oxigênio.

Fonte: Jokela (2006).

De Walle chegou a estas possíveis ligações usando a teoria de função densidade de

estados. Ele calculou a energia de formação e o estado de ionização do hidrogênio em várias

posições na estrutura do ZnO. Estas energias e estados de ionização são mostrados na Tabela

IV.2. O valor da energia de ligação de algumas das configurações possíveis foi corrigido por

Limpijumnong e Zhang (2005). Com esta correção a ligação BC|| passa a ser a ligação com

menor energia de ligação e não a ligação BC como De Walle (2000) tinha calculado.

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Tabela IV.2 – Energia de ligação e estado de ionização das ligações do H na rede do ZnO. Fonte: Jokela, 2006 e Walle, 2000.

Posição Energia de formação (eV) Estado de ionização

BC|| -1,84 H+

BC -1,69 H+

AB||,O -1,67 H+

AB,O -1,65 H+

BC 1,07 H0

As 4 ligações apresentadas na tabela IV.2 incorporam hidrogênio no estado de ionização

H+. Neste estado, o hidrogênio age como doador de portadores de carga aumentado a

condutividade tipo n do ZnO. As ligações BC e O-H, presentes nos contornos de grão, também

agem como doadores rasos, contribuindo também para o aumento da concentração de

portadores de carga.

A incorporação de hidrogênio no ZnO é sempre acompanhada de grandes relaxações

nos contornos da posição atômica e por consequência promove mudanças do distanciamento

dos átomos de zinco e oxigênio. Esta mudança de posicionamento é ilustrada na Figura 4.15.

Figura 4.15 Variação da posição dos átomos na estrutura do ZnO devido a presença do

hidrogênio.

(Fonte: Walle, 2000)

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35

4.6 Interação da radiação com a matéria

A luz interage com um material sólido como, absorção, transmissão (transmitância),

refletância (especular e difusa), espalhamento e difração (Workman, 1998). A absortância (At),

refletância (R) e transmitância (T) podem ser calculadas pelas equações 4.3, 4.4 e 4.5

respectivamente.

At = Ia/I0 (4.3)

R = Ir/I0 (4.4)

T= It/Io (4.5)

Sendo Io, a radiação incidida na amostra, Ir, Ia e It, são respectivamente, as radiações:

refletida, absorvida e transmitida pelo material. As grandezas acima variam de 0 a 1 ou de 0 a

100%, podendo ser relacionadas da seguinte forma na equação 4.6:

At + R + T = 1 (4.6)

Os espectros normalmente são representados em um plano cartesiano. Neste plano o

eixo x é dado como número de ondas que é o inverso do comprimento de onda e o eixo y como

absorbância ou transmitância. A absorbância (Ab) é dada pela equação 4.7.

𝐴𝑏 = log(1

𝑇) (4.7)

A função de onda de uma molécula por sua vez é mais complexa. A energia interna da molécula

iE é dada pela equação 4.8:

rei EEEE (4 .8)

em que,

Ee é a energia dos elétrons, E do movimento vibracional, Er rotacional e é a energia de

interação entre os átomos.

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As moléculas e sólidos apresentam espectros eletrônicos, vibracionais, rotacionais ou

também uma combinação dos três. Transições eletrônicas são caracterizadas por absorção da

radiação do visível e ultravioleta, o vibracional pela região do infravermelho próximo e o

rotacional pelo infravermelho distante.

Espalhamento

Já o fenômeno de espalhamento ocorre, na maioria das vezes, elasticamente, ou seja, os

fônons espalhados têm a mesma energia que os incidentes. Contudo, uma pequena parte da luz,

aproximadamente 1 em cada 107 fótons, é espalhada com diferentes frequências ópticas dos

fótons incidentes. O processo conduzido para este espalhamento inelástico é chamado de efeito

Raman. Isto pode acontecer com uma mudança na energia vibracional, rotacional ou eletrônica

da molécula. Na mecânica quântica o espalhamento é descrito como uma excitação para um

estado virtual numa energia maior e, em seguida, realiza um salto para um estado de energia

maior ou menor que o estado inicial como mostra a Figura 4.16.

Figura 4.16– Diagrama do nível de energia para o espalhamento Raman; (a) espalhamento

Stokes (b) espalhamento anti-Stokes.

Raios X

Como os outros tipos de interações eletromagnéticas, a interação entre o vetor elétrico

da radiação X e os elétrons da matéria atravessada pela radiação resulta em uma dispersão.

Quando os raios-X são dispersados pelo ambiente ordenado de um cristal, ocorre as

interferências (tanto construtivas como destrutivas) entre os raios dispersados, já que as

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distâncias entre os centros de dispersão são de mesma ordem de magnitude que o comprimento

de onda da radiação. O resultado é a difração (Skoog et al, 2002).

Quando um feixe de raios X choca contra a superfície de um cristal formando um ângulo

θ, uma porção do feixe é dispersada pela camada de átomos da superfície. A porção não

dispersada do feixe penetra na segunda camada de átomos onde, de novo, uma fração é

dispersada e a que sobra passa pela terceira camada. Esse efeito acumulativo desta dispersão

produzida pelos centros regularmente espaçados do cristal é a difração do feixe, da mesma

forma que a radiação visível se difrata em uma rede de reflexão (Skoog et al, 2002). Os

requisitos para a difração de raios X são:

1. Que o espaço entre as camadas de átomos seja aproximadamente o mesmo que o

comprimento de onda da radiação

2. Que os centros de dispersão estejam distribuídos no espaço de uma maneira muito

regular.

Em 1912, W. L. Bragg tratou a difração de raios X por cristais como: um feixe estreito de

radiação choca contra a superfície do cristal formando um ângulo θ; a dispersão ocorre como

consequência da interação da radiação com os átomos. Assim, pode-se escrever que as

condições para que se tenha uma interferência construtiva do feixe que forma um ângulo θ com

a superfície do cristal, é mostrado na equação 4.9:

nλ = 2d sen(θ) (4.9)

em que n é um número inteiro, d é a distância interplanar do cristal.

A equação é denominada equação de Bragg e é de fundamental importância. Deve-se

destacar que os raios-X são refletidos pelo cristal somente se o ângulo de incidência satisfaz a

condição dada pela equação 4.10:

(4.10)

Para todos os demais ângulos, ocorrem interferências destrutivas.

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5 Materiais e métodos

Neste trabalho, foi definido a priori o material a ser estudo, qual seria o enfoque deste

estudo, e qual a técnica seria utilizada para deposição dos filmes. Para alcançar o objetivo, o

trabalho foi conduzido com a dinâmica apresentada no fluxograma da Figura 5. 17.

Figura 5.17 - Fluxograma da metodologia de trabalho

Fonte: Elaboração Própria (Organizado na disciplina: Epistemologia Aplicada-Ciência e

Realidade, 2011).

Partindo da proposta de investigar a influência do hidrogênio nas propriedades do

ZnO:Al pela técnica de evaporação por feixe de elétrons assistido por plasma, foi feita uma

revisão bibliográfica pela qual foi realizado o levantamento dos requisitos de qualidade do

material, parâmetros de deposição, influência destes nas propriedades dos filmes e

caracterizações necessárias para o estudo em questão.

Posteriormente, fez-se um mapeamento do reator de deposição. Neste mapeamento foi

obtido conhecimento da funcionalidade do equipamento. Com base nos conhecimentos obtidos

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nas etapas acima descritas foi possível determinar as condições de contorno e montar o plano

de experimentos. Após a deposição dos filmes, os mesmos foram caracterizados quanto a suas

propriedades ópticas, elétricas e estruturais.

5.1 Condições de contorno

Neste trabalho, o principal foco foi o estudo da influência do hidrogênio nas

propriedades ópticas (transmitância), elétricas (resistividade), estruturais (grau de

cristalinidade) de filmes de ZnO:Al. Os filmes foram depositados em atmosfera de Argônio e

hidrogênio, em que o fluxo de argônio foi mantido constante (120sccm). Foram utilizadas

corrente do feixe entre 0,03 e 0,06A e corrente do plasma, mantida a 30A. A porcentagem de

hidrogênio na atmosfera de deposição variou entre 0 e 25%. O fluxo de argônio foi escolhido

devido ao tamanho do reator, que para abrir o plasma necessita de um fluxo consideravelmente

alto de gás. Correntes menores que 0,03A não formam o feixe de elétrons e maior que 0,6A

ocorre a formação de arcos no feixe de elétron, podendo ser danoso até mesmo para a estrutura

do reator. A Figura 5.18 mostra o esquema do reator de deposição BALZERS BAI 640 R, onde

a entrada do gás hidrogênio foi feita através da câmera de ionização. A distância ente o alvo e

o substrato foi de 23cm. Para deposições foi utilizado um alvo cerâmico com 98%ZnO e 2% de

Al2O3 produzidos no laboratório e substrato de vidro. A pressão base utilizada para as

deposições foi de 9x10-6mbar e a pressão de trabalho na casa dos 10-3mbar. A temperatura foi

determinada em um experimento a parte com a mesma corrente do feixe e corrente do plasma

usado nos experimentos. Não foi possível determinar a temperatura em cada experimento

devido a problemas de fuga no reator com o termopar instalado na máquina. A temperatura de

deposição das amostras foi em torno 100ºC na região do substrato.

Figura 5.18- Esquema do reator BAI representando a configuração utilizada para deposição, Fonte: Elaboração própria

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5.2 Experimentos

Neste trabalhado foi utilizada a técnica de evaporação por feixe de elétrons assistida por

plasma de argônio. Esta técnica consiste em evaporar o material fonte contido em um cadinho

resfriado e em ambiente de vácuo, empregando-se um feixe de elétrons de alta energia (5 a 30

keV). O feixe de elétrons extraído de um ânodo é direcionado por um campo magnético e

bombardeia o material a ser evaporado. O esquema do reator do CETEC é mostrado na Figura

5.19. O reator também permite a utilização da técnica de pulverização catódica (sputtering) que

não foi utilizada neste trabalho.

Figura 5.19 - Esquema do reator BAI Balzers 640.

Com a técnica de evaporação por feixe de elétrons pode-se alcançar taxas de

deposição de até 0,5mm/min. Como o feixe de elétrons é localizado apenas o material fonte é

fundido, permitindo a obtenção de filmes de alta pureza (Graper, 1995). Já na evaporação por

feixe de elétrons assistida por plasma, um plasma é gerado na região entre a fonte e o substrato

pela aplicação de um campo elétrico ao gás (inerte ou reativo) em ambiente de vácuo. Dessa

forma, a assistência de plasma na técnica de evaporação por feixe de elétrons tem a grande

vantagem de criar espécies reativas, favorecendo a formação do filme e possibilitando bons

resultados na deposição. Além disso, o plasma pode ser usado para limpeza do substrato antes

da deposição e também permitir deposições em grandes áreas com altas taxas de deposição

sendo isto de suma importância para a produção em grande escala.

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41

Os experimentos foram realizados em duas etapas. Na primeira, apenas a porcentagem de

hidrogênio foi alterada. Na segunda, foi a corrente do feixe de elétrons que variou. A primeira

fase teve o objetivo de produzir filmes para o estudo da influência do hidrogênio nas

propriedades dos filmes de ZnO: Al. Para isto, as porcentagens de hidrogênio utilizadas na

atmosfera de deposição são mostradas na Tabela V.3.

Tabela V.3– Variação da porcentagem de hidrogênio na atmosfera de deposição para

amostras produzidas na primeira série de experimentos.

Amostra Porcentagem

de H2(%)

A1 0

A2 5

A3 10

A4 15

A5 20

A6 25

Os demais parâmetros foram estipulados com base nas condições de contorno e são mostrados

na Tabela V.4.

Tabela V.4 – Parâmetros de deposição usados na deposição das amostras da primeira série de

experimentos

Parâmetros Valor

Corrente do feixe 0,06 A

Corrente do plasma 30 A

Tempo de deposição 10 minutos

ddp do feixe 6 kV

Gás inerte (Ar) 120Nm3/h

Distância alvo substrato 23cm

Pressão base: 9x10-6 mbar

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Na segunda série de experimentos tentou-se reduzir a resistividade dos filmes e

aumentar a taxa de deposição. Para isto, variou-se a corrente do feixe de elétrons. Este

parâmetro é um dos que mais influi na taxa de deposição e nas propriedades dos filmes. As

correntes de feixe utilizadas são mostradas na Tabela V.5.

Tabela V.5 – Variação da corrente do feixe de elétrons nas deposições da segunda série de

experimentos.

Amostra Corrente do

feixe (A)

% de H

B1 0,03 5

B2 0,04 5

B3 0,05 5

B4 0,07 5

Os demais parâmetros são mostrados na Tabela V.6.

Tabela V.6 – Parâmetros de deposição

Parâmetros Valor

Corrente do plasma 30 A

Tempo de deposição 10 minutos

ddp do feixe 6 kV

Gás inerte (Ar) 120sccm

Distância alvo substrato 23cm

Pressão base: 9x10-6 mbar

5.3 Caracterizações realizados nos filmes de ZnO

Os filmes foram caracterizados a fim de se obter informações de suas propriedades

ópticas, elétricas e estruturais pelas técnicas mostradas no diagrama da Figura 5.20:

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Figura 5.20– Esquema das propriedades estudadas seguidas das técnicas de caracterizações

utilizadas, para cada propriedade, e das informações obtidas com as técnicas.

5.3.1 Espectroscopia na região Uv-Vis

Os espectrofotômetros utilizados para caracterização na região do ultra violeta, visível

e infravermelho próximo são constituídos de uma fonte de luz, um monocromador e um detector

(Park et al, 2009). O CETEC possui um Analytik Jena Specord 210 UV-VIS-NIR, mostrado na

Figura 5.21.

A partir deste espectrômetro foi obtido o espectro de transmitância (T) dos filmes. O

valor da banda proibida óptica do ZnO pode ser obtido através da teoria proposta por Tauc,

1972 (apud Feitknecht, 2003). A energia de banda proibida (band gap óptico Eg-tauc), no caso

que o ZnO que possui transição direta, é obtido pela extrapolação da região linear do gráfico da

equação 5.11 em que Eg-Tauc é o valor da interseção do prolongamento da parte linear do gráfico

com o eixo x (eixo das energias).

TaucEhh 2

(5.11)

Em que:

ZnO

:Al:H

Propriedades

ópticas

UV-VisTransmitância e banda proíbida

Elipsometria Espessura

Propriedades

elétricas4 pontas Resistividade

Propriedades estruturais

Difração de Raios X

Fases cristilinas

Tamanho de grão

RamanCaracterísticas

estruturais

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e

Tln (5.12)

Em que h é a constante de Planck, é a frequencia e e é a espessura do filme.(Feitknecht, 2003).

Figura 5.21 -- Espectrofotômetro da Analytik Jena Specord 210 UV-Vis-IR parra medidas de

refletância no visível e infravermelho próximo.

5.3.2 Resistividade

A técnica utilizada para medida de resistividade foi a quatro pontas. O método é útil

para medidas de rotina que requerem rapidez e precisão nos resultados, além de ser um método

recomendado pela norma padrão: SEMI MF43-0705 TEST METHODS FOR RESISTIVITY OF

SEMICONDUCTOR MATERIALS. Neste método, as sondas que monitoram a corrente e a

tensão são contatos pontuais usualmente montados em um suporte especial com as pontas da

sonda dispostas em linha espaçadas igualmente umas das outras. A Figura 5.22 ilustra o arranjo

experimental para a sonda de quatro pontas.

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45

Figura 5.22– Arranjo para medidas de resistividade pelo método de quatro pontas (ou de quatro

terminais). A letra “s” representa a distância entre as pontas

Fonte: SEMI, 2005.

De acordo com Girotto (2002) a resistividade de amostras retangulares pode ser

calculada através da equação 5.13. Para efetividade do cálculo as amostras devem ser

depositadas em substratos isolantes, com comprimento finito (l), largura finita, espessura (e) e

obedecer a relação 𝑑 < 4/10𝑒.

eFI

V

(5.13)

Onde:

= resistividade medida utilizando-se a corrente no sentido direto, Ω.cm,

V = diferença de potencial entre as pontas, V,

I= corrente, A,

e = espessura (cm)

F= fator de correção.

O fator de correção relaciona as dimensões da amostra com o espaçamento entre as pontas.

Ponta externa, por

onde percorre o fluxo

de corrente elétrica.

Ponta externa, por onde

percorre o fluxo de

corrente elétrica.

Pontas internas, que são

submetidas a uma diferença de

potencial elétrico.

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5.3.3 Perfilometria

Para medida de espessura dos filmes da primeira série de experimentos foi utilizado um

perfilômetro Taylor-Hobson, modelo Form Talysurf, Série 2 mostrado na Figura 5.23.

Figura 5.23 -PerfilômetroTaylor-Hobson, modelo FormTalysurf,

Série 2.

Antes do crescimento dos filmes foram depositados degraus de nitrato de boro

posteriormente removidos para obtenção dos degraus abruptos. A espessura do filme foi obtida

como a medida da altura deste degrau. A Figura 5.24 mostra esquematicamente um degrau.

Figura 5.24 - Esquema de degrau medido por perfilometria.

Fonte: Adaptado (Baršić, 2012)

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5.3.4 Elipsometria

Elipsômetros são instrumentos ópticos em que se mede mudanças no estado de polarização

do feixe colimado de luz polarizada causada pela reflexão da superfície (Tompkins, 2005). Uma

medida elipsométrica é um método óptico não destrutivo que envolve irradiação da superfície

da amostra com um feixe colimado de luz monocromática de estado de polarização controlável,

que permite medir:

o índice de refração (n) e o coeficiente de extinção (k) de um substrato;

a espessura (e) e o índice de refração (n) de filmes finos transparentes sobre um substrato

altamente absorvente, em que valores de n e k sejam conhecidos. Em filmes

multicamadas transparentes sobre um substrato com n e k conhecidos, pode-se

determinar dois dentre os valores ns, es, ni e ei, em que os índices s denotam o filme

superior e o índice i, o inferior, desde que os outros dois valores sejam conhecidos.

O método consiste em avaliar as mudanças no estado de polarização da luz causada pela

reflexão numa superfície, como mostrado na Figura 5.25.

Figura 5.25 - – Ondas eletromagnéticas combinadas para demonstrar a polarização da luz.

Fonte: http://www.jawoollam.com/tutorial_2.html acessado em: 15/06/2009.

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Dentre as muitas aplicações da elipsometria de reflexão estão as medidas das

propriedades ópticas dos materiais, e sua dependência com a frequência. Os materiais podem

estar na fase líquida ou sólida, podem ser isotrópicos ou anisotrópicos. Os fenômenos de

superfície que envolvem o crescimento de filmes finos partindo de uma camada atômica, por

oxidação, deposição, adsorção ou difusão de impurezas ou remoção das mesmas, podem ser

estudados in-situ. Além disso, a elipsometria é também aplicada para a caracterização da

composição, cristalinidade, rugosidade, concentração da dopagem e outras propriedades

associadas com a mudança na resposta óptica (Tompkins, 2005).

A luz é mais lenta quando penetra em um material com maior índice de refração. Devido

a frequência da onda de luz permanecer constante, o comprimento de onda é encurtado. O

coeficiente de extinção (k) descreve a perda de energia da onda no material. Isto é relacionado

ao coeficiente de absorção, α, como mostrado na equação 5.14:

(5.14)

A luz perde intensidade em uma absorção de acordo com a Lei de Beer’s, equação 5.

15:

(5.15)

Assim, o coeficiente de extinção relaciona quão rapidamente a luz anula-se no material.

Este conceito é demonstrado na Figura 5.26 onde a luz viaja através de dois materiais diferentes

variando suas propriedades antes de retornar ao ambiente.

Figura 5.26 – Propagação da onda no filme. Onda passando do ar para dentro do filme 1

absorvente e então para um filme 2 transparente. A velocidade da fase e comprimento de onda

variam em cada material dependendo do índice de refração (Filme 1: n=4, Filme 2: n=2). Fonte: http://www.jawoollam.com/tutorial_2.html

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As medidas elipsométricas foram obtidas em um elipsômetro SOPRA GES 5

Evolution Mains Rack mostrado na Figura 5.27

Figura 5.27 -– Foto elpisômetro SOPRA GES 5 Evolution Mains.

As medidas foram obtidas em ângulo fixo de 70º. Com este equipamento foram obtidas

as espessuras das amostras da segunda série de experimentos. Para caracterização do filme por

este equipamento tem que se ter uma noção da espessura do mesmo. A espessura usada foi

150nm, que foi conseguida pelo perfilômetro durante a primeira série de experimentos.

5.3.5 Raman.

A espectroscopia Raman é uma técnica que tem como base o espalhamento provocado

por um material quando uma radiação incide no mesmo.

A diferença de energia entre o fóton incidente e o fóton espalhado é igual à energia de

vibração da molécula. Ao relacionar a diferença da intensidade da luz espalhada com o

deslocamento da frequência ou do número de onda, obtém-se um espectro Raman.

Este efeito Raman surge quando um fóton incide na molécula e interage com o dipolo

elétrico da molécula. Em termos clássicos, a interação pode ser vista como uma perturbação do

campo elétrico da molécula.

Numericamente, a diferença de energia entre os níveis vibracionais inicial e final, ou

deslocamento Raman nos números de onda (cm-1), é calculada através da equação 5.16

espalhadaincidente

11

(5.16)

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50

Onde λincidente e λ espalhada são os comprimentos de onda (em cm) incidente e dos fótons

espalhados, respectivamente.

Se a molécula absorve energia, E é positiva, incidente>espalhada, estas são as linhas Stokes

do espectro (regra de Stokes de fluorescência, incidente>fluorescência). Se a molécula perde

energia, E é negativa, incidente<espalhada, linhas anti Stokes do espectro.

O ZnO é um semicondutor com estrutura cristalina wurtzita. Esta estrutura pertence ao

grupo espacial 𝐶6𝑣4 , com duas unidades formadas por células primitivas, em que todos os

átomos ocupam posições 𝐶3𝑣. Os fônons Raman ópticos centrais ativos previstos pela teoria de

grupo são A12E2+E1. Os fônons de simetria A1 e E1 são fônons polares e, portanto, apresentam

diferentes frequências para os fônons óptico-transversais(TO) e óptico-longitudinais(LO).

Modos de fônons apolares com simetria E2 têm duas frequências: E2-alta está associada com

átomos de oxigênio e E2-baixa que está associada com Zn na sub-estrutura (Alim et al, 2005).

O ZnO por ter propriedades ópticas anisotrópicas apresenta diferentes modos de

vibração de acordo com a orientação do feixe de incidência. A Figura 5.28 mostra as possíveis

configurações para o modo retroespalhamento.

Figura 5.28- Possíveis configurações para o modo Raman retroespalhamento. Fonte: Ellmer,2008.

O deslocamento Raman para os modos ópticos fundamentais do ZnO são: duas

vibrações E2 em 101 e 437 cm-1; um modo transversal A1 em 381 cm-1 e um E1 em 407 cm-1;

um modo longitudinal A1 em 574 cm-1 e um longitudinal E1 em 583 cm-1 (Damen, 1966 apud

Klingshirn, 2010). A medição do espectro ocorreu na configuração em que o feixe incidente é

normal à superfície superior do filme como mostrado na Figura 5.28. Nesta configuração, os

principais picos medidos no ZnO cristalino são os respectivos aos modos A1 (381 e 574cm-1) e

E2 (101 e 437 cm-1). Quando apresenta estes picos o material está com estrutura wurtzita com

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o eixo c perpendicular à superfície do filme. Este modo de crescimento indica um possível

crescimento em grãos colunares (Kligshirn et al., 2010).

Foi utilizado o equipamento Micro-ramanRenishaw, modelo InVia com geometria para

captar os fótons retroespalhados, mostrado na Figura 5.29.

Figura 5.29- Micro-raman Renishaw, modelo InVia.

5.3.6 Difração de raios X

As amostras recobertas foram identificadas e quantificadas por difração de raios-X (DRX)

na faixa de 20 a 70°. Esta faixa é a mais utilizada para medir difrações de ZnO (Silva, 2010).

Para isso empregou-se um difratômetro Shimadzu, a baixo ângulo, XRD-6000 com radiação de

Cu, Kα = 1,5405Aº. Esse ângulo de incidência do feixe de raios X com as superfícies das

amostras foi de 0,5°.

A partir dos difratogramas de raios X foi calculado também o tamanho de grão (d’)

empregando-se a fórmula de Scherrer, equação 5.17 (Cullity, 1967).

cos

89,0´d (5.17)

em que:

d’ é o tamanho de grão da fase em análise (em nm),

λ é o comprimento de onda da radiação incidente, para o Cu, Kα = 0, 15405nm,

β2 = B2-b2 onde: B e b são as larguras à meia altura do pico mais intenso do filme e do padrão

respectivamente (em radianos).

é o ângulo de difração de Bragg.

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52

300 320 340 360 380

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Tra

nsm

itâ

ncia

(%

)

Comprimento de onda (nm)

A1

A2

A3

A4

A5

A6

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

20

40

60

80

100

Tra

nsm

itâ

ncia

(%

)

Comprimento de onda (nm)

A1

A2

A3

A4

A5

A6

6 Resultados

6.1 Transmitância

A Figura 6.30(a) mostra os espectros da região do Uv-Vis NiR das amostras depositadas

na primeira série de experimentos em que variou-se apenas a porcentagem de hidrogênio na

atmosfera de deposição. Nota-se que, somente na amostra A6, houve uma variação significativa

da transmitância em relação ao fluxo de hidrogênio, ficando esta com transmitância muito

aquém da necessária para TCO. Esta baixa transmitância já era esperada, pois a amostra ficou

toda escura devido a redução do ZnO pelo hidrogênio. Já na Figura 6.30(b) a transmitância da

faixa ultravioleta do espectro é ressaltada. Nesta região, uma baixa transmitância é desejada,

pois assim, o ZnO funciona como um filtro de ultravioleta que é nocivo a outras partes da célula

solar. A amostra com 5 e 10% de hidrogênio (amostra A2 e A3) apresentam, respectivamente,

as menores transmitâncias na região ultravioleta.

Figura6.30 - a) Espectro de Transmitância na região do Uv-Vis-NIR, b) Espectro de

Transmitância na região do Uv.

A transmitância das amostras na região do visível e infravermelho próximo não é

alterada significativamente com a inserção de hidrogênio em quantidade até 10%. Este

resultado vai de acordo com o apresentado por Liu et al., 2006, Tark et al, 2009. No entanto,

quando há um excesso de hidrogênio há alteração estrutural do material, alterando

significativamente as propriedades ópticas. Em atmosfera com hidrogênio, acima de 15% o

filme deixa de ser transparente devido a amorfização causada pelo hidrogênio em excesso que

A B

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53

reage com ZnO formando zinco metálico e ligações O-H. Em atmosfera de 25% produziu-se

um filme opaco.

Já a Figura 6.31 mostra o espectro de transmitância da segunda série de experimentos

em qual variou-se apenas a corrente do feixe de elétrons. Verifica-se que a corrente do feixe

diminui a transmitância, porém, o espectro da amostra B3, mesmo não tendo uma transmitância

muito alta, apresenta a melhor curva de transmitância para aplicação como TCO nas amostras

produzidas na segunda série de experimentos por possuir baixa transmitância na região

ultravioleta como apresentada na Figura 6.31 b. (Park et al., 2009).

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

20

40

60

80

100

Tra

ns

mit

ân

cia

(%

)

Comprimento de Onda (nm)

B1

B2

B3

B4

300 310 320 330 340 350 360 370 380

0

20

40

60

80

100

Tra

ns

mit

ân

cia

(%

)

Comprimento de Onda (nm)

B1

B2

B3

B4

Figura 6.31–a) Espectro de Transmitância na região do Uv-Vis-NIR, b) Espectro de

Transmitância na região do Uv. Ambos da segunda série de experimentos.

Pequenas diferenças na corrente do feixe causam uma grande diferença nas propriedades

dos filmes, principalmente na estrutura de acordo com o mostrado por Ali et al 2006. Alterando-

se significativamente a estrutura, altera-se consequentemente as demais propriedades do filme.

6.2 Energia de banda proibida

6.2.1 Primeira série de experimentos - Amostras com variação de hidrogênio

A energia de espaçamento entre bandas (band gap) foi calculada através do espectro de

transmitância e da espessura dos filmes. A Figura 6.32 mostra as estrapolações da região linear

da curva 2 h versus energia. A concentração de hidrogênio na atmosfera de deposição não

alterou significativamente os valores do espaçamento entre bandas. Não foi possível realizar o

cálculo da amostra A6 (25%H2) devido a não formação da região linear no gráfico.

A B

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54

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,0

2,0x109

4,0x109

6,0x109

8,0x109

1,0x1010

1,2x1010

1,4x1010

1,6x1010

1,8x1010

2,0x1010

A1

(hv

)^2

Energia (ev)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,0

2,0x1010

4,0x1010

6,0x1010

8,0x1010

1,0x1011

1,2x1011

A2

(hv

)^2

Energia (ev)

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,0

2,0x1010

4,0x1010

6,0x1010

8,0x1010

1,0x1011

1,2x1011

1,4x1011

A3

(hv

)^2

Energia (ev)

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,0

2,0x109

4,0x109

6,0x109

8,0x109

1,0x1010

A4

(hv

)^2

Energia (ev)

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,0

2,0x109

4,0x109

6,0x109

8,0x109

1,0x1010

A5

(hv

)^2

Energia (ev)

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

0,0

2,0x1010

4,0x1010

6,0x1010

8,0x1010

1,0x1011

1,2x1011

1,4x1011

A6

(hv

)^2

Energia(ev)

Figura 6.32–Extrapolação da região linear da curva 2 h versus energia utilizada para

cálculo da banda proibida das amostras da primeira série de experimentos.

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55

A Tabela VI.7 mostra os valores de energia de banda proibida e espessura das amostras.

Os valores de energia de banda proibida são considerados apropriados para aplicação em

células solares. O controle de espessura no processo de evaporação por feixe de elétrons

mostrou-se impreciso com uso de pastilhas como alvo, pois devido à posição que o feixe de

elétrons atinge as pastilhas, pode ocorrer variação da espessura do filme. Mudanças de cor

do plasma foram percebidas perto do cadinho, fato este, que indica mudança na evaporação

do ZnO durante a deposição, podendo causar variação da taxa de deposição das amostras.

Tabela VI.7 – Valores de energia de banda proibida e espessura das amostras de ZnO:Al

hidrogenado produzidas na primeira série de experimentos. Amostra Espessura (nm) Banda proibida

(eV)

A1 165 3,28

A2 265 3.32

A3 164 3.26

A4 274,5 3,33

A5 174 3,24

A6 114 -

6.2.2 Segunda série de experimentos - Amostras depositadas com variação de corrente do

feixe.

A Figura 6.33 mostra as energias de banda proibida calculadas das amostras depositadas na

segunda série de experimentos e a Tabela VI.8 os valores de banda proibida de energia (band

gap) e da espessura das amostras.

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56

1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25

0,0

5,0x108

1,0x109

1,5x109

2,0x109

2,5x109

3,0x109

A7

(E

)2

Energia (ev)

1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50

0,0

2,0x109

4,0x109

6,0x109

8,0x109

1,0x1010

(E

)2

Energia (ev)

B1

1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50

0,0

2,0x109

4,0x109

6,0x109

8,0x109

1,0x1010

1,2x1010

1,4x1010

1,6x1010

1,8x1010

2,0x1010

(E

)2

Energia (ev)

A9

1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,50 2,75 3,00 3,25 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50

0,0

2,0x109

4,0x109

6,0x109

8,0x109

1,0x1010

1,2x1010

1,4x1010

1,6x1010

1,8x1010

2,0x1010

B4

(E

)2

Energia (ev)

Figura 6.33–Extrapolação da região linear da curva 2 h versus energia.

Tabela VI.8- Valores de energia de banda proibida e espessura das amostras de ZnO:Al

hidrogenado produzidas na segunda série de experimentos

Amostra Espessura (nm) Banda proibida

(eV)

B1 169 3,5

B2 153 3

B3 96 3,1

B4 3.2

Não foi possível ser medida a espessura da amostra B4 em virtude da incompatibilidade

do espectro obtido no elipsômetro com o espectro característico do ZnO. Mais uma vez, pode-

se observar que a diferença na espessura dos filmes não está de acordo com a mudança de

parâmetros. Isto porque aumentando a corrente do feixe devia-se aumentar também a taxa de

deposição e consequentemente a espessura, já que todos os filmes foram crescidos com o

mesmo tempo de deposição.

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57

6.3 Resistividade

6.3.1 Primeira série de experimentos - Amostras com variação de hidrogênio

A Tabela VI.9 mostra os valores de resistividade das amostras.

Tabela VI.9– Resistividade das amostras obtidas pela técnica 4 pontas. Amostra Resistividade(Ω.cm)

A1 7,98x10-2 ±1,8x10-2

A2 4,56 x10-3±2,3 x10-3

A3 4,54 x10-3 ±1,74 x10-3

A4 2,28 x10-2± 7,8 x10-3

A5 1,89 x10-1 ±4,6 x10-2

A6 1,289 x10-1 ± 2,8

Os valores da resistividade das amostras A2 e A3 são os menores. Este fato, juntamente

com os apresentados nas outras análises, leva a concluir que a atmosfera de deposição com

atmosfera entre 5 e 10% proporciona a produção dos melhores filmes. Este resultado foi de

encontro aos obtidos por Tark et al., 2009, no qual mostra que a atmosfera de deposição de 5%

a 10% de hidrogênio tende ser a mais eficaz para hidrogenação de filmes de ZnO:Al. Esta

diminuição da resistividade em baixos fluxos de hidrogênio é devido ao fato de que o

hidrogênio age como doador de portadores de carga, aumentado a condutividade tipo n no ZnO.

As ligações BC e O-H, possivelmente, presentes nos contornos de grão, também agem como

doadores rasos contribuindo também na diminuição da resistividade.

O aumento da resistividade em atmosferas de deposição, a partir de 15% de hidrogênio,

é devido ao excesso de hidrogênio. Este excesso promove a redução do ZnO formando ligações

OH2 e zinco metálico. Por difusão, o zinco tende-se a aglomerar-se nos contornos de grão do

ZnO formando centro de espalhamentos, diminuindo assim a mobilidades dos portadores e

consequentemente a resistividade. Em casos em que o excesso é demasiado, como na amostra

A5, ocorre a formação de muito zinco metálico que passa a aumentar a resistividade a um valor

maior que o filme sem hidrogênio. A amostra A6 apresentou altíssima resistividade, o que

novamente, junto com a transmitância, leva a concluir que atmosferas com 25% de hidrogênio

produzem filmes com propriedades deterioradas. A Figura 6.34 mostra de forma mais clara a

variação da resistividade dos filmes com o percentual de hidrogênio na atmosfera de deposição.

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58

0 5 10 15 20

1,0x10-3

5,1x10-2

1,0x10-1

1,5x10-1

2,0x10-1

2,5x10-1

Res

istiv

idad

e (

.cm

)

Hidrogênio (%)

Figura 6.34– Variação da resistividade em relação a porcentagem de hidrogênio na câmara de

deposição.

6.3.2 Segunda série de experimentos - Amostras com variação da corrente do feixe

Na segunda série de experimentos, a amostra B3 apresentou resistividade 2,5x10-2Ω.cm.

As demais amostras são altamente resistivas, acima do limite de medição da sonda. Este fato

mostra que correntes do feixe abaixo de 0,5A e maiores que 0,6A não formam bons TCOs

confirmando os resultados obtidos por espectrofotometria Uv-Vis.

6.4 Raman

O espectro Raman de todas as amostras, mostrado na Figura 6.35, apresentou um pico

em torno de 574 e outro em 1100cm-1. Estes picos correspondem aos fônons A1 (Lo) e A2 (Lo),

respectivamente. São observados neste filme bandas no espectro raman que não pertencem ao

espectro de uma estrutura cristalina. São elas, as bandas na região de 275cm-1, de 300 a

600cm-1 e em 800cm-1.

A1

A2 A3 A4

A5

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59

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600 A1

Co

nta

ge

m

Deslocamento Raman (cm-1)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

A2

Co

nta

ge

m

Deslocamento Raman (cm-1)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

A3

Co

nta

ge

m

Deslocamento Raman (cm-1 )

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

A4

Co

nta

ge

m

Deslocamento Raman (cm-1 )

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1100

1100

574

437437

A5

Co

nta

ge

m

Deslocamento Raman (cm-1)

574

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

A6

Co

nta

ge

m

Deslocamento Raman (cm-1)

Figura 6.35– Espectros Raman das amostras depositadas na primeira série de experimentos.

As linhas em vermelho indicam os principais picos em cm-1.

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60

A medição do espectro ocorreu na configuração em que o feixe incidente e normal à

superfície superior do filme como mostrado na Figura 5.28. Nesta configuração, os principais

picos medidos no ZnO cristalino são os respectivos aos modos A1 (381 e 574cm-1) e E2 (101 e

437 cm-1). Quando apresenta somente estes picos, o material está com estrutura wurtzita com o

eixo c perpendicular à superfície do filme. Este modo de crescimento indica um possível

crescimento em grãos colunares (Kligshirn et al., 2010). Já a pequena banda aproximadamente

entre a região entre 712 e 820cm-1 é formada por modos de segunda ordem do ZnO, devidos a

soma de modos ópticos e transversais (Cusco et al., 2007).

O problema é que toda esta explicação acima vale apenas para filmes policristalinos. Os

picos em 574 e 1100cm-1 aparecem tanto em ZnO cristalino quanto amorfo (Park et al., 2009).

Outros picos característicos, como os de 101cm-1 e 437cm-1, que confirmariam a estrutura

cristalina, não aparecem claramente, mas, é possível segundo Tark et al, 2009 que isso ocorra

devido à sobreposição do pico em 145cm-1 e da banda entre 300 e 600 cm-1 ao pico de 101 e

437cm-1 respectivamente, tornando o Raman impreciso quanto a cristalinidade ou não dos

filmes. O pico em 145cm-1 aparece para ZnO com estrutura muito defeituosa (Liu et al., 2011).

A origem a banda de 300 a 600 cm-1 e a alta intensidade dos picos em 574 e 1100cm-1 é devido

a presença de uma região de depleção nos contornos de grão. Esta região de depleção pode ser

forma pela presença de armadilhas de carga causadas por interfaces de defeitos ou elementos

adsorvidos nos contornos de grão. Este processo de degradação do contorno de grão pode

ocorrer durante o processo de deposição. Porém, no caso deste trabalho percebe-se que esta

região de depleção está sendo aumentada devido à introdução de hidrogênio na atmosfera de

deposição. O hidrogênio age no ZnO causando um aumento de portadores de carga que é um

dos fatores que causam o efeito descrito além do que hidrogênio pode causar o a redução do

ZnO fazendo com que átomos de zinco fiquem livres na estrutura. Estes átomos tendem a

difundir pra os contornos de grão causando centros de espalhamento que também contribuem

para o aparecimento da banda entre 300 e 600cm-1 e o aumento da intensidade dos picos em

574 e 1100cm-1(Park, et al 2009). Tanto que na amostra depositada sem hidrogênio a largura

da banda é menor e menos intensa que nas demais amostras. O mesmo efeito ocorre com a

intensidade dos picos em 574 e 1100cm-1.

6.5 Difração de raios X

A Figura 6.36 mostra os difratogramas de raios X das amostras depositadas em diferentes

atmosferas. A cristalinidade dos filmes aumenta em atmosferas de 5 e 10%. Este resultado vai

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61

A1

A2

A3

A4

A3

A5

A3

A6

A3

de encontro com os obtidos por Tark et al. (2009). A partir de 5% a intensidade do pico decai

até que a 25% apresente estrutura amorfa. As atmosferas entre 5 e 10% também mostra o

aparecimento de uma segunda orientação da estrutura wurtzita, (004), menos comum em filmes

finos. A amorfização dos filmes em atmosferas com alta porcentagem de hidrogênio pode ser

devido à redução do ZnO pelo excesso de hidrogênio. A quebra das ligações, Oxigênio-ZnO

faz com que se forme zinco metálico e ligações O-H, dificultando assim a formação do cristal.

20 30 40 50 60 70

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

Inte

nsid

ad

e/C

PS

2

Figura 6.36 – Difração de raios X das amostras de ZnO:Al hidrogenado produzido na

primeira série de experimentos

A difração de raios X juntamente com os a espectroscopia Raman leva a aferição de que

os grãos apresentam orientação preferencial ao longo do eixo-c na direção (002). Esta

orientação pode ser entendida pelo modelo da “sobrevivência do mais rápido” proposto por

Drift (YU et al., 2005). Segundo este modelo, núcleos com várias orientações poderão formar-

se em um estágio inicial de deposição, e cada núcleo compete entre si para crescer, mas somente

núcleos que possuam a maior taxa de crescimento podem sobreviver, isto é, somente núcleos

com eixo-c paralelo à normal da superfície do substrato crescerão. O ZnO com estrutura

wurtzita exibe simetria cúbica e, por isso, tem propriedades ópticas anisotrópicas. A orientação

com eixo c paralelo ao substrato é que permite maior transmitância (Klingshirn et al, 2010). A

Figura 6.37 mostra o tamanho de grão das amostras e FWHM (Largura máxima de meia banda)

das amostras.

(002) (004)

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62

A1 A2

A3 A4 A5

A1

A3 A4

A5

0% 5% 10% 15% 20%

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

FWHM

Tamanhodegrمo

% de hidrogênio

FW

HM

10,0

10,2

10,4

10,6

10,8

11,0

11,2

Ta

ma

nh

o d

e g

rão

(nm

)

Figura 6.37- Largura de meia altura -Fwhm (preto) e tamanho de grão (azul) versus

porcentagem de hidrogênio baseado no pico da orientação (002).

Nota-se que por evaporação por feixe de elétrons assistido por plasma a hidrogenação

não altera significativamente o tamanho de grão das amostras. Efeito contrário ocorre com

filmes produzidos por pulverização catódica (magnetron sputtering), em que ocorre um

aumento do tamanho de grão com o aumento do fluxo de hidrogênio na atmosfera de deposição

(Tark et al., 2009). Porém, os filmes produzidos apresentam grãos muito pequenos, que

contribuem para um aumento de resistividade dos filmes.

6.6 Efeito do hidrogênio e da corrente do feixe de elétrons nas propriedades dos filmes.

O hidrogênio mostrou-se eficaz na redução da resistividade sem alterar

significativamente as propriedades ópticas das amostras. Filme com transparência de 90% e

resistividade 4,54X10-3 Ω.cm foi obtido em atmosfera de deposição com 5% de hidrogênio.

O hidrogênio mostrou-se eficiente para reduzir a resistividade dos filmes em cerca de uma

ordem de grandeza sem alterar significativamente a transmitância. Isto se deve principalmente

a interação do hidrogênio com o ZnO, que libera portadores de carga na estrutura do material.

Este aumento de portadores causa apenas alteração na região de cauda do espectro de

transmitância. Resistividades menores não foram obtidas devido à grande quantidade de

defeitos presentes nos filmes produzidos na primeira fase de experimentos mostrado pelos

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63

espectros Raman e pelo pequeno tamanho de grão apresentado pelas amostras. O hidrogênio se

inserido em excesso ou de forma descontrolada contribui para o aumento de defeitos,

principalmente nos contornos de grão. A fim de corrigir este problema será necessário um

estudo mais aprofundado da atmosfera de deposição para melhor controle do ambiente de

deposição. Isto torna-se necessário, pois foi observado que o reator BAI consegue trabalhar

apenas em uma pequena faixa de parâmetros e uma pequena variação destes causam um grande

efeito nas propriedades dos filmes. Além /deste fato, entender melhor como o hidrogênio

comporta-se na atmosfera de deposição pode ajudar a melhorar as propriedades dos filmes.

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7 Conclusões

Conclui-se que:

A deposição de ZnO pela técnica de evaporação por feixe de elétrons assistido por

plasma em baixas temperaturas mostrou-se viável para obtenção de filmes transparentes

e de baixa resistividade.

O hidrogênio mostrou-se eficaz na redução da resistividade sem alterar

significativamente as propriedades ópticas das amostras. Filme com transparência de

90% e resistividade 4,54X10-3 Ω.cm foi obtido em atmosfera de deposição com 5% de

hidrogênio.

Atmosferas entre 5 e 10% de hidrogênio mostraram-se as mais viáveis para deposição,

pois foi a faixa em que ocorreu maior redução da resistividade dos filmes. Os filmes

devem ser depositados em atmosfera com menos de 20% de hidrogênio, pois acima

desta condição ocorre a deterioração das propriedades do material devido a redução do

ZnO pelo hidrogênio.

A produção de filmes de ZnO por evaporação por feixe de elétrons a faixa de correntes

do feixe em que se consegue um TCO condutor é muito estreita, pois correntes do feixe

baixas formam filmes isolantes e correntes altas formam filmes opacos. Então, de

acordo com os resultados, a corrente de 0,5 a 0,6A mostrou-se adequada para produção

destes filmes.

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8 Sugestões para trabalhos futuro

Refinamento das condições de deposição a fim de diminuir estes defeitos nos filmes e

aumentar o tamanho de grão das amostras. Estes dois fatores devem levar a produção

de filmes menos resistivos.

Depositar filmes com porcentagens de hidrogênio entre 1 e 10%, pois a melhor condição

de hidrogenação pode estar entre estes dois valores.

Estudo do plasma para identificar as espécies químicas presentes no plasma a fim de

controlar a atmosfera de deposição, controlar a taxa deposição e buscar melhores

condições para obter reprodutibilidade e qualidade dos filmes.

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