P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Anorganische Chemie.

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Jan-niklas
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P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Jan-niklas »

Bei der Verbrennung mit Sauerstoff von Zink entsteht Zinkoxid.
Dieses bildet durchsichtige Kristalle.

N dotieren kann man es mit Aluminium.
Das Zinkoxid bleibt durchsichtig.

1. Welchen Stoff kann man Zink vor der Verbrennung beimischen um p dotiertes Zinkoxid zu erhalten, - welches durchsichtig bleibt?

2. Alternativ wäre Zinkoxid nach der Oxidation zur p Dotierung einen Stoff beizumengen.
Das Zinkoxid muss durchsichtig bleiben.

Das Zinkoxid soll aufgedampft werden, als n und p dotierter Halbleiter.

Glaskocher
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Glaskocher »

Zuerst mal Herzlich Willkommen bei Illumina-Chemie!

Deine Frage geht ziemlich tief in die anorganische Chemie.
Welche Elemente kämen denn grundsätzlich zur P-Dotierung in Frage, wenn man die Farbe mal außer Acht läßt?
Hast Du zu diesem Thema (Dotierung von ZnO) schon eigene Versuche gemacht oder ist die Frage aus eher theoretischem Interesse?
Hast Du Zugang zu Fachmagazinen?
Wikipedia hat geschrieben: P-dotiertes Zinkoxid ist schwieriger herzustellen und ein Bereich der aktuellen Forschung.
Auch dieses "Aufdampfen" ist nicht "ohne", da man das Zinkoxid bei recht hoher Temperatur verdampfen muß. Es gibt auch Wege, das Zinkoxid bei deutlich schonenderen Bedingungen durch die Gasphase zu transportieren. Auf dem Weg sind möglicherweise einige Elemente zum "Einbau" in den Kristall zu "überreden".


Da wir nicht wissen, auf welchem Bildungsstand wir Dich "abholen" müssen, bitte ich darum, Dich kurz vorzustellen. Das erleichtert enorm die Diskussion, wenn man gewisse Dinge voraussetzen kann und sie nicht vorbeugend erklären muß.


PS: Da dieser Thread kein eigenes Experiment beschreibt ist er besser in der Anorganischen Chemie aufgehoben.

Jan-niklas
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Jan-niklas »

Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut sind mir bekannt die geeignet sind für eine p Dotierung.

Ich bin Chemie Neuling und weiß nicht, welcher Stoff für ein durchsichtiges Zinkoxid aufgedampft auf eine Glasscheibe geeignet ist.

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mgritsch
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von mgritsch »

Hi Jan-Niklas,

Wikipedia sagt zu dem Thema:
"P-dotiertes Zinkoxid ist schwieriger herzustellen und ein Bereich der aktuellen Forschung."
Man kann natürlich so eine Frage in einem Hobbychemie-Forum stellen, aber die Wahrscheinlichkeit dass hier jemand sagt "hey klar, du musst ja nur..." ist endenwollend.
Jan-niklas hat geschrieben:
Freitag 17. Juli 2020, 08:05
Stickstoff, Phosphor, Arsen, Antimon, Bismut sind mir bekannt die geeignet sind für eine p Dotierung.
Das sind Ansätze aus der Silizium-Halbleitertechnik um N-Dotierung herzustellen...?
Ich bin Chemie Neuling und weiß nicht, welcher Stoff für ein durchsichtiges Zinkoxid aufgedampft auf eine Glasscheibe geeignet ist.
Also anscheinend ist das dann eine (theoretische) Hausaufgaben-Frage?
Wie Glaskocher schon schrieb, stell dich doch mal vor oder gib sonst irgend einen Bezugsrahmen damit man die möglichen Antworten richtig einschätzen kann...

Jan-niklas
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Jan-niklas »

Ich bin 28 Jahre alt, angehender Industriedesign Student, möchte mit innovativen Produkten im Bereich wanderausrüstung, wanderbekleidung , und wehrwerkzeugen meine eigene Firma gründen im Studium und entwickle gerade eine Solarzelle als durchsichtige Fensterscheibe.

Das einzige Bauteil was mir zu meiner geistigen Schöpfung noch fehlt, ist p dotiertes durchsichtiges Zinkoxid.

Da las ich ebenfalls, dass p dotiertes Zinkoxid Gegenstand aktueller Forschung ist.

Wenn hier niemand weiß wie man durchsichtiges p dotiertes Zinkoxid herstellt, bin ich am Ende meiner Recherche angekommen.
Ich bin kein Chemiker. Mehr der Konstruktör und Entwickler.

Ich halte aber an meiner Entwicklung Solarglass fest, als zu bauendes Projekt, auch wenn mir ein Bauteil fehlt.

Vielleicht erlebe ich es ja noch und p dotiertes durchsichtiges Zinkoxid wird marktfähig.

Jan-niklas
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Jan-niklas »

N dotiertes durchsichtiges Zinkoxid als dünnschicht ist möglich, durch Aluminium.

Welche Stoffe sind denn generell transparent in ihrer Struktur? Nach Verarbeitung zB
Dann käme ich schonmal weiter und weiß was ich mir näher angucken muss.

Vielleicht finde ich ja einen Weg wenn ich mich näher mit Chemie befasse. :idea2:

Xyrofl
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Xyrofl »

Also eine p-Dotierung bedeutet doch eigentlich, dass man Löcher in der Bandstruktur erzeugen möchte. Bei Silicium sind die dafür tauglichen Elemente ja literaturbekannt. Silicium hat vier Valenzelektronen und die Si-Atomrümpfe sind vierfach positiv geladen. Nehme ich jetzt Dotierungselemente aus der dritten Hauptgruppe (drei Außenelektronen, Atomrümpfe dreifach positiv geladen) dann habe ich im Valenzband ein Elektron zu wenig und das Festkörpergitter aus Atomrümpfen ist etwas weniger stark geladen. So sieht die Bandstruktur dann auch aus, Löcher im Valenzband und alle Potentiale etwas angehoben. Bei Silicium nehmen wir deswegen Aluminium, Bor, Gallium oder was auch immer drei Außenelektronen hat.
Zur n-Dotierung gehen wir im Periodensystem einen Schritt nach rechts und nehmen uns dafür z.B. Phosphor oder Stickstoff (keine Ahnung welche davon technisch sinnvoll sind) also irgendwelche, die ein Elektron mehr mitbringen und eine positive Ladung mehr im Kern aufweisen. Das gibt den gegenteiligen Effekt. Zusätzliche Elektronen, die nun im Leiterband oberhalb des Valenzbandes liegen und alle Potentiale leicht gesenkt.
Beim Zinkoxid haben wir aber ja Zn2+ und wenn wir dieses Zink durch Aluminium ersetzen, dann haben wir eine Ladung mehr und ein Elektron mehr. Das ist eine n-Dotierung. Für eine p-Dotierung würde ich dann einwertige Ionen erwarten. Das wäre also mit Natrium oder Kalium denkbar. Ich habe aber keine Ahnung, ob der Zinkoxid-Festkörper diese Elemente annimmt. Ich würde erwarten, dass sie sich mega schlecht einbauen lassen.
In diesen Papers gehen sie den umgekehrten Weg und ersetzen nicht das Zink sondern den Sauerstoff. Sauerstoff steht in der sechsten Hauptgruppe, also nehmen sie ein Dotierungselement aus der fünften Hauptgruppe - Stickstoff.
https://link.springer.com/article/10.10 ... 018-6468-2
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja208044k
Insgesammt habe ich nicht den Hauch einer Ahnung, ob dir das helfen kann, weil dein Projekt echt sehr abgefahren klingt, aber bei Chemie-Basic-Fragen können wir helfen, bei dem Rest musst du selbst schauen, ob das in deine Richtung geht oder nicht.

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mgritsch
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von mgritsch »

Jan-niklas hat geschrieben:
Freitag 17. Juli 2020, 10:18
Ich bin 28 Jahre alt, angehender Industriedesign Student, möchte mit innovativen Produkten im Bereich wanderausrüstung, wanderbekleidung , und wehrwerkzeugen meine eigene Firma gründen im Studium und entwickle gerade eine Solarzelle als durchsichtige Fensterscheibe.
alles klar, jetzt ergibt die Frage Sinn :)

Ich befürchte nur das Konzept könnte einen Grundlegenden Widerspruch in sich haben: Solarzelle - durchsichtig.
Damit eine Solarzelle elektrische Energie produzierten kann, muss sie Licht in selbige umwandeln. Das fehlt nachher. Dein Produkt wird daher entweder "by design" dunkel sein oder (wenn es nur wenig oder vor allem nicht sichtbare Anteile im UV nutzt) sehr ineffizient.

Wie kommst du zur Annahme dass ein pn-Übergang auf Basis ZnO überhaupt ein brauchbares Photoelement ergibt?

Abgesehen davon - das Produkt gibt es schon, man muss nicht auf exotiosches ZnO warten:
https://www.solarify.eu/2019/12/14/661- ... kraftwerk/
(mit 12% Wirkungsgrad behauptet, wenn das Licht schräg einfällt geht es schon auf 8% runter...)
Wenn hier niemand weiß wie man durchsichtiges p dotiertes Zinkoxid herstellt, bin ich am Ende meiner Recherche angekommen.
Ich bin kein Chemiker. Mehr der Konstruktör und Entwickler.

Ich halte aber an meiner Entwicklung Solarglass fest, als zu bauendes Projekt, auch wenn mir ein Bauteil fehlt.

Vielleicht erlebe ich es ja noch und p dotiertes durchsichtiges Zinkoxid wird marktfähig.
wenn du weiter daran festhalten möchtest dann wäre es am sinnvollsten wenn du die original-Literatur der Forschung dazu ausgräbst und die dort genannten Forscher /Arbeitsgruppen direkt kontaktierst. So etwas ist oft Grundlagenforschung die noch auf der Suche nach einer Anwendung ist - wenn du die Anwendungsmöglichkeit dazu lieferst freuen sie sich sicher und du bist der erste am Drücker wenn was rauskommt...

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mgritsch
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von mgritsch »

Jan-niklas hat geschrieben:
Freitag 17. Juli 2020, 10:20
Vielleicht finde ich ja einen Weg wenn ich mich näher mit Chemie befasse. :idea2:
Probieren kann man alles :D aber ich denke ein Studium in Physik mit ausgeprägter Vorliebe für theoretische Physik, Festkörperphysik etc. wäre da deutlich hilfreicher als Industriedesign. Solche Forschung ist auch kein übliches "im Labor herummischen" sondern eher high-tech Anlagen mit Reinraum, Hochvakuum, Hochspannung, Hochtemperatur. Das hat kaum noch was mit Chemie zu tun.

Auch die Anwendung so einer Schicht ist nicht ohne - einfach Aufdampfen alleine wird nicht reichen. Da sollte man sich auch einige Gedanken machen über Fragen der Brechungsindizes und der Reflexion sowie der daraus resultierenden Interferenzen, denn sonst bekommst du ganz schnell eine schillernde oder gar verspiegelte Schicht :) Auch die Oberfläche will irgendwie geschützt sein, ZnO ist nicht besonders beständig, da muss nochmal was drüber... evtl sogar Barrieren die verhindern dass etwas ein-/ausdiffundieren kann... dann die Frage der Kontaktierung der Schicht, wann und wie soll die eingebaut werden? Geht vermutlich erst am fertigen Formteil...

insgesamt schon alles eher rocket science.

Jan-niklas
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Jan-niklas »

Ich werde meine Erfindung mit dem Problem das es kein p dotiertes durchsichtiges Zinkoxid gibt hier in nächster Zeit mal mit Bauzeichnung veröffentlichen.

Dann können wir weiter debattieren.

Ps: ist das so richtig?
Elektronenmangel + (p)
Elektronenüberschuss - (n)

Glaskocher
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Glaskocher »

Transparenz ist der Kehrwert der erlaubten Abschattung. Man kann bei vielen Materialien Transparenz erzeugen, solange die Schicht dünn genug ist. Auch hauchdünne Schichten der meisten Metalle sind transparent. Außerdem haben die Dotierungen von Galbleitern oft eine so geringe Konzentration, daß sich ihre Farbigkeit erst bei deutlich größerer Schichtdicke bemerkbar macht.

Hast Du Zugriff auf den Scifinder? Das ist eine Spezialsuchmaschine auf dem Gebiet der Chemie. Dort findet man Literaturverweise zu sehr vielen chemischen Themen und nahezu allen irgendwann in moderner Zeit publizierten Substanzen. Da der Scifinder ein Bezahldienst ist wird er nicht in jedem Institut verfügbar sein. Erkundige Dich mal... Man findet aber auch mit einer Universalsuchmaschine schon einige Treffer zu Fachartikeln über p-Zinkoxid.

Sobald man in den Nanobereich oder auf atomare Maßstäbe kommt entsteht durch Diffusion zwischen zwei Schichten immer eine Grenzschicht mit gemischten Eigenschaften. Die kann sich positiv oder negativ auf die beabsichtigte Wirkung der Kombination auswirken. Ich weiß nicht, ob man bei Solarzellen darauf angewiesen ist, beide Halbleiter immer aus der selben Basisverbindung herzustellen. Wenn das nicht der Fall ist, dann stehen deutlich mehr Kombinationen zur Verfügung.

Xyrofl
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Xyrofl »

Ps: ist das so richtig?
Elektronenmangel + (p)
Elektronenüberschuss - (n)
Ja, das ist im Prinzip richtig. Die p-Dotierung heißt so, weil die Leitfähigkeit durch Elektronenlöcher, also durch Mangel von Elektronen im Valenzband entsteht, während die n-Dotierung eine Leitfähigkeit durch zusätzliche Elektronen herstellt, die dann ins Leitungsband müssen (weil das Valenzband im idealen Kristall ja genau voll ist).
Nun kommt aber dazu, dass die echten Kristalle, oder generell reale Festkörper nicht ideal sind. Es gibt auch Defekte, die ohne Dotierung möglich sind, gerade Zinkoxid macht da gerne Spektakel und hat fehlende Sauerstoffatome oder sowas. Und Leitungsbänder sind kompliziert, es ist nicht einfach nur wichtig, wie große die Bandlücke ist und wie viele Elektronen wo hinein kommen und wo fehlen, Festkörper haben immer eine sehr spezifische Bandstruktur. Das sind dann natürlich nicht mehr Basics, aber wenn du diesen Teil deines Produktes optimieren willst, dann musst du da wohl richtig ans Eingemachte. Das Produkt nimmt ja keine Rücksicht darauf, wie wir die Theorien gerne vereinfachen wollen.

Jan-niklas
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Jan-niklas »

Glaskocher hat geschrieben:
Samstag 18. Juli 2020, 10:30
Man kann bei vielen Materialien Transparenz erzeugen, solange die Schicht dünn genug ist. Auch hauchdünne Schichten der meisten Metalle sind transparent. Außerdem haben die Dotierungen von Galbleitern oft eine so geringe Konzentration, daß sich ihre Farbigkeit erst bei deutlich größerer Schichtdicke bemerkbar macht.
Kennst du Metalle welche im nanobereich aufgedampft als p Dotierung taugen?
Dann wäre ich ja schon fertig mit bauen :yeah:
Als n Dotierung eignet sich alumininium.

Auf den scifinder habe ich leider keinen Zugriff.

Xyrofl: sehr interessant. Das es mit der Leitfähigkeit (so verstehe ich das jetzt) auch Probleme grundsätzlich gibt wusste ich nicht. Das würde Einbußen in der Produktivität bedeuten nehme ich an, - oder funktioniert das Produkt dann garnicht mehr?

Xyrofl
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Xyrofl »

Das es mit der Leitfähigkeit (so verstehe ich das jetzt) auch Probleme grundsätzlich gibt wusste ich nicht. Das würde Einbußen in der Produktivität bedeuten nehme ich an, - oder funktioniert das Produkt dann garnicht mehr?
Die Leitfähigkeit ist der Dreh- und Angelpunkt bei dieser Technologie, nicht wahr? :P Die Dinger heißen Halbleiter weil sie weder Fisch noch Fleisch sind. Eigentlich würden sie in Reinform ohne äußere Anregung gar nicht leiten, denn alle Elektronen im Valenzband sind an ihren Orten festgetackert, die bleiben wo sie sind. So ist das bei Isolatoren ja auch.
Halbleiter heißen so, weil sie eine physikalisch relevante Bandlücke haben (haben Isolatoren in der Regel auch, aber die liegt so absurd hoch, dass es selten eine Rolle spielt -> Beispiel Diamant, hat eine gewaltige Bandlücke, ist technisch gesehen ein nahezu perfekter Isolator). Die relativ kleine Bandlücke eines echten Halbleiters bewirkt, dass durch eine Anregung Elektronen aus dem Valenzband in das Leitungsband gehoben werden können und dann im Leitungsband frei beweglich sind (Elektronenleitung wie in einem Metall) und im Valenzband Löcher bleiben (Lochleitung mit positiven Ladungsträgern, d.h. umgekehrter physikalischer Stromrichtung). Dieser Trick, dass man mit Halbleitern mal positive, mal negative Ladungsträger realisieren kann, ist essenziell für die meisten Halbleiteranwendungen. Weil es diesen feinen Unterschied gibt, sind sie wesentlich mehr als nur schlechte Leiter - aber sie sind eben auch schlechte Leiter, teilweise ganz beschissene Leiter und wenn man keinen super Trick kennt, dann hilft auch eine leichte Dotierung wenig...
Wenn man damit arbeiten will, muss man ihre Eigenschaften maßschneidern können. Bei Zinkoxid hast du das Problem, dass es keine besonders ideale Substanz ist, verglichen mit Silicium ist alles daran bösartig. Es sind zwei Elemente beteiligt, es neigt dazu, Defekte auszubilden und die Bandlücke ist schon krass hoch. Das ist kein Halbmetall wie Silicium, das ist eine Art Gestein und so mies leitet es auch wenn man es nicht deutlich modifiziert. Dazu kommt, dass es die n-Leitung offensichtlich bevorzugt. p-Leitung zu realisieren ist sehr schwer.

Ich denke, du wirst sehr viel neues lernen wenn du dich ein wenig in die Chemie der Halbleiter einliest und dann nachdem du einen Haufen Lehrvideos, Artikel und Lehrbuchkapitel dazu gelesen hast, ein paar Verständnisfragen dazu stellst. Manches daran ist sackenschwer und anderes ist an sich ganz easy zu verstehen wenn man erstmal einen Griff dran bekommen hat. Zu verlieren gibt es wohl wenig, denn solche Halbleiter sind ein absolut heißes Forschungsthema. :D

Glaskocher
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Re: P dotiertes Zinkoxid, durchsichtig.

Beitrag von Glaskocher »

Ob aufgedampfte Metalle als p-Dotierung taugen wollte ich nicht sagen. Man kann Gold so dünn auftragen, daß der Film eine gewisse Transparenz hat, war gemeint.

Insgesamt sehe ich im Thema "Transparente Dünschicht-Solarzelle aus Zinkoxid-Halbleitern auf Glas" mindestens das Potential für eine Dissertation, eher für mehrere. Man braucht ein funktionierendes Halbleiterpaar, passende Hilfs- und Kontaktschichten plus die zugehörige Peripherie. Außerdem ist es vom Einkristall zur Dünnschicht, wie oben gesagt, noch ein weiter Weg, auf dem man den Wirkungsgrad optimieren muß. Dazu kommt noch, daß jede mögliche Methode zum Auftragen der Schichten andere Vor- und Nachteile hat, was die Schichteigenschaften angeht.

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