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Die vorliegende Arbeit behandelt die nass-chemische Herstellung transparenter leitfähiger Schichten der Systeme ZnO-SnO2, ZnO-In2O3, ZnO-Ga2O3 und Ga2O3-Sb2O5 auf Glas. Die Abscheidung der Schichten erfolgte mittels Rotationsbeschichtung aus alkoholischen Lösungen geeigneter Precursorverbindungen und Additive und anschließender Aushärtung bei erhöhten Temperaturen. Die Untersuchung der Beschichtungslösungen und der daraus hergestellten Schichten umfasste den Schwerpunkt der Arbeit. Anhand von Vorversuchen mittels eines Pipettierroboters konnten geeignete Lösungszusammensetzungen für die jeweiligen Materialsysteme ermittelt werden, wobei sich im Laufe der Untersuchungen zeigte, dass neben der Formulierung der Lösungen insbesondere die Art der Temperaturbehandlung entscheidenden Einfluss auf die kristalline Erscheinung des Schichtmaterials ausübt. Kristalline, XRD phasenreine Schichten von Zn2SnO4, Zn3In2O6 und Zn5In2O8 und auch röntgenamorphe Schichten der Zusammensetzungen ZnSnO3 und Zn2SnO4/In2O3 zeigten vielversprechende Eigenschaften, wobei für In haltige Materialien spezifische Widerstände erzielt wurden, welche mit denen 'klassischer'; transparenter leitfähiger Oxide vergleichbar sind. Gerade Schichten im System ZnO-In2O3, im Speziellen Zn3In2O6, wiesen neben hoher Temperaturstabilität hohe Austrittsarbeiten (5,3 eV) auf. Die Untersuchung der Vorgänge während der Kristallisation deutete auf Segregationsprozesse an den Korngrenzen hin, demgemäß wird der Transport der Ladungsträger innerhalb der kristallinen Schichtmaterialien hauptsächlich von Korngrenzenstreuung behindert. In solchen Fällen ist die Herstellung amorpher Schichten zu bevorzugen.

Thick and thin films of Nb2O5 have been prepared by the sol-gel process using cheap niobium pentachloride as precursor and a new synthesis route. The microstructure of the films was tailored by adding poly(ethylene glycol) (PEG) and carbon soot into the sol and varying the sintering temperature. The thesis describes the properties of the sols and their influence on the properties of the resulting nanocrystalline Nb2O5 films as electrodes in dye sensitised solar cells, electrochromic devices and rechargeable lithium batteries. A solar light-to-electric conversion efficiency of Ru(II) sensitised Nb2O5 solar cell as high as 7% under 120W/m² illumination was obtained. An equivalent electric circuit of the dye sensitised electrode/electrolyte interface based on the electrochemical impedance spectroscopy was modelled and found to fit all the results. The values obtained for the electric elements from the simulation of the results were found to relate material parameters to the cell performance and their influence on the cell performance are illustrated. The electrochromism and Li+-charge and discharge of the Nb2O5 films exhibited also good performance.

Electrochromic films of NiO-TiO2 with Ni concentration of 100, 90, 87, 83, 75, 66, 50 and 33 mol % have been obtained via the sol-gel route by dip coating technique using ethanolic sols of nickel acetate tetrahydrate (Ni(CH3COO)2•4H2O) and titanium n—propoxide Ti(C3H7O)4 precursors and sintered in air between 250 and 500 °C. Xerogels obtained by drying the sols have been studied up to 900 °C by thermal analysis (DTA/TG) coupled to mass and IR spectroscopy. The crystalline structure and morphology of the layers in the as deposited, bleached and colored states was determined by X-ray diffractometry, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Their electrochromic properties have been studied in 1 M KOH aqueous electrolyte as a function of the layer composition, thickness and sintering temperature. Deep brown color with reversible transmittance changes have been obtained using cycling voltammetry and chronoamperometry processes. The best composition to get stable sols, a high reversible transmittance change and fast switching times (10 s) was obtained with double NiO-TiO2 layers 160 nm thick having 75 % Ni molar concentration, and sintered between 300 and 350 °C. The electrochromism of the layer was also studied in LiClO4-PC electrolyte. The mechanism of coloration and morphology transformation of the layer during cycling in 1 M KOH electrolyte are discussed in terms of an activation and degradation period. The nature of the ions involved in the coloration process has been studied using an Electrochemical Quartz Crystal Microbalance (EQCM). It was found that the activation period was associated with an increase of the mass of the layer after each cycle due to a gradual incorporation of OH- groups and the transformation of Ni(OH)2 into hydrated NiOOH giving the brown coloration as well as the formation of lattice water (OH- + H+→ H2O). The gradual change of the layer composition led to a much more open and fragile morphology that eventually allowed the incorporation of K+ ions and more water molecules associated with unusual large increase of the mass of the layer after each cycle and responsible for the degradation period. Finally, devices have been mounted and tested using either NiO-TiO2 layers or NiO-TiO2 layers covered with a thin anticorrosion dielectric layers as a working electrode together with CeO2-TiO2 layer or with a WO3 or a Nb2O5 cathodic layer acting as an active counter electrode. Also a new type of electrolyte based on KOH mixed with starch has been also developed and tested with complete windows.

Transparente elektrisch leitfähige Sb-dotierte SnO2-Einzel- und Mehrfachschichten wurden über das Sol-Gel-Tauchverfahren hergestellt. Die Schichten wurden auf Borosilikat- und Kieselglassubstraten bei Temperaturen bis zu 1100°C aufgebracht. Als Precursoren wurden SnCl2(OAc)2 (Dichlorzinndiacetat), SnCl2 und (SnOBut)4 verwendet. Es wurden die Einflussfaktoren auf die morphologischen und elektrischen Eigenschaften der Schichten untersucht. Die strukturelle Analyse der Einzelschichten ergab einen porösen Aufbau der Schichten aus Kristalliten, deren Größe mit zunehmender Dotierung abnahm, während eine Erhöhung der Sintertemperatur und der Heizrate eine Vergrößerung der Kristallite nach sich zog. Die Schichten sind in der Regel aus einer verdichteten Oberflächenschicht und einem porösen Bulkmaterial aufgebaut. Das Minimum des spezifischen Widerstandes wurde in einem Bereich zwischen 4 und 6 mol% Dotierungskonzentration beobachtet, wobei die höchste Ladungsträgerbeweglichkeit bereits bei etwa 1 mol% erreicht wird. Der niedrigste Flächenwiderstand wurde bei einer Sintertemperatur von ca. 800°C und hoher Heizrate erreicht. In Mehrfachschichten wurde bei Einzelschichtdicken größer als 10 nm entsprechend eine alternierende Schichtstruktur aus verdichteten Oberflächenschichten und poröser Bulkschicht erhalten, während bei Einzelschichtdicken um 2,5 nm eine Säulenstruktur beobachtet wurde. Abnehmende Einzelschichtdicken und höhere Sintertemperaturen bedingen dabei größere Kristallite. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde ein Modell entwickelt, das erlaubt, die elektrischen Eigenschaften der verdichteten Oberflächenschicht und der porösen Schichtstruktur zu berechnen. Die elektrischen Eigenschaften der Mehrfachschichten werden von der Dicke der Einzel¬schichten, der Sintertemperatur, dem Dotiergrad, dem Sinterprozess und den Precursoren beeinflusst. Der niedrigste spezifische Widerstand wurde unabhängig von der Gesamtschichtdicke bei einer Einzelschichtdicke von 5 nm gefunden. Die optimale Dotierungskonzentration liegt im Falle der Mehrfachschichten bei 2 — 4 mol% SbCl3 bei einer optimalen Sintertemperatur von 800°C. Die mittlere Transmission der Einzel- und Mehrfachschichten im sichtbaren Bereich liegt bei Gesamtschichtdicken um 100 nm bei 80% und nimmt auf etwa 70% bei Schichtdicken um 300 - 500 nm ab.

Transparente leitfähige Schichten sind von großem Interesse für die Industrie, da sie aufgrund ihrer Eigenschaften ein großes Anwendungspotenzial besitzen, sei es als Elektroden in "Flat Panel Displays" oder elektrochromen Systemen, sei es als Wärmeschutzvergütung von Architekturglas, sei es als Absorber ("Photonenfänger") und Elektroden in Solarzellen oder in integrierten optischen Schaltungen. Dabei schließen sich Leitfähigkeit in der Dimension der Leitfähigkeiten von Metallen und Transparenz im Sichtbaren, wie dies Dielektrika aufzeigen, schon aus theoretischer Sicht aus. Diese Kluft schlißt die Gruppe der transparenten leitfähigen Oxide [...], zu der die Oxide und Mischoxide der Elemente Indium, Cadmium, Zinn und Zink gehören. [...] In den letzten Jahren wurden verschiedene Ansätze seitens der Prozesstechnik angegangen, die die eine Eigenschaft von oxidischen Schichten auf Kosten der anderen Eigenschaften verbesserte. [...] Ziel der vorliegenden Arbeit war, dieses Mustersystem soweit auf die strukturellen optischen und elektrischen Eigenschaften hin zu untersuchen und ein Modell des Schichtwachstums aufzuzeigen, das die Ergebnisse anderer Systeme wie z.B. Antimon dotiertes Zinnoxid reflektiert. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sollten für die Prozessoptimierung der Sol-Gel-Beschichtung von oxidischen Halbleitern verwendbar sein. [...]