Evaluation of the thermoelectric properties of transparent Sb-doped zinc oxide thin films

Abstract

Global energy demand has significantly increased in the past decade, to a point that modern technologies might not keep up, and the search for clean energy also takes part in making the development of proper solutions difficult. Wasted heat recovery systems have become popular due to the large opportunity for this technology associated with the tremendous loss in energy through the form of heat. Several new ways of heat harvesting are being developed, but thermoelectric technology has gained significant relevance. The advancements in thermoelectric materials and devices have paved the way for new strategies in heat harvesting systems. Transparent conducting oxides have gained popularity in thermoelectric technology as they can transport electricity while being optically transparent. Furthermore, transparent oxides can have thermoelectric properties, as is the example of ZnO, but tend to be limited by their inherent properties. ZnO does not have the conducting properties necessary for this type of application, but studies focused on the doping of this material have shown that those properties can be enhanced. This study focuses on understanding the influence of Sb-doping in the ZnO electrical, optical and thermoelectrical properties, with the addition of also studying its structural and morphological parameters. For that, several samples with different doping levels were produced through magnetron sputtering and their respective important properties were measured in several analyses. As a result, thin ZnO:Sb films with an average transparency greater than 80% were produced, with an absolute Seebeck coefficient of 100 μV/K and respective Power Factor of 1.1 mW∙m-1 ∙K-2 , effectively modifying the electrical, optical and thermoelectrical properties of the material and ensuring its suitability for thermoelectric applications.

A procura global de energia aumentou significativamente na última década, de tal forma que as tecnologias modernas podem não acompanhar, e a procura de energia limpa também contribui para tornar difícil o desenvolvimento de soluções adequadas. Os sistemas de recuperação de calor desperdiçado tornaram-se populares devido à grande oportunidade para esta tecnologia associada à tremenda perda de energia através de calor. Várias novas formas de captar calor estão a ser desenvolvidas, mas a tecnologia termoelétrica ganhou relevância de forma significativa. Os avanços nos materiais e dispositivos termoelétricos abriram o caminho para novas estratégias nos sistemas de captação de calor. Os óxidos condutores transparentes ganharam popularidade na tecnologia termoelétrica, uma vez que podem transportar eletricidade mantendo-se opticamente transparentes. Além disso, os óxidos transparentes podem ter propriedades termoelétricas, como é o exemplo do ZnO, mas tendem a ser limitados pelas suas propriedades inerentes. O ZnO não tem as propriedades condutoras necessárias para este tipo de aplicação, mas estudos focados na dopagem deste material têm demonstrado que essas propriedades podem ser melhoradas. Este estudo centra-se na compreensão da influência da Sb-doping nas propriedades elétricas, óticas e termelétricas do ZnO, e de também estudar os seus parâmetros estruturais e morfológicos. Para tal, foram produzidas várias amostras com diferentes níveis de dopagem através de pulverização magnética e as suas respetivas propriedades importantes foram medidas em várias análises. Como resultado, foram produzidos filmes finos com transparência superior a 80%, e um coeficiente Seebeck absoluto de 100 μV/K e o respetivo Fator de Potência de 1.1mW∙m-1 ∙K-2 foram alcançados, modificando efetivamente as propriedades elétricas, óticas e termoelétricas do material e assegurando a sua adequação às aplicações termoelétricas.