CN101638772B - 一种氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法 - Google Patents
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本发明公开了一种偏压射频磁控溅射法制备SnO2:F透明导电膜的方法,属于电子材料技术领域。将纯度99.99%的SnO2粉末和99%的SnF2粉末按重量比95∶5~85∶15充分混合,压制成型后,在空气中190~210℃下烧制成SnO2:F靶材。将靶材和清洗过的有机柔性基材送入射频磁控溅射仪,用偏压射频磁控溅射技术在有机柔性基材衬底上室温制备SnO2:F透明导电膜。溅射仪靶材到衬底的距离40~80mm,溅射室基础真空小于1.0×10-3Pa,溅射气体氩气压强0.3~5Pa,溅射偏压0~-100V,溅射功率50~200W。本发明的优点是衬底不需要加热,制造工艺简单、成本低廉、光电性能和稳定性好。
Description
(一)技术领域:
本发明涉及一种氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法,属于电子材料技术领域。
(二)背景技术:
透明导电膜兼备低电阻和高的可见光透过率特性,广泛应用于薄膜太阳能电池、平板显示器和发光器件的透明电极。近几年,晶体硅价格的上涨极大地推动了薄膜太阳能电池的发展,光伏用透明导电膜作为电池前电极的必要构件,其市场需求迅速增长。掺锡氧化铟(ITO)薄膜是当前使用最广泛的透明导电膜,主要应用于平板显示等领域,初期曾应用于光伏电池的前电极。为了增加薄膜电池半导体层吸收光的能力,透明导电膜需要提高对透射光的散射能力,而ITO薄膜很难做到这一点。光伏用透明导电膜的刻蚀目前都使用激光刻蚀,透明导电膜层的材料和结构必须适应激光刻蚀的过程,处于激光束焦点区域的膜层能够迅速气化,不留杂质,并且气化反应不会扩散到焦点区域以外,留下的沟槽边缘整齐,沟槽宽度保持一致。ITO薄膜的激光刻蚀性能较差,ITO薄膜应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定,因此目前ITO薄膜已非光伏电池主流的电极材料。氟掺杂氧化锡(SnO2:F)薄膜成本相对较低,光电性能优良,稳定性高,具有极强的耐腐蚀性。SnO2:F薄膜对透射光有一定的散射能力,光学透过谱与非晶硅半导体层的吸收波段(400~700nm)相匹配,膜层红外激光刻划效果很好。SnO2:F薄膜非常适用于薄膜太阳能电池的前电极。
通过对现有文献的检索发现,制备SnO2:F透明导电膜的方法有喷雾热解(Spray pyrolysis)法,参见A.A.Yadav等人的“喷雾溶液量对喷雾沉积SnO2:F薄膜性能的影响”,《物理B》404(2009)1874-1877(A.A.Yadav,E.U.Masumdar,A.V.Moholkar,et al.Effect of quantity of spraying solution on the properties ofspray deposited fluorine doped tin oxide thin films,Physica B 404(2009)1874-1877);化学气相沉积(Chemical vapor deposition)法,参见Yuji Matsui等人的“化学气相沉积法制备10-20nm厚多晶SnO2薄膜的电导率”,《固体薄膜》517(2009)2953-2958(Yuji Matsui,Yuichi Yamamoto.Electrical conduction in 10-20nm thickpolycrystalline tin oxide thin films deposited by chemical vapor deposition,ThinSolid Films 517(2009)2953-2958);超声喷雾热解法,参见雷智等人的“低温制备透明SnO2:F薄膜的光电性研究”,《光电子技术》24(2004)4-7。
喷雾热解法可以制得电阻率3.91×10-4Ωcm、550nm处光学透过率75%的薄膜,薄膜沉积衬底温度475℃;化学气相沉积法制得的薄膜电阻率低达6.0×10-4Ωcm,薄膜沉积衬底温度540℃;超声喷雾热解法在360℃沉积温度下可制得可见光区透过率75%~85%、电阻率3.7×10-4Ωcm的薄膜。文献报导的SnO2:F薄膜的衬底为硬质玻璃,薄膜沉积衬底温度较高,不能在有机柔性基材衬底上制备薄膜。在有机柔性基材上制备的SnO2:F透明导电膜具有可挠曲、重量轻、不宜破碎、便于运输等独特优点,有望成为硬质玻璃衬底透明导电膜的更新换代产品。
(三)发明内容:
本发明的目的在于克服现有技术中SnO2:F透明导电膜薄膜沉积衬底温度高的不足,提供一种在有机柔性基材衬底上制备SnO2:F透明导电膜的方法。在有机柔性基材衬底上室温制备SnO2:F透明导电膜,制造工艺简单、成本低廉、不污染环境,所制备的SnO2:F透明导电膜光电性能优良、稳定性高、附着性能好,适用于柔性薄膜太阳能电池的前电极。
本发明的目的可以通过如下措施来达到:一种氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法,步骤如下:
(1)将纯度99.99%的SnO2粉末和99%的SnF2粉末按重量比95∶5~85∶15充分混合,在100~200MPa压强、115~125℃温度下压制成型,压制成型时间为15~25分钟;在空气中190~210℃温度下烧结2400~3000分钟,烧制成SnO2:F靶材。
(2)用超声波化学清洗有机柔性基材,然后将步骤(1)的靶材和清洗过的有机柔性基材送入射频磁控溅射仪,用偏压射频磁控溅射技术在有机柔性基材衬底上制备SnO2:F透明导电膜。溅射仪靶材到衬底的距离40~80mm,优选60mm;溅射室基础真空小于1.0×10-3Pa,优选4.0×10-4Pa;溅射气体氩气压强0.3~5Pa,溅射偏压0~-100V,溅射功率50~200W。
上述步骤(1)中制备靶材时,靶材的组分优选为SnO2和SnF2重量比90∶10。
上述步骤(1)中SnO2:F靶材的形状为圆形,直径为60mm。
上述步骤(2)中有机柔性基材衬底选自下列之一:透明的聚酯薄膜、透明的聚乙烯对苯二甲酯薄膜、透明的聚碳酸酯薄膜、透明的聚丙烯薄膜、透明的聚酰亚胺薄膜、透明的聚丙烯二酯薄膜。
上述步骤(2)中衬底不加热。
上述步骤(2)中溅射气体氩气的纯度为99.99%。
在优选工艺条件下,即溅射气体氩气压强1Pa、溅射功率150W、溅射偏压-70V,制得薄膜的电阻率为5×10-4Ωcm,可见光范围的透过率超过87%。
本发明的方法与现有技术相比优良效果如下:
喷雾热解法的薄膜沉积衬底温度475℃,化学气相沉积法薄膜沉积衬底温度540℃,超声喷雾热解法薄膜沉积衬底温度360℃。现有技术制备SnO2:F透明导电膜的薄膜沉积衬底温度较高,不能在有机柔性基材衬底上制备薄膜。本发明的方法制备SnO2:F透明导电膜的薄膜沉积衬底不需要加热,制造工艺较简单、成本低廉、不污染环境,所制成的SnO2:F透明导电膜的导电性和光学透过率高,光电性能稳定,与有机柔性基材结合牢固。
(四)具体实施方式:下面对本发明的具体实施方式作详细说明:
实施例1:
(1)将纯度99.99%的SnO2粉末和99%的SnF2粉末按重量比90∶10充分混合,在200MPa压强、120℃温度下压制成型,压制成型时间为25分钟;在空气中200℃温度下烧结3000分钟,烧制成SnO2:F靶材。
(2)有机柔性基材采用厚度125μm的透明聚酯薄膜,用超声波化学清洗。将步骤(1)的靶材和清洗过的有机柔性基材送入射频磁控溅射仪,靶材到衬底的距离60mm。溅射室基础真空4.0×10-4Pa,溅射气体氩气压强1Pa,溅射偏压-70V,溅射功率150W,衬底温度为室温,薄膜厚度400nm。薄膜具有多晶结构,薄膜的电阻率为5×10-4Ωcm,可见光范围的光学透过率超过87%。
实施例2:
溅射用靶与实施例1相同,所不同的是步骤(2)中有机柔性基材采用厚度175μm的透明聚碳酸酯薄膜,靶材到衬底的距离为40mm,溅射室基础真空9×10-4Pa,溅射气体氩气压强0.3Pa,溅射偏压0V,溅射功率50W,衬底温度为室温,薄膜厚度400nm。薄膜具有多晶结构,薄膜的电阻率为7×10-3Ωcm,可见光范围的光学透过率超过72%。
实施例3:
溅射用靶与实施例1相同,所不同的是步骤(2)中有机柔性基材采用厚度75μm的透明聚酰亚胺薄膜,靶材到衬底的距离为80mm,溅射室基础真空2×10-4Pa,溅射气体氩气压强5Pa,溅射偏压-100V,溅射功率200W,衬底温度为室温,薄膜厚度400nm。薄膜具有多晶结构,薄膜的电阻率为7×10-4Ωcm,可见光范围的光学透过率超过88%。
实施例4:
溅射用靶与实施例1相同,所不同的是步骤(2)中有机柔性基材采用厚度125μm的透明聚乙烯对苯二甲酯薄膜,靶材到衬底的距离为50mm,溅射室基础真空6×10-4Pa,溅射气体氩气压强2Pa,溅射偏压-60V,溅射功率100W,衬底温度为室温,薄膜厚度400nm。薄膜具有多晶结构,薄膜的电阻率为6.5×10-4Ωcm,可见光范围的光学透过率超过84%。
实施例5:
将纯度99.99%的SnO2粉末和99%的SnF2粉末按重量比95∶5充分混合,在100MPa压强、125℃温度下压制成型,压制成型时间15分钟;在空气中210℃温度下烧结2400分钟,烧制成SnO2:F靶材。有机柔性基材采用厚度125μm的透明聚丙烯二酯薄膜,薄膜制备条件与实施例1相同。薄膜具有多晶结构,薄膜的电阻率为1×10-3Ωcm,可见光范围的光学透过率超过88%。
实施例6:
将纯度99.99%的SnO2粉末和99%的SnF2粉末按重量比85∶15充分混合,在150MPa压强、115℃温度下压制成型,压制成型时间20分钟;在空气中190℃温度下烧结3000分钟,烧制成SnO2:F靶材。有机柔性基材采用厚度75μm的透明聚丙烯薄膜,薄膜制备条件与实施例1相同。薄膜具有多晶结构,薄膜的电阻率为6×10-4Ωcm,可见光范围的光学透过率超过84%。
Claims (4)
1.一种氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法,步骤如下:
(1)将纯度99.99%的SnO2粉末和99%的SnF2粉末按重量比95∶5~85∶15充分混合,在100~200MPa压强、115~125℃温度下压制成型,压制成型时间为15~25分钟;在空气中190~210℃温度下烧结2400~3000分钟,烧制成SnO2:F靶材;
(2)用超声波化学清洗有机柔性基材,然后将步骤(1)的靶材和清洗过的有机柔性基材送入射频磁控溅射仪,用偏压射频磁控溅射技术在有机柔性基材衬底上制备SnO2:F透明导电膜;溅射仪靶材到衬底的距离40~80mm,溅射室基础真空小于1.0×10-3Pa,溅射气体氩气压强0.3~5Pa,溅射偏压0~-100V,溅射功率50~200W。
2.根据权利要求1所述的氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法,其特征在于所述步骤(2)中的有机柔性基材为透明的聚酯薄膜、透明的聚乙烯对苯二甲酯薄膜、透明的聚碳酸酯薄膜、透明的聚丙烯薄膜、透明的聚酰亚胺薄膜、透明的聚丙烯二酯薄膜中的一种。
3.根据权利要求1所述的氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法,其特征在于所述步骤(2)中的有机柔性基材衬底不加热。
4.根据权利要求1所述的氟掺杂氧化锡透明导电膜的制备方法,其特征在于所述步骤(2)中的溅射气体氩气的纯度为99.99%。
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