CN103147041B - 透明导电氧化物薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，包括：采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜；采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜；其中，第二功率大于第一功率。本发明提供的透明导电氧化物薄膜的制备方法，由于采用低功率制备出的TCO薄膜平整致密均匀，对衬底薄膜起到了很好的保护作用，因此，避免了采用高功率制备TCO薄膜时，溅射粒子对衬底薄膜造成轰击损伤的问题，从而制备出了高质量的TCO薄膜，提高了太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，更具体地说，涉及一种透明导电氧化物薄膜的制备方法。
背景技术
在太阳能电池的发展过程中，透明导电氧化物(transparent conductive oxide，简称TCO)薄膜发挥了至关重要的作用，其由于具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等光电特性，可作为前电极、背反射电极、叠层电池中的顶电池和底电池的中间层以及封装用的盖板玻璃薄膜等，广泛应用在单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和量子点太阳能电池等中。
由于TCO薄膜是太阳能电池中非常重要的一部分，因此，如何用低成本的设备制备出高质量的TCO薄膜，必将成为光伏行业的技术追求。而磁控溅射法由于具有：沉积温度要求较低、沉积速率稳定可控、成膜均匀性稳定性良好、成本相对低廉和易于实现大规模生产等优点，而被广泛应用于制备TCO薄膜的工业生产中。
但现有的制备TCO薄膜的方法中，只采用高功率制备TCO薄膜时，会出现晶界密度高、薄膜致密性差等问题，严重影响太阳能电池的转换效率。而只采用低功率制备TCO薄膜时，会由于沉积速率过低，而导致薄膜的产量降低，薄膜的制备成本增加。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，先采用低功率制备一层TCO薄膜，然后再采用高功率制备TCO薄膜，由于采用低功率制备出的TCO薄膜平整致密均匀，对衬底薄膜起到了很好的保护作用，因此，避免了采用高功率制备TCO薄膜时，溅射粒子对衬底薄膜造成轰击损伤的问题，从而制备出了高质量的TCO薄膜，提高了太阳能电池的转换效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，应用于磁控溅射设备，包括以下步骤：采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜；采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜；其中，第二功率大于第一功率。
优选的，还包括步骤：采用大于第二功率的第三功率，在第二层薄膜上制备第三层薄膜。
优选的，还包括步骤：采用大于第三功率的第四功率，在第三层薄膜上制备第四层薄膜。
优选的，所述第一功率为1W~500W，包括端点值，所述第二功率为2000W~5000W，包括端点值。
优选的，所述第一功率为1W~500W，包括端点值，所述第二功率为1000W~2000W，包括端点值，所述第三功率为2000W~5000W，包括端点值。
优选的，所述第一功率为1W~500W，包括端点值，所述第二功率为500W~1000W，包括端点值，所述第三功率为1000W~2000W，包括端点值，所述第四功率为2000W~5000W，包括端点值。
优选的，制备第二层薄膜的靶材与制备第一层薄膜的靶材相同或不同。
优选的，制备第三层和第四层薄膜的靶材与制备第二层薄膜的靶材相同。
优选的，制备透明导电氧化物薄膜的靶材为掺杂Mo、W、Ti或Zr的In2O3、掺杂Al的ZnO或掺杂W、F的SnO2。
优选的，所述第一层薄膜的厚度为3nm~20nm，包括端点值，所述透明导电氧化物薄膜的厚度为40nm~200nm，包括端点值。
一种采用上述任一项所述的方法制备的透明导电氧化物薄膜。
一种采用上述任一项所述的方法生产的太阳能电池片。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明提供的透明导电氧化物薄膜的制备方法，先采用低功率制备一层TCO薄膜，在此过程中，溅射粒子的能量较低，对衬底的损伤较小，制备出的薄膜平整致密均匀，并且采用低功率制备的TCO薄膜与衬底之间形成了良好的界面，降低了界面的缺陷密度，改善了开路电压和填充效果，而由于低功率制备的TCO薄膜对衬底薄膜起到了很好的保护作用，因此避免了在采用高功率制备TCO薄膜时，溅射粒子对衬底薄膜造成轰击损伤的问题。此外，采用本发明提供的方法制备出的TCO薄膜质量较高，TCO薄膜的晶界密度、结晶度、迁移率和透光性都有了很大改善，有利于太阳能电池转换效率的提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一公开的透明导电氧化物薄膜制备方法的流程图；
图2为本发明实施例二公开的透明导电氧化物薄膜制备方法的流程图；
图3为本发明实施例三公开的透明导电氧化物薄膜制备方法的流程图。
具体实施方式
正如背景技术所述，采用磁控溅射法制备的TCO薄膜会出现晶界缺陷密度高、薄膜致密性差等问题，严重影响了太阳能电池的转换效率，发明人研究发现，造成这种现象的原因是，现有技术中，都是采用高功率制备TCO薄膜，在此过程中，溅射粒子的能量很高，会对衬底表面的薄膜造成轰击损伤，使得衬底表面薄膜的局部特性变差，这不仅会影响TCO薄膜的质量，也会进一步影响到太阳能电池的性能，如出现被轰击过的衬底薄膜的界面缺陷增加，轰击造成的PN结损坏使局部区域漏电等问题。而只采用低功率制备TCO薄膜时，虽然溅射粒子的能量很低，对衬底薄膜造成的损伤很小，但势必会降低TCO薄膜的沉积速率，增加TCO薄膜的制备成本。
基于此，本发明提供了一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，应用于磁控溅射设备，以克服现有技术存在的上述问题，包括：采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜；采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜；其中，第二功率大于第一功率。
本发明提供的透明导电氧化物薄膜的制备方法，先采用低功率制备一层TCO薄膜，在此过程中，溅射粒子的能量较低，对衬底的损伤较小，制备出的薄膜平整致密均匀，并且采用低功率制备的TCO薄膜与衬底之间形成了良好的界面，降低了界面的缺陷密度，改善了开路电压和填充效果，而由于低功率制备的TCO薄膜对衬底薄膜起到了很好的保护作用，因此避免了在采用高功率制备TCO薄膜时，溅射粒子对衬底薄膜造成轰击损伤的问题。此外，采用本发明提供的方法制备出的TCO薄膜质量较高，TCO薄膜的晶界密度、结晶度、迁移率和透光性都有了很大改善，有利于太阳能电池转换效率的提高。
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
下面通过几个实施例详细描述。
实施例一
本实施例公开的透明导电氧化物薄膜的制备方法的流程图如图1所示，应用于磁控溅射设备，具体步骤如下所示：
步骤101：采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜。
其中，所述第一功率为1W~500W，包括端点值，所述第一层薄膜的厚度为3nm~20nm，包括端点值，所述衬底为TCO薄膜制备前的太阳能电池片。采用较低的第一功率制备TCO薄膜时，溅射粒子的能量较低，对衬底的损伤较小，并且此过程中，TCO薄膜的沉积速率较低，约为0.2nm/s~2nm/s，包括端点值，因此，制备出的TCO薄膜沉积均匀、排列致密、表面平整，同时TCO薄膜与衬底之间形成了良好的界面，降低了界面的缺陷密度，改善了开路电压和填充效果，从而使TCO薄膜与衬底之间形成了良好的电性接触，为进一步制备高质量的TCO薄膜以及提高太阳能电池的转换效率提供了良好的基础。
步骤102：采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜。
其中，第二功率大于第一功率，所述第二功率为2000W~5000W，包括端点值，所制备的TCO薄膜的厚度为40nm~200nm，包括端点值。由于采用较低的第一功率制备的第一层薄膜对衬底薄膜起到了很好的保护作用，因此，避免了在采用较高的第二功率制备薄膜时，溅射粒子对衬底薄膜造成轰击损伤的问题。同时，由于第一层薄膜的结构和性能均良好，因此，在第一层薄膜的基础上制备的TCO薄膜的结构更好、质量更优，TCO薄膜的结晶度、迁移率和透光性都有了很大改善，有利于太阳能电池转换效率的提高。
本实施例中，制备透明导电氧化物薄膜的靶材为掺杂Mo、W、Ti或Zr的In2O3、掺杂Al的ZnO或掺杂W、F的SnO2等，而制备第二层薄膜的靶材与制备第一层薄膜的靶材可以相同，也可以不同。例如，当制备第一层薄膜的靶材为掺杂Al的ZnO时，制备第二层薄膜的靶材可以是掺杂Al的ZnO，也可以是掺杂Mo的In2O3、掺杂W的In2O3或掺杂W的SnO2等。
采用本实施例公开的方法制备TCO薄膜时，无论第二层薄膜的靶材与第一层薄膜的靶材相同或不同，所制备出的TCO薄膜的质量均较高。当靶材相同时，制备出的TCO薄膜质量最优，这是因为靶材相同时，第二层薄膜与第一层薄膜的晶格更匹配，制备出的TCO薄膜晶向一致性、均匀性和致密性更好，缺陷密度更低，电学性能更好。
当采用不同的靶材来制备TCO薄膜时，可将性能较好但成本较高的作为第一层薄膜的靶材，将性能稍差但成本较低的作为第二层薄膜的靶材，由于第一层薄膜较薄，因此对靶材的消耗较小，从而降低了制备TCO薄膜的成本，同时由于低功率制备出的第一层薄膜平整致密均匀，因此制备出的TCO薄膜的质量也较高。
本实施例提供的透明导电氧化物薄膜的制备方法，先采用低功率制备一层平整致密均匀的TCO薄膜，由于低功率制备的TCO薄膜对衬底薄膜起到了很好的保护作用，因此避免了在采用高功率制备TCO薄膜时，溅射粒子对衬底薄膜造成轰击损伤的问题，而制备出的TCO薄膜的质量也较高，其晶界密度、结晶度、迁移率和透光性都有了很大改善，有利于太阳能电池转换效率的提高。
实施例二
本实施例公开的透明导电氧化物薄膜的制备方法的流程图如图2所示，应用于磁控溅射设备，具体步骤如下所示：
步骤201：采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜。
其中，所述第一功率为1W~500W，包括端点值，所述第一层薄膜的厚度为3nm~20nm，包括端点值，所述衬底为TCO薄膜制备前的太阳能电池片。采用较低的第一功率制备TCO薄膜时，溅射粒子的能量较低，对衬底的损伤较小，并且此过程中，TCO薄膜的沉积速率较低，约为0.2nm/s~2nm/s，包括端点值，因此，制备出的TCO薄膜沉积均匀、排列致密、表面平整，同时TCO薄膜与衬底之间形成了良好的界面，降低了界面的缺陷密度，改善了开路电压和填充效果，从而使TCO薄膜与衬底之间形成了良好的电性接触，为进一步制备高质量的TCO薄膜以及提高太阳能电池的转换效率提供了良好的基础。
步骤202：采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜。
其中，第二功率大于第一功率，所述第二功率为1000W~2000W，包括端点值。本实施例中的第二功率小于实施例一中的第二功率，减小了第二功率与第一功率之间的差值，减小了采用第二功率制备薄膜时，溅射粒子对第一层薄膜的轰击损伤，使得制备出的第二层薄膜结构更好、质量更优，为第三层薄膜的制备提供了良好的基底。
步骤203：采用大于第二功率的第三功率，在第二层薄膜上制备第三层薄膜。
其中，所述大于第二功率的第三功率为2000W~5000W，包括端点值。由于第一层薄膜和第二层薄膜的结构和性能均良好，因此，在其基础上制备的薄膜的结构更好、质量更优，TCO薄膜的结晶度、迁移率和透光性都有了进一步改善，更有利于太阳能电池转换效率的提高。
本实施例中，制备透明导电氧化物薄膜的靶材为掺杂Mo、W、Ti或Zr的In2O3、掺杂Al的ZnO或掺杂W、F的SnO2等，制备第二层薄膜的靶材与制备第一层薄膜的靶材可以相同，也可以不同，在本实施例中，为了实际操作的简便，制备第三层薄膜的靶材与制备第二层薄膜的靶材是相同的，当然在其他实施例中第三层薄膜的靶材与制备第二层薄膜的靶材也可以不同。例如，当制备第一层薄膜的靶材为掺杂Al的ZnO时，制备第二层薄膜的靶材可以是掺杂Al的ZnO，也可以是掺杂Mo的In2O3、掺杂W的In2O3或掺杂W的SnO2等，但当制备第二层薄膜的靶材是掺杂Al的ZnO时，制备第三层薄膜的靶材也是掺杂Al的ZnO。
采用本实施例公开的方法制备TCO薄膜时，当靶材相同时，制备出的TCO薄膜质量最优，这是因为靶材相同时，薄膜之间的晶格更匹配，制备出的TCO薄膜的晶向一致性、均匀性和致密性更好，缺陷密度更低，电学性能优良。同样，当采用不同的靶材来制备TCO薄膜时，可将性能较好但成本较高的作为第一层薄膜的靶材，将性能稍差但成本较低的作为第二层薄膜和第三层薄膜的靶材，同样能够制备出质量较好的TCO薄膜。
本实施例提供的透明导电氧化物薄膜的制备方法，采用了三个不同的功率制备TCO薄膜，其中，第三功率大于第二功率，第二功率大于第一功率，通过减小第二功率与第一功率之间的差值，减小了制备第二层薄膜时，对第一层薄膜的轰击损伤，优化了TCO薄膜的质量，有利于太阳能电池转换效率的进一步提高。
实施例三
本实施例公开的透明导电氧化物薄膜的制备方法的流程图如图3所示，应用于磁控溅射设备，具体步骤如下所示：
步骤301：采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜。
其中，所述第一功率为1W~500W，包括端点值，所述第一层薄膜的厚度为3nm~20nm，包括端点值，所述衬底为TCO薄膜制备前的太阳能电池片。采用较低的第一功率制备TCO薄膜时，溅射粒子的能量较低，对衬底的损伤较小，并且此过程中，TCO薄膜的沉积速率较低，约为0.2nm/s~2nm/s，包括端点值，因此，制备出的TCO薄膜沉积均匀、排列致密、表面平整，同时TCO薄膜与衬底之间形成了良好的界面，降低了界面的缺陷密度，改善了开路电压和填充效果，从而使TCO薄膜与衬底之间形成了良好的电性接触，为进一步制备高质量的TCO薄膜以及提高太阳能电池的转换效率提供了良好的基础。
步骤302：采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜。
其中，第二功率大于第一功率，所述第二功率为500W~1000W，包括端点值。本实施例中的第二功率小于实施例二中的第二功率，进一步减小了第二功率与第一功率之间的数值差，进一步减小了采用第二功率制备薄膜时，溅射粒子对第一层薄膜的轰击损伤，使得制备出的第二层薄膜结构更好、质量更优，为第三层薄膜的制备提供了良好的基底。
步骤303：采用大于第二功率的第三功率，在第二层薄膜上制备第三层薄膜。
其中，所述大于第二功率的第三功率为1000W~2000W，包括端点值。与实施例二相比，本实施例中进一步减小了第三功率与第二功率的差值，减小了采用第三功率制备薄膜时，溅射粒子对第二层薄膜的轰击损伤，进一步优化了TCO薄膜的质量，有利于太阳能电池转换效率的进一步提高。
步骤304：采用大于第三功率的第四功率，在第三层薄膜上制备第四层薄膜。
其中，大于第三功率的第四功率为2000W~5000W，包括端点值。由于进一步减小了功率之间的差值，使得制备出的第一、第二和第三层薄膜的结构和性能均良好，因此，在其基础上制备的薄膜的结构更好、质量更优，进一步改善了TCO薄膜的结晶度、迁移率和透光性，更有利于太阳能电池转换效率的提高。
本实施例中，制备透明导电氧化物薄膜的靶材为掺杂Mo、W、Ti或Zr的In2O3、掺杂Al的ZnO或掺杂W、F的SnO2等，制备第二层薄膜的靶材与制备第一层薄膜的靶材可以相同，也可以不同，而为了实际操作的简便，制备第三层薄膜和第四层薄膜的靶材与制备第二层薄膜的靶材是相同的，当然在其他实施例中第三层薄膜的靶材与第二层薄膜的靶材可以不同，第四层薄膜与第三层薄膜的靶材也可以不同。例如，当制备第一层薄膜的靶材为掺杂Al的ZnO时，制备第二层薄膜的靶材可以是掺杂Al的ZnO，也可以是掺杂Mo的In2O3、掺杂W的In2O3或掺杂W的SnO2等，但当制备第二层薄膜的靶材是掺杂Al的ZnO时，制备第三层薄膜和第四层薄膜的靶材也是掺杂Al的ZnO。
采用本实施例公开的方法制备TCO薄膜时，当靶材相同时，制备出的TCO薄膜质量最优，这是因为靶材相同时，每层薄膜之间的晶格更匹配，制备出的TCO薄膜的晶向一致性、均匀性和致密性也更好，缺陷密度更低，电学性能更加优良。同样，当采用不同的靶材来制备TCO薄膜时，可将性能较好但成本较高的作为第一层薄膜的靶材，将性能稍差但成本较低的作为后续制备的薄膜的靶材，同样也能够制备出质量很好的TCO薄膜。
本实施例提供的透明导电氧化物薄膜的制备方法，采用了四个不同的功率制备TCO薄膜，其中，第四功率大于第三功率，第三功率大于第二功率，第二功率大于第一功率，通过减小功率之间的差值，进一步减小制备薄膜时的轰击损伤，更有利于高质量TCO薄膜的制备，更有利于太阳能电池转换效率的提高。
在其他实施例中，还可以采用N个不同的功率制备TCO薄膜，其中，N为大于2的整数，通过减小功率之间的差值来减小制备薄膜时的轰击损伤，制备出更高质量的TCO薄膜，更有利于太阳能电池转换效率的提高。
实施例四
本实施例提供了一种采用上述任一实施例所述的方法制备的透明导电氧化物薄膜和一种采用上述任一实施例所述的方法生产的太阳能电池片。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种透明导电氧化物薄膜的制备方法，应用于磁控溅射设备，其特征在于，包括以下步骤：
采用第一功率，在衬底上制备第一层薄膜，所述衬底为透明导电氧化物薄膜制备前的太阳能电池片；
采用第二功率，在第一层薄膜上制备第二层薄膜；
其中，第二功率大于第一功率；
所述第一功率为1W～500W，包括端点值，所述第二功率为2000W～5000W，包括端点值。
2.根据权利要求1所述的透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
采用大于第二功率的第三功率，在第二层薄膜上制备第三层薄膜。
3.根据权利要求2所述的透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，还包括步骤：
采用大于第三功率的第四功率，在第三层薄膜上制备第四层薄膜。
4.根据权利要求3所述的透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，制备第二层薄膜的靶材与制备第一层薄膜的靶材相同或不同。
5.根据权利要求4所述的透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，制备第三层和第四层薄膜的靶材与制备第二层薄膜的靶材相同。
6.根据权利要求5所述的透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，制备透明导电氧化物薄膜的靶材为掺杂Mo、W、Ti或Zr的In2O3、掺杂Al的ZnO或掺杂W、F的SnO2。
7.根据权利要求6所述的透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，所述第一层薄膜的厚度为3nm～20nm，包括端点值，所述透明导电氧化物薄膜的厚度为40nm～200nm，包括端点值。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法制备的透明导电氧化物薄膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |