CN107768022B - 铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池 - Google Patents

铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池 Download PDF

Info

Publication number
CN107768022B
CN107768022B CN201710877957.8A CN201710877957A CN107768022B CN 107768022 B CN107768022 B CN 107768022B CN 201710877957 A CN201710877957 A CN 201710877957A CN 107768022 B CN107768022 B CN 107768022B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
zinc oxide
doped zinc
transparent conducting
oxide transparent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710877957.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107768022A (zh
Inventor
孟磊
杨涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Semiconductors of CAS
Original Assignee
Institute of Semiconductors of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Semiconductors of CAS filed Critical Institute of Semiconductors of CAS
Priority to CN201710877957.8A priority Critical patent/CN107768022B/zh
Publication of CN107768022A publication Critical patent/CN107768022A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107768022B publication Critical patent/CN107768022B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/0016—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables for heat treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • H01B5/14—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form comprising conductive layers or films on insulating-supports
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022466—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers
    • H01L31/022483—Electrodes made of transparent conductive layers, e.g. TCO, ITO layers composed of zinc oxide [ZnO]

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Non-Insulated Conductors (AREA)

Abstract

本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；利用先驱液在衬底上形成薄膜；将薄膜在氮气气氛进行热处理；以及将薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理。本公开还提供了一种利用上述方法制备的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜以及利用氧化锌薄膜作为阳电极制备的薄膜太阳能电池。本公开铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点；铝掺杂氧化锌薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及平坦的表面；以铝掺杂氧化锌薄膜作为阳电极的非晶硅单结薄膜太阳能电池具有约7％的转换效率。

Description

铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池
技术领域
本公开属于光电子技术领域，尤其涉及一种铝掺杂氧化锌(ZnO：Al)透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池。
背景技术
透明导电薄膜对于薄膜电子器件是一种非常关键的材料。它是一种既具有良好的导电性，又在可见光范围具有很高的透过率的半导体材料。这些特性使其在液晶显示器、电致发光器件、薄膜太阳能电池等光电子器件中有着广泛的应用。
二十世纪五十年代，氟掺杂氧化锡(SnO2：F)和锡掺杂氧化铟(In2O3：Sn)被开发出来并先后实现了工业化应用，两者均具有很高的掺杂效率，即很高的载流子浓度，因而具有优越的电学性能。但正是由于强的载流子吸收，使其对红外光具有较低的透过率，因此限制了其在红外探测器等领域的应用。另外，两者都还存在易被氢等离子体还原的问题，此问题会对等离子体增强型化学气相沉积工艺制备的薄膜硅太阳能电池产生显著的负面影响。被氢等离子体还原的金属离子或原子会扩散到光学吸收层，劣化器件性能。
由于ZnO基透明导电薄膜具有低原料成本、环境友好、耐氢等离子等优点，因此其引起了人们的广泛关注。现有的可制备出低电阻率ZnO基透明导电薄膜的方法包括磁控溅射法和金属有机化合物气相沉积法等物理方法，但是这些方法都需要昂贵的大型的真空设备。而溶胶-凝胶法具备非真空薄膜生长环境、多样化制膜方法、在粗糙衬底上可实现平坦表面等特点，具备科学研究和商业应用的价值。虽然目前已有使用溶胶-凝胶法得到具有低电阻率的ZnO基透明导电薄膜的技术，但是目前普遍采用乙二醇甲醚(2-methoxyethano)、甲醇(methanol)等有毒有机溶剂。另外，目前很少有将溶胶-凝胶法制备的ZnO基透明导电薄膜作为透明电极应用到薄膜太阳能电池中并获得较好的性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点；通过此方法得到的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及平坦的表面；此掺杂氧化锌透明导电薄膜可广泛应用于液晶显示器、电致发光器件、薄膜太阳能电池等光电子器件。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；利用所述先驱液在衬底上形成薄膜；将所述薄膜在氮气气氛进行热处理；以及将所述薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理。
在本公开的一些实施例中，所述二水合乙酸锌的浓度为0.5～0.75mol/L。
在本公开的一些实施例中，所述先驱液还包含稳定剂乙醇胺，所述二水合乙酸锌和乙醇胺的摩尔比为1∶1。
在本公开的一些实施例中，所述二水合乙酸锌和六水合三氯化铝的摩尔比为0.008∶1～0.012∶1。
在本公开的一些实施例中，在将所述薄膜在氮气气氛进行热处理的步骤中，将薄膜放入一导入氮气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在400℃～650℃的加热炉中保温1h～4h，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述氮气导入加热炉的流速为0.8～1L/min。
在本公开的一些实施例中，在所述将薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理的步骤中，将薄膜放置在导入97％的氮气和3％的氢气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述97％的氮气和3％的氢气的合成气体导入加热炉的流速为0.8～1L/min。
在本公开的一些实施例中，将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min的步骤之前，还包括：在所述薄膜表面放置一个玻璃片，该玻璃片的面积大于该薄膜的面积。
根据本公开的另一个方面，提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其采用所述的氧化锌透明导电薄膜制备方法形成。
在本公开的一些实施例中，所述铝掺杂氧化锌透明导电薄膜为包含多个晶粒的多晶体，所述晶粒的粒径为20～30nm。
根据本公开的另一个方面，提供了一种薄膜太阳能电池，包括阳电极，所述阳电极为所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开提供的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，通过采用溶胶-凝胶法制备铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，且以无毒的无水乙醇作为溶剂，具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点；
(2)通过本公开提供的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜制备方法制备的氧化锌透明导电薄膜的电阻率可达9.89×10-4Ω·cm，且薄膜表面品粒的粒径为20～30nm，因此该薄膜具备表面粗糙度最小可达2.1nm的平坦表面和优良的导电性能；
(3)与在真空条件下制备的氧化锌薄膜相比，本公开通过溶胶凝胶法及热处理工艺制备的氧化锌透明导电薄膜具有非致密的结构，使得光线在晶界等空隙处穿过，因此该薄膜在400nm-1600nm区域表现出高于85％的透过率；
(4)本公开提供的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具备平坦的表面和在可见光区域内具有较高的透过率，因此将本公开制备的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜作为透明电极，制备了开路电压0.91V和转换效率约7％的非晶硅单结薄膜太阳能电池。
附图说明
图1为本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法的流程图。
图2为本公开第一实施例中薄膜ITO、AZOSG1和AZOSP1表面的SEM图片。其中，图2中(a)、(b)、(c)分别为ITO、AZOSG1、AZOSP1表面的SEM图片。
图3为本公开第一实施例中制备的ZnO：Al透明导电薄膜和参考透明导电薄膜ITO、AZOSP1的紫外-可见-近红外的透射光谱和吸收光谱。其中，图3中(a)和(b)分别为透射光谱和吸收光谱。
图4为本公开第二实施例中铝掺杂氧化锌透明导电薄膜AZOSG2的表面形貌图片。
图5为本公开第二实施例中AZOSG2和AZOSP2透明导电薄膜的紫外-可见-近红外的透射光谱与吸收光谱，其中，图5中(a)和(b)分别为透射光谱和吸收光谱。
图6为采用AZOSG1和AZOSG2透明导电薄膜作为阳电极制作的非晶硅单结薄膜太阳能电池的电压与电流密度的曲线。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，图1为本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法的流程图。首先以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，乙醇胺为稳定剂配置溶胶-凝胶先驱液，然后利用陈化的先驱液制备薄膜并加以两步热处理工艺，制备了铝掺杂氧化锌透明导电薄膜；通过此方法得到的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及平坦的表面，可用于制备薄膜太阳能电池，也可广泛应用于液晶显示器、电致发光器件等光电子器件。
一、第一实施例
本实施例中铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1：溶胶-凝胶先驱液的配置。
更具体而言，所述步骤S1包括以下子步骤：
子步骤S11：清洗容器；
其中，所述容器首先使用超纯水冲洗三次，再使用酒精超声波清洗5分钟，最后放到干燥器内干燥15分钟。
子步骤S12：计算各原料物质的量；
更具体而言，所述子步骤S12包括以下子步骤：
子步骤S121：确定先驱液的目标体积；所述先驱液的体积即被认为是溶剂无水乙醇的体积；
子步骤S122：确定溶质二水合乙酸锌(C4H10O6Zn)的重量；根据先驱液的目标体积，以0.5mol/L的浓度计算C4H10O6Zn的物质的量，进而计算得到C4H10O6Zn的重量；
进一步的，本公开中C4H10O6Zn的浓度不限于0.5mol/L，其浓度范围为0.5mol/L～0.75mol/L。
子步骤S123：确定掺杂剂六水合三氯化铝(AlCl3·6H2O)的重量；以摩尔比例AlCl3·6H2O∶C4H10O6Zn＝0.008∶1计算得到AlCl3·6H2O的物质的量，进而计算得到AlCl3·6H2O的重量；
进一步的，本公开中六水合三氯化铝和二水合乙酸锌的摩尔比为0.008∶1～0.012∶1，优选的，本实施例中，选取六水合三氯化铝和二水合乙酸锌的摩尔比为0.008∶1；
子步骤S124：确定稳定剂乙醇胺(C2H7NO)的体积；以摩尔比例C2H7NO∶C4H10O6Zn＝1∶1计算得到C2H7NO的物质的量，进而计算得到C2H7NO的体积。
子步骤S13：称取各原料物质；
更具体而言，所述子步骤S13包括以下子步骤：
子步骤S131：使用电子天平在药包纸上面称取C4H10O6Zn并将其倒入所述清洗的容器内；
子步骤S132：使用电子天平在药包纸上面称取AlCl3·6H2O并将其倒入装有C4H10O6Zn的容器内；
子步骤S133：使用量筒量取无水乙醇，放入装有C4H10O6Zn和AlCl3·6H2O的容器内；
子步骤S134：在放置C4H10O6Zn、AlCl3·6H2O和无水乙醇的容器内放入磁性搅拌子，以200rpm的转速搅拌；在搅拌状态下，滴入C2H7NO，继续搅拌5min；
子步骤S14：搅拌配制先驱液；在60℃的水浴条件下，搅拌60min得到透明澄清的先驱液。
S2：先驱液的陈化。
将过滤后的先驱液，放入到25℃的恒温器中静置24h，形成稳定的先驱液；
S3：薄膜的制备。
本实施例中采取旋转涂覆法将陈化的先驱液制备成薄膜，但本公开不限于旋转涂覆法，还可为浸渍提拉法及其他可利用陈化的先驱液制备成薄膜的方法，不影响本公开的实现；
更具体而言，所述步骤S3包括以下子步骤：
S31：衬底清洗；
将玻璃衬底分别在酒精、丙酮和酒精中超声清洗各10分钟，再用干燥的氮气吹干，优选的，本实施例中采用美国康宁公司的Eagle XG玻璃，其尺寸为5cm×5cm；
S32：将清洗干燥后的玻璃衬底转移到一个手套箱内，随后放入一台旋转涂覆机的样品台上并固定；
S33：取出陈化后的先驱液，使用滴管按照玻璃衬底的面积吸取0.8mL的先驱液，并滴加在玻璃衬底上；
S34：旋转涂覆法制膜；
更具体而言，所述步骤S34包括以下子步骤：
子步骤S341：首先在5.7s内使旋转涂覆机增速到2000rpm；然后以2000rpm的转速保持5s，再以5s的时间减速至停止；最后将玻璃衬底转移到一个已加热并保温在300℃的电热板上面，干燥10min；
子步骤S342：将子步骤S341中的旋转涂覆和加热过程重复多次，增加膜厚而达到目标膜厚，其中旋转涂覆和加热过程的次数根据所需膜的厚度而定。
S4：两步热处理。
S41：第一步氮气气氛热处理：将子步骤S342中在玻璃衬底上制备的铝掺杂氧化锌薄膜放入一个红外线灯加热炉腔内，以0.8～1L/min的流速向加热炉内导入N2，将薄膜在400℃～650℃的加热炉中保温1h～4h，然后随炉自然冷却低于100℃；
S42：第二步合成气体气氛(97％N2+3％H2)热处理：在步骤S41中的铝掺杂氧化锌薄膜上盖上一个面积比样品略大的玻璃片，将氮气从加热炉中导出后，以0.8～1L/min的流速导入合成气体(97％N2+3％H2)，将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min，然后随炉自然冷却低于100℃；
优选的，本实施例中氮气和合成气体的流速选取为1L/min；
优选的，本实施例中，在步骤中S41中，将导入氮气的加热炉在6.5min内升温至650℃且保温2h；
优选的，本实施例中，在步骤S42中，将导入合成气体(97％N2+3％H2)的加热炉在5min内升温至500℃，并保温5min；
进一步的，合成气体中氮气和氢气的比例不限于上述比例，本实施例中优选为97％的N2和3％的H2；
进一步的，在步骤S42中，薄膜上方盖上一个面积比该薄膜略大的玻璃片是为了减少薄膜表面晶粒在热处理过程中与氢气的接触面积，继而减少晶粒中ZnO的被还原过程而增强晶界处的氧解吸附过程。实验已证明步骤S42中在薄膜表面盖上玻璃片比未盖玻璃片制备的氧化锌透明导电薄膜具有更低的电阻率。
进一步的，以上所有步骤中涉及的温度、转速和时间等参数均不限于上述定值，可在允许的误差范围内进行变换。
通过采用溶胶-凝胶法制备铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，且以无毒的无水乙醇作为溶剂，具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点。
本实施例中制备的ZnO：Al薄膜简称为AZOSG1，现选取一个商业化产品In2O3：Sn(简称为ITO)和一个由本实验室标准射频磁控溅射工艺在美国康宁公司的Eagle XG玻璃衬底上制造的ZnO：Al(被简称为AZOSP1)作为参考样品。ITO、AZOSG1和AZOSP1的性能参数如表1所示。本实施例制备的AZOSG1具备9.89×10-4Ω·cm的电阻率，此电阻率与AZOSP1的电阻率非常接近，因此本实施例中的ZnO：Al薄膜AZOSG1具备良好的导电性能。AZOSG1与ITO具有相似的霍尔迁移率，且具备小于10nm的σrms表面粗糙度，其中，σrms粗糙度指的是由动态模式原子力显微电镜(Dynamic Force Morphology)测得的薄膜表面凹凸轮廓的均方根值，即root-mean-square roughness；另外，AZOSG1的薄膜电阻为23.5Ω/sq，薄膜电阻是由四探针电阻测试仪器在样品表面6个不同位置测得的平均值。
表1三种透明导电薄膜的性能参数
图2为本公开第一实施例中薄膜ITO、AZOSG1、AZOSP1表面的SEM图片。其中，图2中(a)、(b)、(c)分别为ITO、AZOSG1、AZOSP1表面的SEM图片，此形貌图片由扫描电子显微镜拍摄得到。请参考图2，AZOSG1是具有纳米级尺寸晶粒的多晶体，AZOSG1具有比ITO和AZOSP1更细小和更均匀的晶粒，通过测量得出AZOSG1薄膜包括粒径为20nm-30nm的二次晶粒，因此本实施例中的铝掺杂氧化锌导电薄膜具有较为平坦的表面。
图3为本公开第一实施例中制备的ZnO：Al透明导电薄膜和参考透明导电薄膜ITO、AZOSP1的紫外-可见-近红外的透射光谱和吸收光谱。其中，图3中(a)和(b)分别为透射光谱和吸收光谱。请参照图3，在400nm-2500nm的波长范围内，AZOSG1透明导电薄膜的透过率大于ITO和AZOSP1透明导电薄膜的透过率；与参考薄膜ITO和AZOSP1相比，AZOSG1具有最大厚度，但AZOSG1在可见光区域表现出最低的吸收率和最高的透过率，这与AZOSG1薄膜具有相对“蓬松”的结构有关。ITO和AZOSP1薄膜是通过在真空环境下原子级别粒子的传输等过程所形成，因而具有比较致密的结构，而AZOSG1薄膜是通过成膜加热过程中结晶出的纳米级晶粒的层层堆砌和热处理过程中晶界处物质传输过程所形成的。由于热处理温度和时间有限，AZOSG1薄膜与ITO和AZOSP1相比具有相对“蓬松”的结构，即AZOSG1薄膜具有非致密的结构。因此当有光线入射时，光线可通过晶界等空隙处穿过，从而在可见光区域表现出最低的吸收率以及最高的透过率。此外，与ITO和AZOSP1相比，AZOSG1具有最低的载流子浓度，也促使AZOSG1在近红外区域表现出更低吸收率以及最高的透过率。
通过采用上述溶胶凝胶法制备铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的工艺，制备出在可见光区域呈现出高透过率的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，且此工艺无需在真空条件下制备，节约了成本，可广泛应用于液晶显示器、电致发光器件、薄膜太阳能电池等光电子器件。
二、第二实施例
本实施例中铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1-1：溶胶-凝胶先驱液的配置。
更具体而言，所述步骤S1-1包括以下子步骤：
子步骤S11-1：清洗容器；
其中，所述容器首先使用超纯水冲洗三次，再使用酒精超声波清洗5分钟，最后放到干燥器内干燥15分钟；
子步骤S12-1：计算各原料物质的量；
更具体而言，所述子步骤S12-1包括以下子步骤：
子步骤S121-1：确定先驱液的目标体积；所述先驱液的体积即被认为是溶剂无水乙醇的体积；
子步骤S122-1：确定溶质二水合乙酸锌(C4H10O6Zn)的重量；根据先驱液的目标体积，以0.5mol/L的浓度计算C4H10O6Zn的物质的量，进而计算得到C4H10O6Zn的重量；
进一步的，本公开中C4H10O6Zn的浓度不限于0.5mol/L，其浓度范围为0.5mol/L～0.75mol/L。
子步骤S123-1：确定掺杂剂六水合三氯化铝(AlCl3·6H2O)的重量；以摩尔比例AlCl3·6H2O∶C4H10O6Zn＝0.012∶1计算得到AlCl3·6H2O的物质的量，进而计算得到AlCl3·6H2O的重量；
进一步的，本公开中六水合三氯化铝和二水合乙酸锌的摩尔比为0.008∶1～0.012∶1；优选的，本实施例中，选取六水合三氯化铝和二水合乙酸锌的摩尔比为0.012∶1；
子步骤S124-1：确定稳定剂乙醇胺(C2H7NO)的体积；以摩尔比例C2H7NO∶C4H10O6Zn＝1∶1计算得到C2H7NO的物质的量，进而计算得到C2H7NO的体积。
子步骤S13-1：称取各原料物质；
更具体而言，所述子步骤S13-1包括以下子步骤：
子步骤S131-1：使用电子天平在药包纸上面称取C4H10O6Zn并将其倒入所述清洗的容器内；
子步骤S132-1：使用电子天平在药包纸上面称取AlCl3·6H2O并将其倒入装有C4H10O6Zn的容器内；
子步骤S133-1：使用量筒量取无水乙醇，放入装有C4H10O6Zn和AlCl3·6H2O的容器内；
子步骤S134-1：在放置C4H10O6Zn、AlCl3·6H2O和无水乙醇的容器内放入磁性搅拌子，以200rpm的转速搅拌；在搅拌状态下，滴入C2H7NO，继续搅拌5min；
子步骤S14-1：搅拌配制先驱液；在60℃的水浴条件下，搅拌60min得到透明澄清的先驱液。
S2-1：先驱液的陈化。
将过滤后的先驱液，放入到25℃的恒温器中静置24h，形成稳定的先驱液；
S3-1：薄膜的制备。
本实施例中采取旋转涂覆法将陈化的先驱液制备成薄膜，但本公开不限于旋转涂覆法，还可为浸渍提拉法及其他可利用陈化的先驱液制备成薄膜的方法，不影响本公开的实现；
更具体而言，所述步骤S3-1包括以下子步骤：
S31-1：衬底清洗；
将玻璃衬底分别在酒精、丙酮和酒精中超声清洗各10分钟，再用干燥的氮气吹干，优选的，本实施例中采用Soda-lime玻璃，其尺寸为5cm×5cm；
S32-1：将清洗干燥后的玻璃衬底转移到一个手套箱内，随后放入一台旋转涂覆机的样品台上并固定；
S33-1：取出老化后的先驱液，使用滴管按照玻璃衬底的面积吸取0.8mL的先驱液，并滴加在玻璃衬底上；
S34-1：旋转涂覆法制膜；
更具体而言，所述步骤S34-1包括以下子步骤：
子步骤S341-1：首先在5.7s内使旋转涂覆机增速到2000rpm；然后以2000rpm的转速保持5s，再以5s的时间减速至停止；最后将玻璃衬底转移到一个已加热并保温在300℃的电热板上面，干燥10min；
子步骤S342-1：将子步骤S341-1中的旋转涂覆和加热过程重复多次，增加膜厚而达到目标膜厚，其中旋转涂覆和加热过程的次数根据所需膜的厚度而定。
S4-1：两步热处理。
S41-1：第一步氮气气氛热处理：将子步骤S342-1中在玻璃衬底上制备的铝掺杂氧化锌薄膜放入一个红外线灯加热炉腔内，以0.8～1L/min的流速导入N2，将薄膜在400℃～650℃的加热炉中保温1h～4h，然后随加热炉自然冷却低于100℃；
S42-1：第二步合成气体气氛(97％N2+3％H2)热处理：在步骤S41-1中的铝掺杂氧化锌薄膜上盖上一个面积比样品略大的玻璃片，将氮气从加热炉中导出后，以0.8～1L/min的流速导入合成气体(97％N2+3％H2)，将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min，然后随炉自然冷却低于100℃；
优选的，本实施例中氮气和合成气体的流速选取为1L/min；
优选的，本实施例中，在步骤中S41-1中，将导入氮气的加热炉在20min内升温至400℃且保温2h；
优选的，本实施例中，在步骤S42-1中，将导入合成气体(97％N2+3％H2)的加热炉在5min内升温至500℃，并保温5min；
进一步的，合成气体中氮气和氢气的比例不限于上述比例，本实施例中优选为97％的N2和3％的H2；
进一步的，以上所有步骤中涉及的温度、转速和时间等参数均不限于上述定值，可在允许的误差范围内进行变换。
本实施例制备的ZnO：Al薄膜被简称为AZOSG2，现选取一个由实验室标准射频磁控溅射工艺在Soda-lime玻璃衬底上制造的ZnO：Al薄膜(简称为AZOSP2)作为参考样品。AZOSG2的薄膜电阻为16.4±1.0Ω/sq(厚度为1557nm)，而AZOSP2的薄膜电阻为18.0±5.0Ω2/sq(厚度为434nm)，AZOSG2的薄膜具有更好的导电性能。
图4为本公开第二实施例中铝掺杂氧化锌透明导电薄膜AZOSG2的表面形貌图片，此形貌图通过动态模式原子力显微电镜拍摄得到。AZOSG2薄膜的表面粗糙度σrms为2.1nm，此粗糙度小于第一实施例中的ITO和AZOSP1导电薄膜的粗糙度，AZOSG2薄膜为包含多个纳米级尺寸晶粒的多晶体，其晶粒的粒径尺寸更细小均匀，粒径尺寸大小约为20nm，因此其具有比AZOSG1薄膜更为平坦的表面。
图5为本公开第二实施例中制备的AZOSG2和AZOSP2透明导电薄膜的紫外-可见-近红外的透射光谱与吸收光谱，其中，图5中(a)和(b)分别为透射光谱和吸收光谱。请参照图5，在400nm-2500nm的波长范围内AZOSG2表现出比AZOSP2更高的透过率和更低的吸收率，虽然AZOSG2具有更大的厚度，却表现出比AZOSP2更高的透过率和更低的吸收率，这同样与AZOSG2薄膜具有非致密的结构有关。由于制备AZOSG2的过程中采用更低的热处理温度，所以AZOSG2表面具有比AZOSG1更小的晶粒和更多的晶界，因而得到很高的透过率。
通过采用本公开第一实施例中制备的AZOSG1或本公开第二实施例中制备的AZOSG2透明导电薄膜作为阳电极，制作了一种非晶硅(a-Si：H)单结薄膜太阳能电池，由于本公开制备的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具有很高的透过率，因此AZOSG1和AZOSG2透明电极都实现了大约7％的光电转换效率。该非晶硅单结薄膜太阳能电池从下到上依次包括：玻璃衬底、阳电极AZOSG1或阳电极AZOSG2、ZnO：Al缓冲层(20nm)、p-i-n a-Si：H吸收层、硼掺杂氧化锌(ZnO：B)背散射层、金属电极。其中所述p-i-n a-Si：H吸收层采用等离子体增强型化学气相沉积法制备；所述ZnO：Al缓冲层采用射频磁控溅射法制备；ZnO：B背散射层采用金属有机化学气相沉积法制备。图6为采用AZOSG1和AZOSG2透明导电薄膜作为阳电极制作的非晶硅单结薄膜太阳能电池的电压与电流密度的曲线。实验结果表明AZOSG2由于具备更低的薄膜电阻，所以实现了更低的串联电阻。从图6可以看出，AZOSG2电极实现了0.91V的开路电压，略高于AZOSG1电极。这是由于AZOSG2具有更小的表面粗糙度，即更平坦的表面，在电池制备过程中形成了更高质量的吸收层，减少了缺陷的形成，因此实现了更高的开路电压。
本公开利用铝掺杂氧化锌透明导电薄膜制备的薄膜太阳能电池，不限于非晶硅单结薄膜太阳能电池，还可以为钙钛矿薄膜太阳能电池或有机薄膜太阳能电池等其他种类的薄膜太阳能电池，不影响本公开的实现。本公开所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜还可应用于液晶显示器、电致发光器件和智能玻璃等领域。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池有了清楚的认识。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单的更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。
综上所述，本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，乙醇胺为稳定剂，配置溶胶-凝胶的先驱液，利用陈化的先驱液制成薄膜，并加以两步热处理工艺，制备了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，并且通过此方法得到的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及平坦的表面，该薄膜可作为阳电极用于制备薄膜太阳能电池，还可广泛应用于液晶显示器、电致发光器件等光电子器件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：
以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；
利用所述先驱液在衬底上形成薄膜；
将所述薄膜在氮气气氛进行热处理；以及
将所述薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理，包括：
将薄膜放置在导入97％的氮气和3％的氢气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述97％的氮气和3％的氢气的合成气体导入加热炉的流速为0.8～1L/min；将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min的步骤之前，还包括：
在所述薄膜表面放置一个玻璃片，该玻璃片的面积大于该薄膜的面积。
2.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，所述二水合乙酸锌的浓度为0.5～0.75mol/L。
3.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，所述先驱液还包含稳定剂乙醇胺，所述二水合乙酸锌和乙醇胺的摩尔比为1∶1。
4.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，所述二水合乙酸锌和六水合三氯化铝的摩尔比为0.008∶1～0.012∶1。
5.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，在将所述薄膜在氮气气氛进行热处理的步骤中，
将薄膜放入一导入氮气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在400℃～650℃的加热炉中保温1h～4h，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述氮气导入加热炉的流速为0.8～1L/min。
6.一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其采用权利要求1到5中任一项所述的氧化锌透明导电薄膜制备方法形成。
7.根据权利要求6所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其中，所述铝掺杂氧化锌透明导电薄膜为包含多个晶粒的多晶体，所述晶粒的粒径为20～30nm。
8.一种薄膜太阳能电池，包括阳电极，所述阳电极为权利要求7所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。
CN201710877957.8A 2017-09-25 2017-09-25 铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池 Active CN107768022B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710877957.8A CN107768022B (zh) 2017-09-25 2017-09-25 铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710877957.8A CN107768022B (zh) 2017-09-25 2017-09-25 铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107768022A CN107768022A (zh) 2018-03-06
CN107768022B true CN107768022B (zh) 2019-05-10

Family

ID=61266514

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710877957.8A Active CN107768022B (zh) 2017-09-25 2017-09-25 铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107768022B (zh)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101560059B (zh) * 2009-05-27 2012-09-12 中南大学 掺铝氧化锌涂膜和纳米棒阵列材料及其制备方法
CN102923758B (zh) * 2012-11-27 2015-03-18 中国科学院广州能源研究所 一种铝重掺杂氧化锌纳米粉体的制备方法
CN103413842B (zh) * 2013-07-11 2016-05-04 长沙理工大学 一种A1掺杂ZnO透明导电微/纳米线阵列膜及其制备方法
CN103451637A (zh) * 2013-08-28 2013-12-18 深圳市亚太兴实业有限公司 掺铝氧化锌薄膜及其制备方法
CN104821206A (zh) * 2015-03-24 2015-08-05 河南师范大学 一种提高铝掺杂氧化锌透明导电薄膜导电性的方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107768022A (zh) 2018-03-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lee et al. Fabrication of tin oxide film by sol–gel method for photovoltaic solar cell system
Lee et al. Electrical and optical properties of ZnO transparent conducting films by the sol–gel method
Joseph et al. Optical and electrical properties of zinc oxide films prepared by spray pyrolysis
Reda Synthesis of ZnO and Fe2O3 nanoparticles by sol–gel method and their application in dye-sensitized solar cells
CN107068872B (zh) 一种制备钙钛矿Cs3Bi2I9薄膜电池的方法
Dang et al. Utilization of AZO/Au/AZO multilayer electrodes instead of FTO for perovskite solar cells
Hirahara et al. Preparation of Al-doped ZnO thin films as transparent conductive substrate in dye-sensitized solar cell
CN105679936A (zh) 一种无铅钙钛矿薄膜、其制备方法及应用
CN105895807B (zh) 一种掺杂TiO2薄膜的制备方法
CN108321239A (zh) 一种太阳能异质结电池及其制备方法
Paeng et al. Transparent conductive characteristics of Ti: ITO films deposited by RF magnetron sputtering at low substrate temperature
Wang et al. Highly transparent and conductive γ-CuI films grown by simply dipping copper films into iodine solution
CN107482121B (zh) 一种基于磁场调控的钙钛矿薄膜的制备方法
CN108511633A (zh) 一种无机钙钛矿发光二极管及其制备方法
CN106191775A (zh) 一种透明导电薄膜及其制备方法和应用
CN106746724B (zh) 一种氧化钼电致变色纳米薄膜及其制备方法
CN107887510A (zh) 一种二维层状钙钛矿薄膜、太阳能电池及其制备方法
CN111739961B (zh) 基于有序SnO2纳米棒阵列的无机钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN104051628A (zh) 有机/无机杂化钙钛矿薄膜的制备方法及其薄膜的用途
CN108101381A (zh) 一种铋基卤化物钙钛矿纳米片及其制备方法
CN104795456A (zh) 电沉积法制备三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料的方法
CN113314672A (zh) 一种钙钛矿太阳能电池及其制备方法
Kiruthiga et al. DSSCs: a facile and low-cost MgSnO 3-based transparent conductive oxides via nebulized spray pyrolysis technique
Onwona-Agyeman et al. Preparation and characterization of sputtered aluminum and gallium co-doped ZnO films as conductive substrates in dye-sensitized solar cells
Wang et al. Preparation of ZnO: Al thin film on transparent TPT substrate at room temperature by RF magnetron sputtering technique

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant