CN109207925A - 用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，本发明涉及透明导电氧化物薄膜技术领域；以低掺杂比例三氧化二铝和氟化镁共掺杂氧化锌为靶材；在去离子水中混入电子清洗液，利用超声清洗机对玻璃衬底清洗10min，然后再放入去离子水中超声清洗10min，最后用N2吹干；将清洗干净的玻璃衬底放入真空腔室，然后对腔室进行抽真空处理，待真空度小于5×10‑5Pa，向腔室通入氩气，调节腔内溅射气压，达到预设值；开启溅射电源进行预溅射处理5min，然后开始在玻璃衬底沉积ZnO薄膜。提高薄膜在紫外和近红外区域的透过率，该ZnO薄膜具有低电阻率、高宽光谱透过率、性能稳定的特点。
Description
技术领域
本发明涉及透明导电氧化物薄膜技术领域，具体涉及用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法。
背景技术
透明导电氧化物薄膜因其独特的光学透过和良好的导电特性，作为电极材料被广泛地用于硅基、铜铟镓硒(CIGS)、碲化镉(CdTe)以及钙钛矿等薄膜太阳电池，是整个电池不可或缺的部分。这就要求它们：①在太阳电池可利用的光谱范围内有高的透过率，用以增加电池吸收层对入射光的利用率，提高电池的短路电流密度；②高电导率，减小电池的串联电阻提高电池的转换效率；③无毒、廉价、原材料丰富、易于制备，性能稳定。目前，常用的TCO薄膜有Sn掺杂In2O3(ITO)、F掺杂SnO2(FTO)，以及掺杂的ZnO薄膜。其中，ITO和FTO薄膜应用比较广泛。但是，不足之处在于：In、Sn有毒、且地壳储量稀缺、价格昂贵。相比之下，掺杂ZnO薄膜具有电阻率低、可见光透过率高、价格低廉、资源丰富、无毒等优点，有望成为ITO等薄膜的替代材料。人们已经对B掺杂ZnO(BZO)、Al掺杂ZnO(AZO)和Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜进行了广泛的研究，制备了可见光区透过率高、电阻率较低(～10-4Ωcm)的ZnO薄膜，作为电极材料被成功的用于Si基和CIGS薄膜太阳电池。
但是，上述ZnO薄膜在追求高电导的同时，而忽视了因高自由载流子浓度所导致的对近红外波段光吸收、反射增加，透过率降低的问题，这势必影响到它们在宽光谱高效叠层太阳电池中的应用。此外，ZnO薄膜的光学带隙只有3.37eV，使得其对紫外波段光的吸收增大，透过率较低，制约了其在钙钛矿等对紫外光比较敏感的薄膜太阳电池中的应用。因此，结合ZnO薄膜无毒、廉价、储量丰富等优点，如何在保持高电导的前提下，提高薄膜迁移率，展宽透过窗口(同时扩展短波和长波透过率)，以及提高ZnO薄膜高温稳定性，对于提升薄膜太阳电池的转换效率、降低生产成本具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理、操作方便的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其依靠提高载流子迁移率而非增加载流子浓度来改善薄膜的导电能力，同时借助等电子材料Mg的掺杂展宽ZnO薄膜的光学带隙，提高薄膜在紫外和近红外区域的透过率，该ZnO薄膜具有低电阻率、高宽光谱透过率、性能稳定的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它的操作步骤如下：
1、以低掺杂比例三氧化二铝(Al2O3)和氟化镁(MgF2)共掺杂氧化锌(ZnO)为靶材；
2、在去离子水中混入电子清洗液，利用超声清洗机对玻璃衬底清洗10min，然后再放入去离子水中超声清洗10min，最后用N2吹干；
3、将清洗干净的玻璃衬底放入真空腔室，然后对腔室进行抽真空处理，待真空度小于5×10-5Pa，向腔室通入氩气，调节腔内溅射气压，达到预设值；
4、开启溅射电源进行预溅射处理5min，然后开始在玻璃衬底沉积ZnO薄膜。
进一步地，所述的低掺杂比例三氧化二铝(Al2O3)和氟化锌(MgF2)共掺杂氧化锌靶材中的Al2O3、MgF2与ZnO的质量比分别为0.25～1％和0.5～2％。
进一步地，所述的共掺杂氧化锌靶材为三氧化二铝(Al2O3)和氟化锌(MgF2)共掺杂的氧化锌陶瓷靶。
进一步地，所述的衬底材料为玻璃、蓝宝石、石英中的一种。
进一步地，所述的衬底温度为200℃～500℃。
进一步地，所述氩气的流量为20～80sccm，溅射气压0.3～1.0Pa。
进一步地，所述磁控溅射等物理沉积技术为射频磁控溅射、脉冲直流磁控溅射、脉冲激光沉积、电子束蒸发等技术。
进一步地，所述氧化锌薄膜的厚度为0.3～2m，迁移率～0cm2/Vs，载流子浓度>2×1020cm-3，电阻率～10-4cm，方块电阻2～10/□，380-1200nm平均透过率大于90％。
进一步地，所述高效薄膜太阳电池为硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等单结及多结叠层薄膜太阳电池中的一种或多种。
本发明的工作原理：利用三种功能元素F、Al、Mg共掺杂制备ZnO薄膜，利用掺杂的F和Al分别对导电和价带掺杂各自提供载流子，在不牺牲氧化锌透明导电薄膜载流子浓度的基础上通过提高薄膜载流子迁移率，同时借助Mg掺杂扩展ZnO薄膜的光学带隙并借助氟电负性强、键合稳定的特性不仅有效的提高了薄膜的导电能力，扩展了薄膜在紫外和长波区域的透过率，提高氧化锌透明导电薄膜的稳定性；基于该低浓度氟、铝与镁共掺杂氧化锌透明导电薄膜优良的导电能力、宽光谱透过能力和稳定特性，使其可以作为电极材料应用到有硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒、机太阳电池、染料敏化、钙钛矿等薄膜太阳电池。
采用上述方法后，本发明有益效果为：
1、通过采用低掺杂比例的非金属元素F、金属元素Al和Mg共掺杂的方式，借助F和Al分别替换ZnO薄膜中O和Al的位置分别提供载流子，Mg掺杂扩展ZnO薄膜光学带隙的方式，克服以往AZO、GZO、FZO等薄膜依靠单一元素重掺杂的方式虽然维持了载流子浓度不变，但是载流子迁移率较低、长波吸收反射增大、透过率较低和光学带隙相对较窄的不足；
2、借助F、Al、Mg阴阳离子分别对ZnO的导带和价带共掺杂，在载流子浓度不变的情况下减少了单一能带变化对载流子迁移率的影响，提升了薄膜的迁移率、降低了薄膜的电阻率、扩展了薄膜在可见-近红外区域的透过率；
3、借助等电子材料Mg掺杂ZnO薄膜，扩展了薄膜在紫外区域的透过率；
4、F电负性强，化学特性稳定，在有效改善ZnO薄膜光电特性的基础上进一步增加了ZnO薄膜的稳定性；
5、进一步对制备的ZnO薄膜进行后退火处理，进一步提高薄膜载流子迁移率、增加薄膜载流子浓度、改善薄膜导电能力和扩展薄膜的宽光谱透过能力，进一步提升薄膜太阳电池的转换效率、降低电池的生产成本。
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是实例二的光学透过图。
图2为实例三的X射线衍射图。
图3为实例四与ITO、FTO和AZO薄膜光学透过图(空气参比).
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
本具体实施方式(实施例一)采用的技术方案是：采用三氧化二铝(Al2O3)和氟化镁(MgF2)共掺杂氧化锌(ZnO)薄膜，掺杂质量比为1:0.75:98.25。步骤如下：
1)将清洗后的玻璃衬底置于溅射腔室中；
2)将溅射腔室抽真空，本底真空为4.9×10-5Pa，采用高纯氩气作为工作气体，氩气流量为30sccm，溅射气压0.8Pa；电极间距50mm、溅射功率180W、衬底温度400℃，在玻璃衬底上制备薄膜厚度1050.1nm的氧化锌透明导电薄膜；
3)测试结果显示：该氧化锌透明导电薄膜的迁移率为30.49cm2/Vs，载流子浓度3.46×1020cm-3，电阻率为5.91×10-4cm。
实施例二：
参看图1，本实施例采用三氧化二铝(Al2O3)和氟化镁(MgF2)共掺杂氧化锌(ZnO)薄膜，掺杂质量比为1:0.75:98.25。步骤如下：
1)将清洗后的玻璃衬底置于溅射腔室中；
2)将溅射腔室抽真空，本底真空为4.9×10-5Pa，采用高纯氩气作为工作气体，氩气流量为30sccm，溅射气压0.8Pa；电极间距50mm、溅射功率180W、衬底温度440℃，在玻璃衬底上制备薄膜厚度1009.1nm的氧化锌透明导电薄膜；
3)测试结果显示：该氧化锌透明导电薄膜的迁移率为30.25cm2/Vs，载流子浓度3.49×1020cm-3，电阻率为5.91×10-4cm。
实施例三：
参看图2，本实施例采用三氧化二铝(Al2O3)和氟化镁(MgF2)共掺杂氧化锌(ZnO)薄膜，掺杂质量比为1:0.75:98.25。步骤如下：
1)将清洗后的玻璃衬底置于溅射腔室中；
2)将溅射腔室抽真空，本底真空为4.9×10-5Pa，采用高纯氩气作为工作气体，氩气流量为30sccm，溅射气压0.8Pa；电极间距50mm、溅射功率180W、衬底温度400℃，在玻璃衬底上制备薄膜厚度1223.6nm的氧化锌透明导电薄膜；
3)测试结果显示：该氧化锌透明导电薄膜的迁移率为34.4cm2/Vs，载流子浓度3.15×1020cm-3，电阻率为5.77×10-4cm。
实施例四：
参看图3，本实施例采用三氧化二铝(Al2O3)和氟化镁(MgF2)共掺杂氧化锌(ZnO)薄膜，掺杂质量比为1:0.75:98.25。步骤如下：
1)将清洗后的玻璃衬底置于溅射腔室中；
2)将溅射腔室抽真空，本底真空为4.9×10-5Pa，采用高纯氩气作为工作气体，氩气流量为30sccm，溅射气压0.8Pa；电极间距50mm、溅射功率180W、衬底温度400℃，在玻璃衬底上制备薄膜厚度593nm的氧化锌透明导电薄膜；
3)测试结果显示：该氧化锌透明导电薄膜的电阻率为5.93×10-4cm。
采用上述方法后，本具体实施方式有益效果为：本具体实施方式所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其依靠提高载流子迁移率而非增加载流子浓度来改善薄膜的导电能力，同时借助等电子材料Mg的掺杂展宽ZnO薄膜的光学带隙，提高薄膜在紫外和近红外区域的透过率，该ZnO薄膜具有低电阻率、高宽光谱透过率、性能稳定的特点。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：它的操作步骤如下：
(1)、以低掺杂比例三氧化二铝和氟化镁共掺杂氧化锌为靶材；
(2)、在去离子水中混入电子清洗液，利用超声清洗机对玻璃衬底清洗10min，然后再放入去离子水中超声清洗10min，最后用N2吹干；
(3)、将清洗干净的玻璃衬底放入真空腔室，然后对腔室进行抽真空处理，待真空度小于5×10-5Pa，向腔室通入氩气，调节腔内溅射气压，达到预设值；
(4)、开启溅射电源进行预溅射处理5min，然后开始在玻璃衬底沉积ZnO薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的低掺杂比例三氧化二铝和氟化锌共掺杂氧化锌靶材中的Al2O3、MgF2与ZnO的质量比分别为0.25～1％和0.5～2％。
3.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的共掺杂氧化锌靶材为三氧化二铝和氟化锌共掺杂的氧化锌陶瓷靶。
4.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的衬底材料为玻璃、蓝宝石、石英中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述的衬底温度为200℃～500℃。
6.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述氩气的流量为20～80sccm，溅射气压0.3～1.0Pa。
7.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述氧化锌薄膜的厚度为0.3～2m，迁移率～0cm2/Vs，载流子浓度>2×1020cm-3，电阻率～10-4cm，方块电阻2～10/□，380-1200nm平均透过率大于90％。
8.根据权利要求1所述的用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：所述高效薄膜太阳电池为硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒、钙钛矿等单结及多结叠层薄膜太阳电池中的一种或多种。
9.用于高效薄膜太阳电池的氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其特征在于：它的工作原理：利用三种功能元素F、Al、Mg共掺杂制备ZnO薄膜，利用掺杂的F和Al分别对导电和价带掺杂各自提供载流子，在不牺牲氧化锌透明导电薄膜载流子浓度的基础上通过提高薄膜载流子迁移率，同时借助Mg掺杂扩展ZnO薄膜的光学带隙并借助氟电负性强、键合稳定的特性不仅有效的提高了薄膜的导电能力，扩展了薄膜在紫外和长波区域的透过率，提高氧化锌透明导电薄膜的稳定性；基于该低浓度氟、铝与镁共掺杂氧化锌透明导电薄膜优良的导电能力、宽光谱透过能力和稳定特性，使其可以作为电极材料应用到有硅基薄膜、碲化镉、铜铟镓硒、机太阳电池、染料敏化、钙钛矿等薄膜太阳电池。
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