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CN107217232A - 一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法 - Google Patents

一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法 Download PDF

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CN107217232A CN201710370997.3A CN201710370997A CN107217232A CN 107217232 A CN107217232 A CN 107217232A CN 201710370997 A CN201710370997 A CN 201710370997A CN 107217232 A CN107217232 A CN 107217232A
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王延峰
孟旭东
韩冰
褚润增
冯浩
牛国振
南景宇
杨富
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Hebei North University
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Abstract

本发明公开了一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，通过采用难溶于酸、碱的高价态金属元素氧化物掺杂氧化锌(ZnO)为靶材，采用磁控溅射技术，以氩气(Ar)和氢气(H2)为溅射气体，实现高价态金属元素与氢(H)共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备。本发明有益的效果是：制备的ZnO薄膜具有低电阻率、宽光谱透过和抗酸碱腐蚀能力；可以有效的改善ZnO透明导电薄膜耐酸碱腐蚀能力差、不适合作为染料敏化、有机等具有一定腐蚀性的太阳电池电极材料的缺点。从而，可以进一步扩展ZnO透明导电薄膜的应用领域，降低电池的生产成本。

Description

一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳电池制造技术领域，具体涉及一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法。
背景技术
随着社会的发展，人类对能源的需求将越来越多。在传统的化石能源使用过程中不仅面临着储量日趋减少的问题，还在使用过程中对环境造成了巨大的污染。所以，追求和使用清洁的、可再生的新能源成为当今人类共同关注的话题。太阳能作为一种绿色的清洁能源具有取之不尽、用之不竭的优势，被誉为最理想的绿色能源。太阳电池是一种直接把太阳能转换成电能的装置，具有广阔的应用前景。但是，目前光伏产业发展面临的最大问题在于：发电成高于传统的能源，其中电池组件的成本已占据系统价格的50％以上，因此开发高效、低成本、长寿命的太阳电池成为全世界研究的热点。目前占据国际光伏市场份额90％以上的产品均为晶体硅电池。但是，硅材料在生产过程中能耗比较大，以及晶体硅电池对原材料消耗大的缺点严重的制约着它们的发展。近年来，薄膜太阳电池以成本低、材料消耗少的优势受到越来越多的重视。主要的薄膜太阳电池包括硅基薄膜太阳电池、碲化镉太阳电池、铜铟镓硒太阳电池、有机太阳电池、染料敏化太阳电池以及最近发展迅速的钙钛矿太阳电池等。作为上述薄膜太阳电池的电极材料，透明导电氧化物(TCO)薄膜是不可或缺的部分，其光、电及稳定性成为影响电池转换效率的一个重要的因素。目前常用的TCO薄膜有Sn掺杂In2O3薄膜(In2O3：Sn，ITO)、F掺杂SnO2薄膜(SnO2：F，FTO)以及Al、Ga等掺杂的ZnO薄膜。虽然，ITO和FTO的光电性能较优，但是受其主要成分In、Sn等原材料稀缺和毒性的制约，它们的大规模应用受到限制。ZnO薄膜以原材料丰富，无毒、掺杂后可见光区透过率高、导电性能优良的特性得到了广泛的研究，被认为是ITO的替代材料。
在Si基薄膜太阳电池中，为了增加电池吸收层对入射光的利用率，通常会在薄膜表面引入一定的绒面结构，利用其对入射光的散射增加光在吸收层中的光程。由于ZnO薄膜具有易于通过酸、碱溶液腐蚀制备出一定绒面结构和在H等离子体环境中性能稳定的特性，已经作为电极材料广泛的应用在Si基薄膜太阳电池中。但是，对于有机、染料敏化以及钙钛矿等采用溶液法制备的太阳电池而言，由于制备的溶液具有一定的腐蚀性，这就限制了ZnO作为电极材料在上述电池中的应用。因此，在维持高电导和高透过的基础上，如何提高ZnO薄膜的化学稳定性对于扩展ZnO透明导电薄膜在太阳能电池领域的应用范围，对于降低电池的生产成本具有重要的研究意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，可有效的提高氧化锌薄膜的耐酸、碱腐蚀能力，实现ZnO透明导电薄膜作为电极材料在有机、染料敏化以及钙钛矿等采用溶液法制备的太阳电池中的应用，以达到降低电池生产成本的效果。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，包括如下步骤：
S1、将衬底依次在电子清洗液、去离子水中进行超声清洗，然后用氮气吹干；
S2、将干净的衬底放入溅射腔室，然后对溅射腔室抽真空，待真空度达到5×105Pa时，分别向溅射腔室通入氩气和氢气作为溅射气体，并通过闸板阀和混合气体流量对腔内气压进行调控；
S3、待腔室内的氩气稳定后，以高价态元素掺杂氧化锌为溅射靶材，采用磁控溅射技术在室温下进行氧化锌透明导电薄膜沉积，制备具有低电阻率、宽光谱透过且耐酸碱腐蚀的氧化锌透明导电薄膜。
其中，所述的高价态元素掺杂氧化锌为难溶于酸、碱溶液的高价态金属氧化物。
其中，所述的衬底为玻璃或聚酰亚胺等柔性材料。
其中，所述的衬底温度为25℃至350℃。
其中，所述氩气的流量为20-100sccm，氢气的流量为0.2-30sccm，氢气流量占溅射气体总流量的0.6％-20％，溅射气压0.2-1.0Pa。
其中，所述高价态元素掺杂氧化锌陶瓷靶材为ZnO：Nb2O5或ZnO：V2O5等。
其中，所述磁控溅射制备技术为脉冲直流磁控溅射或射频磁控溅射。
其中，所述氧化锌透明导电薄膜的厚度为1-2μm，400-1400nm平均透过率85％以上，方块电阻10-15Ω/□，电阻率10-4-10-3Ωcm。
本发明具有以下有益效果：
通过采用难溶于酸、碱的高价态元素掺杂氧化锌为靶材，同时在溅射气氛中引入氢气，利用氢与高价态元素共掺杂的方式，实现了低电阻率、高透过率和化学稳定性较强的氧化锌透明导电薄膜的制备；制备的氧化锌透明导电薄膜在400-1400nm平均透过率高于85％，方块电阻为10-15Ω/□，电阻率为10-4-10-3Ωcm；该薄膜可应用于有机太阳电池、染料敏化以及钙钛矿等太阳电池，有利于提高电池的转换效率，降低电池的生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1所得的氧化锌透明导电薄膜的透过谱。
图2为本发明实施例1所得的氧化锌透明导电薄膜的X射线衍射谱。
图3为本发明实施例1所得的氧化锌透明导电薄膜在HCl和NaOH腐蚀溶液中方块电阻随腐蚀时间变化关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所述本发明的
实施例1
一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，采用射频磁控溅射技术制备，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，采用氩气与氢气混合气氛溅射，氩气流量为28.8sccm，氢气流量为1.2sccm，氢气流量占溅射气体流量的4％，溅射气压0.13Pa；
3)采用ZnO：Nb2O5陶瓷靶材进行磁控溅射镀膜，其中Nb2O5掺杂的质量比为2％，磁控溅射镀膜的工艺参数为：电极间距50mm、溅射功率180W、沉积时间28分钟，在玻璃衬底上制备的薄膜厚度为955.7nm的氧化锌透明导电薄膜。
测试结果显示：该氧化锌透明导电薄膜的方块电阻为13.42Ω/□，迁移率为25.32cm2/Vs，电阻率为1.282×10-3Ωcm。
综上，本具体实施在不牺牲氧化锌透明导电薄膜电学特性的同时，不仅有效的扩展了薄膜在长波区域的透过率，还提高了氧化锌透明导电薄膜的化学稳定性。由于该氧化锌透明导电薄膜同时具有化学稳定性好、低电阻率和宽光谱透过特性，使其可以作为电极材料应用到有机太阳电池、染料敏化、钙钛矿等太阳电池，从而有利于提高电池的转换效率和降低生产成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将衬底依次在电子清洗液、去离子水中进行超声清洗，然后用氮气吹干；
S2、将干净的衬底放入溅射腔室，然后对溅射腔室抽真空，待真空度达到5×105Pa时，分别向溅射腔室通入氩气和氢气作为溅射气体，并通过闸板阀和混合气体流量对腔内气压进行调控；
S3、待腔室内的气压稳定后，以难溶于酸、碱的高价态元素掺杂氧化锌为溅射靶材，采用磁控溅射技术在室温下进行氧化锌透明导电薄膜沉积，制备具有低电阻率、宽光谱透过且耐酸碱腐蚀的氧化锌透明导电薄膜。
2.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述的高价态元素掺杂氧化锌为难溶于酸、碱溶液的高价态金属氧化物。
3.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述的衬底为玻璃或聚酰亚胺。
4.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述的衬底温度为25℃至350℃。
5.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述氩气的流量为20-100sccm，氢气的流量为0.2-30sccm，氢气流量占溅射气体总流量的0.6％-20％，溅射气压0.2-1.0Pa。
6.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述高价态元素掺杂氧化锌陶瓷靶材为ZnO：Nb2O5或ZnO：V2O5。
7.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述磁控溅射制备技术为脉冲直流磁控溅射或射频磁控溅射。
8.根据权利要求1所述一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法，其特征在于：所述氧化锌透明导电薄膜的厚度为1-2μm，400-1400nm平均透过率85％以上，方块电阻10-15Ω/□，电阻率10-4-10-3Ωcm。
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