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一种具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法

阅读:1020发布:2020-11-04

专利汇可以提供一种具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开的一种具有高绒度的FZO透明导电 薄膜 的制备方法,包括如下步骤:1)采用磁控 溅射法 制备氟掺 氧 化锌薄膜;2)将步骤1)的FZO薄膜浸入体积浓度为0.01~1.0%的 腐蚀 性溶液中 刻蚀 ,取出后清洗并干燥;3)将经步骤2)处理的FZO薄膜再放入 磁控溅射 设备生长室中,进行等离子刻蚀10-30min,获得具有高绒度的FZO薄膜。本发明采用磁控溅射法结合湿化学刻蚀、等离子刻蚀的方法制备FZO透明导电薄膜,所获得的薄膜具有较高的绒度,且电学性能明显提高,有利于其在 太阳能 电池 中的应用,此外,本发明的制备方法工艺简单,重复性好,适用于大面积生长。,下面是一种具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法专利的具体信息内容。

1.一种具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
1)制备氟掺化锌薄膜:将洁净的衬底放入磁控溅射设备生长室内,以Zn1-xFxO陶瓷靶-6
为靶材,0真空至真空度至少为5×10 Torr,加热衬底至25~500℃,向生长室中通入Ar,并调节生长气压至1~20mTorr,溅射功率为50~200W,生长15~60min,获得FZO薄膜;
2)湿化学刻蚀:将步骤1)的FZO薄膜浸入体积浓度为0.01 ~ 1.0 %的腐蚀性溶液中保持1~60s,取出后清洗并干燥;
3)等离子刻蚀:将经步骤2)处理的FZO薄膜放入磁控溅射设备生长室中,抽真空至真-6
空度至少为5×10 Torr,加热衬底至20~200℃,向生长室内按流量比为100:5-30通入Ar和H2,调节工作气压至10~50Pa,溅射功率为20-100W,进行等离子刻蚀10-30min,获得具有高绒度的FZO薄膜。
2.根据权利要求1的具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法,其特征在于所述的衬底为玻璃、石英玻璃、片、PC、PET、PI或PMMA。
3.根据权利要求1的具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法,其特征在于步骤2)中所述的腐蚀剂溶液为HCl溶液、HF溶液、NaOH溶液、HNO3溶液或NH4Cl溶液。

说明书全文

一种具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种FZO透明导电薄膜的制备方法,尤其涉及一种具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法。
[0002]

背景技术

[0003] 目前,一般用SnO2:F(FTO)透明导电薄膜作为多晶或者非晶Si太阳能电池器件的前电极,通常会通过一定的腐蚀处理使FTO层具备一定的绒面效果,以此来增强光在电池器件中的散射,从而提高光的利用率。但是对于该种太阳能电池器件,目前仍存在一个重大的缺陷,即:在高氢稀释的等离子体作用下,易被原子氢还原,大大降低透明导电膜的透过率,从而会显著降低电池器件的性能。
[0004] 为了解决这一问题,新的透明导电膜开始被研究,以代替FTO在电池器件中的应用。目前较为理想的半导体材料是氧化锌,氧化锌不仅在氢气等离子体条件下很稳定,而且其透光率和电学性能都非常优异。基于上述两方面的优势,ZnO基薄膜完全能够与FTO相媲美,甚至更佳。本征氧化锌的主要问题是电导率不够高。为了解决这一问题,人们采用掺杂的方法来增加其电导率。常用的掺杂元素是Al、Ga、In、B、F等。
[0005] 理论研究表明,F是ZnO的一种良好的n型掺杂剂,FO的施主能级距导带底仅为0.08eV,比Al(0.12eV)更小。由ZnO的能带结构可知,价带最高能级主要是由O2p轨道组成,当F以替位形式占据O格点时主要是对价带产生微扰,对导带电子的散射作用小,有利于提高电子迁移率。另外,不像ZnO的金属阳离子掺杂,F是非电学活性的,其扩散到a-Si:H薄膜中不会恶化太阳能电池的性能,表明掺F的ZnO(FZO)透明导电薄膜更适合于在a-Si:H薄膜太阳能电池中应用。对于金属掺杂的 ZnO 薄膜来说,其等离子体频率相对较低(因为载流子浓度高)所以对于波长通常在 1000nm 的光波,都会出现明显的吸收,导致透过率下降,使得其在太阳电池中的应用前景受到影响。而 ZnO:F 对应的等离子波长为
2μm,因此用 ZnO:F 材料制备的透明导电薄膜在2000nm 处仍有较高的透过率。
[0006] 为了提高ZnO基太阳能器件的性能,必须通过刻蚀方法增强ZnO表面的粗糙度。一般常用的腐蚀剂包括HF、HCl、HNO3、NaOH、NH4Cl等,但是这样得到FZO薄膜虽然绒度增加,但是电学性能会出现较大幅度的下降,因此有必要采用新的方法来提高ZnO基薄膜的绒面效果,使其在提高散射能的同时仍具有较高的电学性能。
[0007]

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种电学性能良好且工艺简单的具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法。
[0009] 本发明的具有高绒度的FZO透明导电薄膜的制备方法,包括如下步骤:1)制备氟掺氧化锌薄膜:将洁净的衬底放入磁控溅射设备生长室内,以Zn1-xFxO陶瓷靶为靶材,-60真空至真空度至少为5×10 Torr,加热衬底至25~500℃,向生长室中通入Ar,并调节生长气压至1~20mTorr,溅射功率为50~200W,生长15~60min,获得FZO薄膜;
2)湿化学刻蚀:将步骤1)的FZO薄膜浸入体积浓度为0.01 ~ 1.0 %的腐蚀性溶液中保持1~60s,取出后清洗并干燥;
3)等离子刻蚀:将经步骤2)处理的FZO薄膜放入磁控溅射设备生长室中,抽真空至真-6
空度至少为5×10 Torr,加热衬底至20~200℃,向生长室内按流量比为100:5-30通入Ar和H2,调节工作气压至10~50Pa,溅射功率为20-100W,进行等离子刻蚀10-30min,获得具有高绒度的FZO薄膜。
[0010] 上述技术方案中,所述的衬底为玻璃、石英玻璃、片、PC(聚酸酯)、PET(聚对苯二甲酸乙二酯)、PI(聚酰亚胺)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。
[0011] 步骤2)中所述的腐蚀剂溶液为HCl溶液、HF溶液、NaOH溶液、HNO3溶液或NH4Cl溶液。
[0012] 本发明的有益效果是:本发明采用磁控溅射法结合湿化学刻蚀、等离子刻蚀的方法制备FZO透明导电薄膜,所获得的薄膜具有较高的绒度,绒度可高达50-60%,能够对可见光进行有效的散射,此外,本发明采用的Ar/H2等离子处理,一方面等离子体轰击薄膜表面进一步增大薄膜绒度,另一方面H掺入其中变成替代氧位的HO,形成浅施主能级,使得薄膜的导电性能明显提高,有利于其在太阳能电池中的应用,本发明的制备方法工艺简单,重复性好,适用于大面积生长。
[0013]附图说明
[0014] 图1为实施例1中步骤2所获得的FZO薄膜的扫描图。
[0015] 图2 为实施例1中步骤3所获得的FZO薄膜的扫描图。
[0016] 图3为实施例1中步骤2的FZO薄膜与步骤3所获得的FZO薄膜的烟雾度对比图。
[0017] 图4为实施例1中步骤2的FZO薄膜与步骤3所获得的FZO薄膜分别作为非晶硅太阳能电池前电极时的电池量子效率对比图。
[0018]

具体实施方式

[0019] 下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。
[0020] 实施例11) 将洁净的玻璃片放入磁控溅射设备生长室内,以Zn1-xFxO陶瓷靶为靶材,x=0.03,抽-6
真空至真空度至少为5×10 Torr,加热衬底至300℃,向生长室中通入Ar,并调节生长气压至8mTorr,溅射功率为100W,生长60min,获得厚度为700nm左右的FZO薄膜;
2) 将FZO薄膜放入体积浓度为0.5%的HCl溶液中静置15s,取出后清洗并干燥;获得的FZO薄膜的SEM图如图1所示;
3) 将步骤2)中得到的FZO薄膜重新放入磁控溅射设备的腔体,打开真空系统,抽真空-6
至真空度下降至5×10 Torr,加热衬底至200℃,向腔体中按流量比100:10通入Ar和H2,调节腔体内气压到20Pa,开启衬底电源,设置溅射功率为80W,进行等离子刻蚀20min,获得具有高绒度的FZO薄膜,其SEM图如图2所示;
表1为步骤2所得的FZO薄膜及步骤3所得的FZO薄膜的电学性能的对比,可知经两种刻蚀方法结合处理的FZO薄膜具有更好的电学性能。
[0021] 表1通过图1和图2的对比可以看出,经湿化学刻蚀及等离子刻蚀的FZO薄膜明显比仅经湿化学刻蚀的FZO薄膜表面更为粗糙,图3为步骤2所得的FZO薄膜及步骤3所得的FZO薄膜的烟雾度对比图,图4为其分别作为非晶硅太阳能电池前电极时的量子效率对比图,可以看出对于人们普遍利用的低于600nm的光来说,经两种刻蚀方法结合处理的FZO薄膜,其烟雾度更高,表明其光学散射能力更强,且将其作为太阳能电池前电极时,电池的量子效率更高。
[0022] 实施例21) 将洁净的硅片放入磁控溅射设备生长室内,以Zn1-xFxO陶瓷靶为靶材,x=0.3,抽真空至真空度至少为5×10-6Torr,加热衬底至500℃,向生长室中通入Ar,并调节生长气压至
20mTorr,溅射功率为50W,生长15min,获得FZO薄膜;
2) 将FZO薄膜放入体积浓度为1%的NH4Cl溶液中静置1s,取出后清洗并干燥;
3) 将步骤2)中得到的FZO薄膜重新放入磁控溅射设备的腔体,打开真空系统,抽真空至真空度下降至5×10-6Torr,加热衬底至200℃,向腔体中按流量比100:5通入Ar和H2,调节腔体内气压到10Pa,开启衬底电源,设置溅射功率为100W,进行等离子刻蚀30min,获得具有高绒度的FZO薄膜。
[0023] 实施例31) 将洁净的PC放入磁控溅射设备生长室内,以Zn1-xFxO陶瓷靶为靶材,x=0.3,抽真空至真空度至少为5×10-6Torr,加热衬底至25℃,向生长室中通入Ar,并调节生长气压至
1mTorr,溅射功率为200W,生长60min,获得FZO薄膜;
2) 将FZO薄膜放入体积浓度为0.01%的HNO3溶液中静置60s,取出后清洗并干燥;
3) 将步骤2)中得到的FZO薄膜重新放入磁控溅射设备的腔体,打开真空系统,抽真空至真空度下降至5×10-6Torr,加热衬底至20℃,向腔体中按流量比100:30通入Ar和H2,调节腔体内气压到50Pa,开启衬底电源,设置溅射功率为20W,进行等离子刻蚀10min,获得具有高绒度的FZO薄膜。
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