最新一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法与流程

将乐信息网 http://www.jianglexinxi.cn 2020-09-16 19:01 出处:网络
如下提供的最新一种提高氧化锌透明导电薄膜化学稳定性的方法与流程,为您描述后面内容:

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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。



技术实现要素:

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。


技术特征:

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。

技术总结
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。

技术研发人员:王延峰;孟旭东;韩冰;褚润增;冯浩;牛国振;南景宇;杨富
受保护的技术使用者:河北北方学院
文档号码:201710370997
技术研发日:2017.05.18
技术公布日:2017.09.29

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