李 宏

(淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

0 引言

太陽能電池對透明導電薄膜的首要要求之一是透光性要好[1],只有這樣才能有效的利用太陽光.其次是導電性[2],最高限度的降低電池產生的光電流的衰減.另外要求透明導電薄膜具有較高的穩(wěn)定性[3]、耐磨及耐酸堿.AZO薄膜具有良好的透光性[4],因為其禁帶寬度為3.37 eV,大于紫外可見區(qū)的光子能量3.1 eV,因此AZO薄膜在可見光下并不會引起本征激發(fā),可以使可見光順利通過.可見光區(qū)的透過率一般可達到80%～90%.適當的制備工藝下,AZO薄膜電學性能良好.此外AZO薄膜原材料更豐富、無毒、價格也更低廉,其研究越來越受到人們的關注[5-9].制備AZO薄膜的常用方法有磁控濺射法[10],等離子化學氣相沉積法等[11].

1 實驗過程

在氬氣環(huán)境下,利用射頻磁控濺射在載玻片上制備摻鋁氧化鋅透明導電薄膜.在制備前,載玻片先在丙酮溶液中超聲15 min,然后分別用乙醇和去離子水沖洗,最后用高純氮氣吹干.載玻片清洗完畢后直接放置在磁控濺射專用的托盤上,并立即放入磁控濺射腔室里.AZO靶材采用的是鋁摻雜質量分數為2%的氧化鋅,尺寸大小是3英寸.通過機械泵和真空泵,使得腔內的本底真空為4.5×10-4Pa,然后調節(jié)不同的濺射參數制備AZO透明導電薄膜.

2 制備參數對AZO透明導電薄膜電學性能的影響

2．1 不同的濺射功率對薄膜結構和電學性能的影響

薄膜的生長速率是衡量濺射過程效果的重要參數.從圖1可以看到,在功率小于50 W時,薄膜的生長速率變化很小,當功率大于50 W時,薄膜的生長速率隨著濺射功率的增加而增加.但在實驗中發(fā)現當濺射的功率過高時,靶材的表面出現燒蝕的痕跡,薄膜的生長速率隨著濺射功率的增加而減小,這是由于靶材出現“離子植入”的原因.

圖2給出了不同功率下制備的AZO薄膜形貌圖.從掃描電子顯微鏡圖可以發(fā)現濺射功率對AZO薄膜的形貌有很大的影響.隨著功率的增大,晶粒尺寸逐漸變大,晶界開始出現.這是由于當濺射功率增加時,濺射離子的動能增加,離子可以在襯底表面到達更好的格點位置,使得晶粒成核更容易.當時當功率過大時,離子在到達襯底時具有的較大動能會撞擊薄膜表面,使得薄膜的缺陷增加.

圖1不同的濺射功率對薄膜生長速率的影響圖2不同功率下制備的AZO薄膜形貌

表1給出了不同功率下制備的AZO薄膜的方塊電阻和電阻率.從表中可以看出,從50 W到200 W,AZO薄膜的方塊電阻和電阻率逐漸減小.

表1 不同功率下制備的AZO薄膜的方塊電阻和電阻率

2．2 不同的襯底溫度對薄膜電學性能的影響

表2給出了不同的襯底溫度下制備薄膜的方塊電阻和電阻率.從表格中可以看出隨著溫度的升高,薄膜的方塊電阻和電阻率先變小,再變大.這是由于隨著襯底溫度的升高,濺射到襯底表面的離子能量增加,從而使得離子的弛豫時間變長,薄膜結晶質量明顯提升.當溫度過高時,部分的Al被氧化成Al2O3,載流子濃度降低,這是方塊電阻和電阻率就會增大.

表2 不同的襯底溫度下薄膜的方塊電阻和電阻率

2．3 不同的氫氣摻雜比對薄膜電學性能的影響

表3給出了不同的氫氣摻雜比下薄膜的方塊電阻和電阻率.從表中可以看出隨著氫氣比例的逐漸增加,薄膜的方塊電阻和電阻率先先變小,再變大.AZO薄膜屬于多晶薄膜,在沉積的過程中O原子易吸附于晶界和空位上,從而阻礙載流子的運動,導致薄膜電阻變大.由密度泛函理論可知,H在濺射AZO薄膜中可以作為施主雜質的提供一個電子,此外H容易與O結合形成O—H鍵,從而使得吸附于晶界和空位上的O原子數量減少,勢壘的阻礙作用減小[11].

表3 不同的氫氣摻雜比下薄膜的方塊電阻和電阻率

圖3 AZO薄膜的透射譜

2．4 AZO薄膜的透射譜

圖3給出了在功率、溫度、氫氣摻雜比為200 W、300 ℃、8%時,制備的AZO薄膜的透射率.從圖中可以看出,制備的AZO薄膜在可見光區(qū)域的平均透射率均在80%以上.滿足制備太陽能電池的需要.

3 總結

本文主要介紹了在不同的濺射功率、溫度、氫氣摻雜比制備的AZO薄膜的電學性質和投射率.實驗表明在功率、溫度、氫氣摻雜比為200 W、300 ℃、8%時,制備的AZO薄膜具有最小的方塊電阻和電阻率,且在可見光區(qū)域內透射率均超過80%.

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