超聲噴霧熱分解法制備ZnO透明導電薄膜的研究.pdf

1、具有絨面形貌的ZnO透明導電氧化物(TCO)薄膜已成為硅薄膜太陽電池的重要透明電極材料。目前主要采用濺射法和MOCVD法沉積具有絨面形貌的ZnO薄膜，但均存在制造成本高的缺點。因此開展低成本制造適于硅薄膜電池用ZnO-TCO的成膜方法已迫在眉睫本論文采用低成本的超聲噴霧熱分解(Ultrasonic Spray Pyrolysis，USP)法制備出具有良好特性的ZnO-TCO，并將之作為前電極應用于硅薄膜太陽電池中。具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新工作

2、如下：
　　 第一，對USP法沉積ZnO薄膜進行了深入分析。從最佳沉積的c模式入手，通過對生長溫度、噴射距離和載氣流量的系列實驗，得出本論文實驗用USP系統(tǒng)實現(xiàn)c沉積模式需具備的沉積條件(生長溫度470℃、噴射距離1.5cm、載氣流量11 SLM)。在此基礎上，深入研究了前驅液特性對USP法制備ZnO薄膜的影響。以水和無水乙醇組成的混合溶劑，通過控制混合溶劑中水與無水乙醇的體積比，可實現(xiàn)對超聲霧化所得小液滴尺寸的控制，以實現(xiàn)較高

3、的薄膜生長速率。經(jīng)過理論分析，引入液態(tài)離子之間絡合反應的概念；反應物中離子之間匹配的絡合配位，是提高金屬離子利用率、避免生成沉淀的關鍵。進而就ZnO，提出冰乙酸電離出的[AC]可與[Zn2+]形成一配位的絡合物[ZnAC+]，有利于ZnO薄膜的生長。
　　 提出基于c模式的USP法沉積條件優(yōu)化是高速制備優(yōu)質(zhì)ZnO-TCO的首要條件；明確了前驅物的特性亦是優(yōu)化薄膜不可或缺的重要因素。兩者的協(xié)調(diào)配合是獲得優(yōu)質(zhì)透明導電薄膜的重要關鍵。

4、為USP法制備相關材料件，給出調(diào)控各相關影響因素以盡快獲得工藝優(yōu)化條件的指導性實驗結論。
　　 第二，詳細研究了In摻雜ZnO(IZO)薄膜的生長特性。提出前驅液中冰乙酸提供[Ac]分別與[Zn2+]和[In3+]形成一配位和四配位的絡合物，使[Zn]和[In3+]具有相似的狀態(tài)，故而能提高In的摻入效率。調(diào)節(jié)不同的In摻雜比，和獲得電學特性較好的IZO薄膜所需要冰乙酸的量，以滿足不同In摻雜對絡合配位的需要。為USP法制備相應

5、材料提供了有效摻雜的實驗方法。
　　 IZO薄膜厚度實驗表明：隨IZO薄膜厚度增加，IZO晶粒尺寸增加，晶界散射降低，有利于提高載流子遷移率，降低電阻率；當薄膜厚度達到一定厚度之后(400nm以上)，IZO薄膜結構和電學特性趨于穩(wěn)定。
　　 In摻雜量實驗表明：In的摻入能夠抑制(002)結晶取向，促進(101)晶面生長，使ZnO薄膜由未摻雜時的六角片狀向三角塊狀轉變。bl的摻入亦能有效提高ZnO薄膜的載流子遷移率，從而

6、降低薄膜的電阻率。深入分析了采用USP法制備三角形絨面表面形貌的IZO薄膜需要(101)晶面取向的晶體結構要求。為USP法制備具有絨面形貌ZnO-TCO提供了指導性實驗結論。當In摻雜量為1.5 at.％時可獲得較低電阻率的IZO薄膜，其電阻率為2.48×10-3Ω·cm。制備的IZO薄膜的總透過率均達到80%。將其作為前電極與FTO作對比，應用于硅薄膜太陽電池中，在無ZnO做復合背反射層的條件下，微晶硅電池效率5.01%；明顯優(yōu)于在日

7、本ASAHI公司生產(chǎn)U-type SnO2:F(FTO)上獲得的微晶硅電池特性。
　　 第三，從表面形貌和電學特性兩方面對IZO薄膜特性進行改善。采用低成本的HF腐蝕eagle2000玻璃的化學方法，改善襯底表面形貌，并增加粗糙度。以此改善IZO薄膜絨面形貌，增強對入射光的散射作用。提出IZO/AZO和IWO/IZO復合膜的結構，以改善IZO薄膜電學特性。在USP法制備IZO薄膜上，采用濺射法生長AZO薄膜，形成IZO/AZO復

8、合膜。該復合膜具有圓錐形絨面形貌，對入射光有較強的散射能力；同時仍具AZO低電阻率的特點。在eagle2000玻璃襯底和IZO薄膜之間引入電子束熱蒸發(fā)法制備的IWO薄膜，形成IWO/IZO復合膜。利用IWO薄膜高遷移率、低電阻率的特點，制備出具有較高遷移率(約50 cm·V-1·s-1)的IWO/IZO復合膜。該復合膜保留了IZO薄膜三角塊狀絨面形貌，對入射光有較強的散射作用。為制備較低電阻率、良好絨面形貌復合透明導電薄膜提供了實驗參考

9、。
　　 通過對不同結構雙層膜的研究，得出雙層膜的表面形貌主要依賴于基礎層，表征層對雙層膜電學特性具有重要影響。另外，優(yōu)良雙層膜特性需足夠厚的基礎層以提供良好的晶?；A(約400nm)，但過厚的基礎層(約600nm)會降低雙層膜的透過率。生長基礎層之后的降溫過程可為基礎層提供一個完整的成膜過程，使每一層IZO薄膜保有各自的特性，有利于實現(xiàn)對雙層薄膜特性的調(diào)控。將具有良好電學特性和絨面形貌的雙層IZO薄膜應用于非晶硅薄膜太陽電池中