一種直流/射頻共濺射法制備高濃度梯度azo單晶導(dǎo)電薄膜的方法
【專利說明】 一種直流/射頻共濺射法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄
膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于明導(dǎo)電氧化物薄膜制備領(lǐng)域，特別涉及一種直流/射頻共濺射法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人類在生活和生產(chǎn)中所使用的能源主要來自煤、石油、天然氣等化石燃料。隨著社會的發(fā)展對能源的需求越來越大，石油等化石燃料的逐漸枯竭以及環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，太陽能因其具有分布廣泛、取之不盡、用之不竭的優(yōu)點(diǎn)，并且對環(huán)境無污染，因此它的開發(fā)與利用逐漸受到人們重視。
[0003]在光伏產(chǎn)業(yè)中，晶硅太陽能電池占據(jù)了光伏市場80%的份額，占據(jù)著光伏市場的主導(dǎo)地位。然而晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率并不理想，晶硅材料中存在的雜質(zhì)、缺陷和表面態(tài)，成為少數(shù)載流子的復(fù)合中心，晶硅表面的復(fù)合損失會極大地影響太陽能電池的效率。太陽能電池的發(fā)電效率很大程度上取決于進(jìn)入太陽能電池內(nèi)部的太陽光能量，因此為最大程度地提高薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，就必須盡可能減少進(jìn)入薄膜太陽能電池內(nèi)的太陽光的損失，提高電池對太陽光的吸收利用，因此提高前電極透明導(dǎo)電膜的太陽光透過率意義重大。摻鋁氧化鋅(AZO)相對于IT0、FT0，AZO具有更優(yōu)秀的紅外透過率，且其自然資源豐富，生產(chǎn)工藝簡單，成本低，無毒性，性能穩(wěn)定。采用AZO作為薄膜太陽能電池的前電極，可以明顯提高近紅外、遠(yuǎn)紅外波段的太能能量透過率，有效提高薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
[0004]目前，AZO薄膜的制備方法有溶膠-凝膠法、真空蒸鍍法和脈沖激光沉積法。其中，溶膠-凝膠法需要多次重復(fù)涂膜、預(yù)燒，費(fèi)時費(fèi)力，成膜效率低。真空蒸鍍就是將需要制成薄膜的物質(zhì)放于真空室中進(jìn)行蒸發(fā)或升華，使之在基片表面上析出；真空蒸鍍中真空度的高低直接影響薄膜的結(jié)構(gòu)和性能，真空度低，材料受殘余氣體分子污染嚴(yán)重，薄膜性能變差。采用脈沖激光沉積法沉沉積速度慢，成膜質(zhì)量差且需要特殊的設(shè)備和高真空，生產(chǎn)成本高，不利于大規(guī)模工業(yè)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種直流/射頻共濺射法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄膜的方法，該方法所得薄膜梯度均勻，單晶取向好，具有優(yōu)良的光、電性能，同時該方法成本低廉，可適用于工藝大規(guī)模生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種直流/射頻共濺射法制備高濃度梯度AZO單晶導(dǎo)電薄膜的方法，其具體步驟如下:
I)清洗
以單晶硅作為基片，對單晶硅基片進(jìn)行清洗； 2)靶材和基片安裝
濺射使用的靶材為ZnO靶和Al靶，氧化鋅靶安裝在磁控濺射設(shè)備的射頻靶上，鋁靶安裝在磁控濺射設(shè)備的直流靶上，同時在磁控濺射設(shè)備的真空室頂部的樣品臺安裝單晶硅基片;
3)濺射沉積
采用共濺射法制備梯度AZO薄膜，首先將真空室抽成高真空，本底真空度到2 X 10 4Pa?5 X 10 4Pa,基片加熱至200 °C?400 °C，充入濺射氣體高純氬氣20sccm?30sccm和氧氣Osccm?7sccm混合氣，工作氣壓調(diào)0.4Pa?0.8Pa，開始鍍膜；鍍膜過程中，樣品臺轉(zhuǎn)動速率為10rad/min?15rad/min，調(diào)節(jié)ZnO靶材的濺射功率為180W?200W，ZnO靶材的功率保持不變，Al靶材的初始濺射功率為25W?60W，Al的初始摻雜量為40%?60% ;A1靶材的功率在整個鍍膜過程中不斷變化，變化規(guī)律隨著濺射沉積薄膜厚度的不斷增加，Al靶材的功率減小，濺射沉積薄膜厚度每增加8nm?10nm，調(diào)節(jié)一次功率，當(dāng)Al靶材的功率低于12W時，在鋁靶靶面上用擋板將鋁靶靶面部分用遮蓋，通過調(diào)節(jié)Al靶材上面的檔板，來進(jìn)一步降低靶材的濺射功率至6W?4W，制得梯度AZO薄膜。
[0007]步驟3)將鋁靶靶面部分遮蓋時，遮蓋部分的面積占靶面面積比例< 2/3，使Al靶材的功率最低可降低至6W?4W，Al的摻雜量減少到3%。
[0008]Al靶材的功率每次減小2W?5W。
[0009]Al的摻雜量每次減少4 %?6 %。
[0010]所述氬氣和氧氣的體積比1: O?9:1。
[0011]對單晶娃基片進(jìn)行清洗時，先在丙酮中超聲清洗1min?20min，再在無水乙醇中清洗1min?20min，最后用去離子水沖洗干凈，烘干。
[0012]真空室頂部裝載單晶硅基片裝載過程中，確?；砻娴恼麧?。
[0013]所述ZnO靶的純度為99.99%，所述Al靶的純度為99.999%。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
(I)采用直流/射頻共濺射技術(shù)制備梯度AZO單晶薄膜，磁控濺射方法沉積速率高、結(jié)合力好、過程容易控制、能夠方便地控制各個組元的成分比例，并且，工藝簡單、成本低廉，制得的梯度AZO單晶薄膜，梯度摻雜濃度梯度變化大、梯度均勻、結(jié)晶質(zhì)量高、單晶性能好、薄膜表面平整。
[0015](2)制備的薄膜在晶硅界面處為高濃度鋁鋅薄膜(近似氧化鋁)，氧化鋁鈍化薄膜具有優(yōu)秀的晶硅鈍化性能；而與金屬電極接觸的表面處鋁濃度降低、形成低電阻率的鋁摻雜氧化鋅薄膜，該薄膜可與金屬電極形成較好的歐姆結(jié)構(gòu)，同時該種薄膜整體的形成梯度漸變的成分組成，使薄膜具有較好的導(dǎo)電特性，降低電池內(nèi)阻，提高電池效率，十分適合作為薄膜太陽能電池鈍化層，可適用于大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明使用的鋁靶材安裝擋板；
通過計算可知，遮蓋部分的面積占靶面的2/3，而濺射面占靶面的1/3 ;
圖2是本發(fā)明(對應(yīng)實施例1)梯度為40-3%的AZO薄膜XRD圖；
圖3是本發(fā)明(對應(yīng)實施例2)梯度為50-3%的AZO薄膜XRD圖； 圖4是本發(fā)明(對應(yīng)實施例3)梯度為60-3%的AZO薄膜XRD圖；
圖5是本發(fā)明實施例1?實施例3的梯度AZO薄膜表面形貌圖；
圖6是本發(fā)明實施例3的梯度AZO薄膜的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
1)清洗
以單晶娃作為基片，對單晶娃基片進(jìn)行清洗，先在丙酮中超聲清洗lOmin，再在無水乙醇中清洗lOmin，最后用去離子水沖洗干凈，烘干；
2)靶材和基片安裝
濺射使用的靶材為ZnO靶(度為99.99% )和Al靶(純度為99.999%),氧化鋅靶安裝在磁控濺射設(shè)備的射頻靶上，鋁靶安裝在磁控濺射設(shè)備的直流靶上，同時在磁控濺射設(shè)備的真空室頂部的樣品臺安裝單晶硅基片，真空室頂部裝載單晶硅基片裝載過程中，確?；砻娴恼麧?；
3)濺射沉積
采用共濺射法制備梯度AZO薄膜，首先將真空室抽成高真空，本底真空度到2X10 4Pa,基片加熱至200°C，充入濺射氣體高純氬氣20SCCm，工作氣壓調(diào)0.4Pa，開始鍍膜；鍍膜過程中，樣品臺轉(zhuǎn)動速率為10rad/min，調(diào)節(jié)ZnO靶材的濺射功率為180W，ZnO靶材的功率保持不變，Al靶材的初始濺射功率為25W，Al的初始摻雜量為40% ;A1靶材的功率在整個鍍膜過程中不斷變化，變化規(guī)律隨著濺射沉積薄膜厚度的不斷增加，Al靶材的功率減小2W，Al的摻雜量每次減少4%，濺射沉積薄膜厚度每增加8nm，調(diào)節(jié)一次功率，當(dāng)Al靶材的功率低于12W時，在鋁靶靶面上用擋板將鋁靶靶面部分用遮蓋，通過調(diào)節(jié)Al靶材上面的檔板，遮蓋部分的面積占靶面面積比例為2/3 (如圖1所示)，來進(jìn)一步降低靶材的濺射功率，使Al靶材的功率最低降低至6W，Al的摻雜量減少到3%，制得梯度AZO薄膜;AZO薄膜中Al的梯度摻雜范圍為40%?3%。
[0018]實施例2