[發明專利]一種生長絨面結構ZnO-TCO薄膜的方法及應用

有效

• 申請號: 201110122983.2
• 申請日: 2011-05-13
• 公開（公告）號: CN102199758A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 陳新亮;王婓;耿新華;張德坤;魏長春;張曉丹;趙穎
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: C23C14/54
• 分類號: C23C14/54;C23C14/08;C23C14/35;H01L31/0224
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明屬于薄膜太陽電池領域，特別是一種生長絨面結構ZnO-TCO薄膜的方法及應用。

背景技術

透明導電氧化物（transparent?conductive?oxide-TCO）薄膜材料是薄膜太陽電池的重要組成部分，參見文獻A.?V.?Shah,?H.?Schade,?M.?Vanecek,?et?al.?Progress?in?Photovoltaics?12?(2004)?113、J.?Müller,?B.?Rech,?J.?Springer,?et?al.?Solar?Energy?77?(2004)?917。當前薄膜電池中應用最為廣泛的TCO薄膜是F摻雜SnO₂薄膜（SnO₂:F）和Sn摻雜In₂O₃薄膜（In₂O₃:Sn）。F摻雜SnO₂薄膜通常是利用常壓CVD（APCVD）技術制備，生長溫度較高（~500℃），這對于低溫沉積和強H等離子體環境中生長的電池材料而言，將限制其進一步應用，參見文獻：S.?Major,?S.?Kumar,?M.?Bhatnagar,?et?al.?Applied?Physics?Letters?49?(1986)?394。Sn摻雜In₂O₃薄膜由于In的成本較高，且不容易獲得粗糙的表面形貌，在強H等離子體環境中性能容易惡化，也限制了其在薄膜太陽電池中的廣泛應用。相比于其他TCO薄膜材料，ZnO薄膜具有源材料豐富，無毒且相對生長溫度低（室溫-300℃）和在強H等離子體環境中性能穩定等特點獲得了廣泛研究和應用。

本征ZnO薄膜電阻率較高，通常采用雜質摻雜方法提高其電學性能，主要摻雜元素有B、Al、Ga、In及F等，參見文獻：陳新亮，薛俊明，孫建等，半導體學報，2007，28（7），1072、J.?Hüpkes,?B.?Rech,?O.?Kluth,?et?al.?Sol.?Energy?Mater.?Sol.?Cells?90?(2006)?3054、Q.?B.?Ma,?Z.Z.?Ye,?H.P.?He,?et?al.?Vacuum?82?(2008)?9、Kenji?Yoshino1,?Satoshi?Oyama,?Masahiro?Kato,?et?al.??Journal?of?Physics:?Conference?Series?100?(2008)?082019、Yu-Zen?Tsai,?Na-Fu?Wang,?Chun-Lung?Tsai.?Materials?Letters?63?(2009)?1621?；谠牧系确矫嬉蛩兀珹l摻雜ZnO薄膜是當前研究的重點，參見文獻：?F.?Ruske,?C.?Jacobs,?V.?Sittinger,?et?al.?Thin?Solid?Films?515?(2007)?8695、?Y.?Kim,?W.?Lee,?D-R.?Jung,?et?al.?Appl.?Phys.?Lett.?96?(2010)?171902。制備Al摻雜ZnO薄膜可利用陶瓷靶或者合金靶，然而，合金靶具有低成本的優勢。在利用合金靶鍍制ZnO薄膜過程中，氧氣（O₂）流量是尤為重要的實驗參數，通常試驗中可分為金屬模式，過渡模式以及氧化模式。金屬模式情況下，薄膜透過率較低，而氧化模式中透過率較好，但電學性能差。因此，過渡模式是反應磁控濺射技術中期望獲得的鍍膜過程，其獲得的薄膜具有透明導電氧化物薄膜特性，既具有透明性又具有較好的電學性能。

應用于硅薄膜太陽電池的TCO薄膜除了良好的光電性能之外，適當的絨面結構（即rough?textured?surface）對于薄膜太陽電池的陷光應用具有重要性。晶粒尺寸對可比擬波長的光具有良好的散射作用。研究表明，絨面結構TCO薄膜的應用可以提高光散射作用，增加入射光程，有效降低有源層厚度（即本征層i-layer）它對于提高Si基薄膜太陽電池的效率和穩定性（SW效應）起到決定性的影響，參見文獻J.?Müller,?B.?Rech,?J.?Springer,?et?al.?Solar?Energy?77?(2004)?917。絨面結構主要與薄膜的晶粒尺寸，晶粒形狀和粗糙度等因素有關。