[發明專利]用新型低毒凝膠澆注制備大尺寸氧化鋅基靶材的方法

無效

• 申請號: 201210473407.7
• 申請日: 2012-11-20
• 公開（公告）號: CN102924077A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 黃富強;龍勝;崔厚磊;曾毅
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/453
• 分類號: C04B35/453;C04B35/622
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及一種新型低毒凝膠體系制備大尺寸磁控濺射靶材的制備方法，屬于功能材料和節能技術領域，具體涉及使用低毒甲基丙烯酰胺體系進行凝膠澆注制備高質量、大尺寸的氧化鋅基靶材（ZnO:X,X=Al,Ga,In,Si）的工藝。

背景技術

透明的前電極是薄膜太陽能電池的重要組成部分，需要具有高導電性和透光率的材料，其性能的好壞直接影響電池的光電轉換效率。比較常用的透明電極材料有摻錫氧化銦（ITO）、摻氟氧化錫（FTO）和摻鋁氧化鋅（AZO）等。

磁控濺射具有成本低、工藝簡單、成膜質量好、成膜速率高、工藝成熟等優點，因而在工業生產中應用廣泛，為AZO透明薄膜主要制備方法。

磁控濺射法制備AZO透明導電膜有兩種實現途徑。一種是使用鋅鋁合金靶材在含氧氣氛中進行反應磁控濺射。此方法對靶材的要求比較低，靶材容易制備且成分容易控制，但缺點也很明顯，其成膜質量較差；另一種途徑是使用制備好的AZO陶瓷靶材，用陶瓷靶材在真空下進行磁控濺射，該方法制備的薄膜質量較好且容易控制且更適合工業化生產，但是其對靶材的制備要求較高，只有高質量的合適陶瓷靶材才能濺射出高質量均勻的膜，因此對靶材制備的研究是該工藝的重點和難點。

制備用于薄膜太陽能電池的AZO薄膜所需高質量靶材需要高的純度、均勻性、致密度、電導率與較好的強度及較大的尺寸。這些要求中，除純度完全由原料成分決定以外，其他均為制備工藝所影響。因此，尋找合適的工藝方法是獲取高質量AZO靶材的關鍵。

常見的陶瓷成型工藝有可塑成型、模壓成型、注漿成型、注塑成型、等靜壓成型等。可塑成型一般用于傳統陶瓷，對原材料的利用率較低且只對特定的原料適合。模壓成型、注漿成型、注塑成型所生產的坯體都存在一定的密度梯度，均勻性不是很好，且不適合生產大尺寸的樣品。等靜壓成型所制備的坯體密度高、均勻性好、尺寸大，但是其對設備的要求較高，生產效率低，且只適合制備幾種簡單形狀的制品，隨產品尺寸的加大其設備投入迅速增加，故只適合制造較小尺寸且價值較高的產品。

CN102351526A公開一種用凝膠注模成型制備AZO靶材的方法，其采用丙烯酰胺體系，丙烯酰胺為劇毒物質，對人體的神經等有危害[于素芳,謝克勤.丙烯酰胺的神經毒性研究概況:毒理學雜志2005,03]，故對其使用應予以限制。在工業生產中，使用劇毒的藥品必然伴隨著生產安全投入的加大以及對后續工業廢料處理難度的加大，因此開發低毒無毒的凝膠體系是大規模制備高質量AZO靶材的要求。CN102351526A雖然也籠統地提到可以用甲基丙烯酰胺—N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺體系，但并未給出具體的實施方式。此外，CN102351526A只涉及制備AZO靶材靶材的方法，因此該方法是否適用其他氧化鋅基靶材也有待進一步研究。

薄膜太陽能電池正處于快速發展期，其市場份額不斷加大，隨之其對透明導電氧化物薄膜材料的需求也不斷高漲。這是AZO靶材發展的良好機遇。本發明即為一種方便、高效制備高質量AZO及其衍生物靶材的實現方法。通過良好的成型技術與適當的摻雜實現高質量、大尺寸的AZO及其衍生靶材的大規模制備。

發明內容

為解決AZO及其衍生物靶材生產成本高、大尺寸難以成型、靶材均一性差等問題，本發明提供一種工藝簡單方便的用新型低毒凝膠澆注快速制備大尺寸高質量AZO及其衍生物靶材的凝膠澆注方法。

在此，本發明提供一種用新型低毒凝膠澆注制備大尺寸氧化鋅基靶材的方法，所述大尺寸氧化鋅基靶材的化學組成為ZnO:X，其中，X=Al、Ga、In和/或Si，所述方法包括：將高純無機粉體與預混液球磨混合以獲得高流動性的穩定漿料，所述預混液包括甲基丙烯酰胺、N,N′-二亞甲基雙丙烯酰胺、聚丙烯酸銨和水；所述穩定漿料至少在引發劑的作用下凝固形成高強度的生坯；以及所述生坯經干燥工序、排膠工序和燒結工序處理得到所述大尺寸氧化鋅基靶材；其中，所述排膠工序采用多段溫度曲線形式的高溫排膠。

本發明采用一種新穎的甲基丙烯酰胺-N,N′-亞甲基雙丙烯酰胺-聚丙烯酸銨體系，環境友好，適合制備多種大尺寸氧化鋅基靶材。此外，本發明采用多段溫度曲線形式的高溫排膠，利用高溫可以有效去除有機物，而且在排膠的過程中就已經開始燒結，排膠得到的樣品具有很高的強度，更有利于燒結工序的進行。

較佳地，所述排膠工序分成2～10段進行分段升溫直至800～1000℃，各段升溫速率為5℃/h～1℃/min，且各段之間穿插持續0.5～3h的保溫平臺。