[發明專利]一種高遷移率的鋁摻雜氧化鋅透明導電薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201310575062.0
• 申請日: 2013-11-15
• 公開（公告）號: CN103617831A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 楊曄;朱科;宋偉杰;蘭品君;黃金華
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01B5/14
• 分類號: H01B5/14;H01B1/08;C23C14/35;C23C14/08
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠午

技術領域

本發明涉及光電材料領域，具體涉及到一種高遷移率的鋁摻雜氧化鋅透明導電薄膜及其制備方法。

背景技術

透明導電氧化物（transparent?conductive?oxide，簡稱TCO）薄膜是一類同時具有高的可見光透過率與電導率的薄膜，被廣泛地應用于低輻射窗口，氣敏傳感器，平板顯示器，薄膜晶體管，發光二極管以及太陽能電池等領域。大多數TCO薄膜是基于二氧化錫（SnO₂）,氧化銦（In₂O₃）,氧化鋅（ZnO）及其化合物，通過不同的物理和化學技術沉積而成。其中，鋁摻雜氧化鋅（Aluminium?doped?Znic?oxide，簡稱AZO）透明導電薄膜以其成本低、無毒、高輻射抵抗力、在氫等離子體中較穩定等優點人受到關注，被廣泛地用作薄膜太陽能電池的前電極。

作為一種前電極，AZO透明導電薄膜被期望具有較高的電導率和較低的光吸收率。由于高的載流子濃度會導致載流子，增加光吸收，特別是近紅外段的光吸收。所以，有必要通過提高遷移率同時保持適中的載流子濃度的辦法來實現這一目的，成為開發用于薄膜光伏的高質量AZO薄膜的關鍵。

目前制備AZO透明導電薄膜比較成熟而廣泛采用的是磁控濺射技術，多采用玻璃襯底，制備的AZO薄膜遷移率一般介于1～30cm²V^-1s^-1。理論上當AZO透明導電薄膜載流子濃度高于5×10²⁰cm^-3時，遷移率不會高于40cm²V^-1s^-1(Resistivity?of?polycrystalline?zinc?oxide?films:current?status?and?physical?limit，Journal?of?Physics?D:Applied?Physics,2001年第34卷3097-3108）。公開號為CN101985740中國發明專利申請公開了一種提高AZO透明導電膜遷移率的方法，該方案是將磁控濺射生長的AZO透明導電薄膜放入退火爐進行真空或引入一定的氣氛（惰性、還原性氣氛）的退火處理。雖然該方法可以實現低溫快速成膜，并批量快速退火獲得高導電性的透明導電膜，但在低溫退火處理時對AZO透明導電薄膜遷移率的提高程度有限，最終遷移率不超過20cm²V^-1s^-1；而高溫退火處理雖然能帶來光學透過率提升，又將導致薄膜電導率顯著降低，也即很難同時保證高的導電性能與光學透過性能。Wimmer等人（Improving?the?electrical?and?optical?properties?of?DC-sputtered?ZnO:Al?by?thermal?post?deposition?treatments，Thin?Solid?Films，2012年第520卷4203-4207頁）通過在直流濺射沉積的AZO表面采用等離子增強化學氣相沉積（PECVD）方法生長一層50nm厚的非晶硅覆膜，然后再500℃退火6小時，將載流子遷移率從27cm²V^-1s^-1提高到48cm²V^-1s^-1。采用同樣的方法，Warzecha等人（High?mobility?annealing?of?Transparent?Conductive?Oxides，IOP?Conf.Series:Materials?Science?and?Engineering，2012年第34卷012004）通過650℃退火24小時，將遷移率從40cm²V^-1s^-1提高到72cm²V^-1s^-1。這種方法雖然大大提高了AZO透明導電薄膜的遷移率，但是工藝復雜，熱處理時間長，負載大，成本高。Kang等人（Effects?of?ITO?precursor?thickness?on?transparent?conductive?Al?doped?ZnO?film?for?solar?cell?applications，Solar?Energy?Materials&Solar?Cells，2011，95，138-141頁）通過沉積不同厚度的氧化銦錫（ITO）前驅層，將AZO薄膜的遷移率從5.4cm²V^-1s^-1提高到23.6cm²V^-1s^-1，電阻率從1.99×10^-3Ωcm降低至3.63×10^-4Ωcm，可見光平均透過率從82.1%提高到90.0%，近紅外光平均透過率從88.1%提高到89.6%。這種方法雖然使薄膜在光學透過率與電導率方面得到大幅度提升，但由于采用了ITO，成本高，另外遷移率仍偏低。