[發明專利]一種寬光譜雙層透明導電薄膜及其制備方法

無效

• 申請號: 201410170858.2
• 申請日: 2014-04-25
• 公開（公告）號: CN103938172A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 朱麗萍;張翔宇
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/08;H01B5/14;B32B27/06;B32B9/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及一種覆蓋可見光到紅外光的寬光譜雙層透明導電薄膜及其制備方法，屬于透明導電氧化物薄膜及其制備技術領域。

背景技術

透明導電氧化物(Transparent?Conductive?Oxides，TCO)薄膜因具有低的電阻率、在可見光區域具有高透射率等特點，從而獲得了廣泛應用。近年來，由于各類新型光電器件特別是太陽能光伏技術和固態照明技術的迅猛發展，使得對高性能透明導電薄膜的研究不斷深入開展。

在對TCO薄膜的研究中，摻錫氧化銦透明導電薄膜(Indium?Tin?Oxide?ITO)的技術是最成熟的，但由于In、Sn等材料的自然儲量少、制備工藝復雜、成本高、有毒、穩定性差，因而限制了它的廣泛應用。氧化鋅(Zinc?Oxide，ZnO)基薄膜材料在可見光范圍具有高的透過率，有望作為新一代透明導電電極來取代傳統的金屬電極，然而其本征狀態時電導率不夠高。為了解決這一問題，人們通常采用摻雜的方法來增加其電導率。常用的摻雜元素，如Al、Ga、In、B、F等均可以有效降低ZnO基薄膜的電阻，有希望替代氧化銦錫薄膜作為透明電極應用在平板顯示及太陽能光伏領域中。為了滿足實際應用的要求，一般都是通過上述雜質元素的摻入來降低氧化物半導體的電阻，不過，如果是傳統金屬元素如Al、Ga等摻雜，雖然載流子濃度有所提高，但同時摻入原子會增強晶體內的離子散射，降低薄膜的電子遷移率，從而會提高薄膜對紅外光的吸收，降低透光性。

眾所周知,太陽光能波譜中可見光范圍(400～700nm)的能量占其發光全波長范圍(300～2500nm)的43％,而紫外區域(300～400nm)的能量僅占5％,在近紅外區域(700～2500nm)的能量卻要占總能量的52％。現有透明導電薄膜在400～800nm范圍內有很好的透過率,在紫外區有顯著的本征吸收,而長波(>800nm)區域由于自由載流子的吸收引起了薄膜透過率明顯降低,很大程度上限制了太陽能電池對近紅外區域光譜的利用,是影響太陽電池轉化效率的重要因素之一。因此,先進的薄膜太陽電池要求頂電極透明導電薄膜具有可見光高透射和高電導的同時在近紅外光譜也要有很好的透過率。

對于透明導電薄膜來說，其光學性質取決于其等離子體頻率——當光線頻率高于等離子體頻率時，材料表現為透過該種光源，反之材料就會反射或者吸收入射光。目前大部分的TCO材料的等離子體頻率都處于近紅外光區，只能對可見光有較好的透過性。對于金屬摻雜的ZnO薄膜來說，其等離子體波長通常在1000nm，因此對近紅外光都會出現明顯的吸收，導致透過率下降，影響其在太陽電池中的應用前景。

另外，隨著科學技術的發展,越來越多的電子器件開始朝柔性化、超薄化方向發展,使得對柔性透明導電薄膜的需求日益迫切。柔性透明導電薄膜不但具有玻璃基片透明導電薄膜的光電特性,并且有許多獨特優點,例如可繞曲、重量輕、體積小、不易碎、易于大面積生產、成本低、便于運輸等。但直接在柔性襯底上沉積薄膜,由于熱膨脹系數的差別所引起的熱應力會產生缺陷,可能會使得薄膜與襯底之間產生裂縫,從而惡化薄膜的性能,同時聚合物襯底比較容易吸收空氣中的水汽和氧氣,這些水汽和氧氣在薄膜沉積的過程中會擴散到ZnO薄膜中,也會使薄膜的導電性能惡化。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種具有高的可見光和近紅外光透過率以及良好導電性能的寬光譜雙層透明導電薄膜及其制備方法。

本發明的寬光譜雙層透明導電薄膜，自下而上依次為柔性襯底，ZnO薄膜和ZnO:F薄膜，其中，ZnO:F薄膜的F與Zn的原子比為1％～5％。

上述的柔性襯底可以為聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚酰亞胺。

通常，所述的ZnO薄膜的厚度為50～100nm。所述的ZnO:F薄膜的厚度為100～200nm。

本發明的寬光譜雙層透明導電薄膜的制備方法，采用的是磁控濺射法，包括如下步驟：

1)將柔性襯底經超聲清洗后吹干，放在磁控濺射設備的襯底托盤上；

2)以純ZnO陶瓷靶為靶材，加熱襯底至50～150℃，抽真空至真空度至少為4×10^-6Torr，向生長室中通入純Ar，并調節生長氣壓至1～10mTorr，濺射功率為80～200W，磁控濺射ZnO薄膜；