铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池技术

本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；利用先驱液在衬底上形成薄膜；将薄膜在氮气气氛进行热处理；以及将薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理。本公开还提供了一种利用上述方法制备的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜以及利用氧化锌薄膜作为阳电极制备的薄膜太阳能电池。本公开铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点；铝掺杂氧化锌薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及平坦的表面；以铝掺杂氧化锌薄膜作为阳电极的非晶硅单结薄膜太阳能电池具有约7％的转换效率。

Aluminum doped Zinc Oxide transparent conductive film, preparation method and thin film solar cell

The invention provides a preparation method of aluminum doped Zinc Oxide transparent conductive film includes: two hydrated zinc acetate as solute, six hydrated aluminum chloride as the doping agent and ethanol as solvent, the allocation of a precursor liquid film formed on the substrate; the precursor liquid film; heat treatment in nitrogen atmosphere; and heat treatment atmosphere synthesis in nitrogen and hydrogen in the film. This disclosure also provides an aluminum doped Zinc Oxide transparent conductive film prepared by the above method and a thin film solar cell made of Zinc Oxide thin film as a positive electrode. The preparation method of open aluminum doped transparent conductive film Zinc Oxide has the advantages of low pollution, simple manufacturing process, low cost and so on; aluminum doped conductive film has excellent performance, Zinc Oxide's high visible light transmission rate and flat surface; with aluminium doped amorphous silicon thin film of Zinc Oxide as the conversion of positive electrode single junction thin film solar cell with about 7% efficiency.

【技术实现步骤摘要】
铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池
本公开属于光电子
，尤其涉及一种铝掺杂氧化锌(ZnO：Al)透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池。
技术介绍
透明导电薄膜对于薄膜电子器件是一种非常关键的材料。它是一种既具有良好的导电性，又在可见光范围具有很高的透过率的半导体材料。这些特性使其在液晶显示器、电致发光器件、薄膜太阳能电池等光电子器件中有着广泛的应用。二十世纪五十年代，氟掺杂氧化锡(SnO2：F)和锡掺杂氧化铟(In2O3：Sn)被开发出来并先后实现了工业化应用，两者均具有很高的掺杂效率，即很高的载流子浓度，因而具有优越的电学性能。但正是由于强的载流子吸收，使其对红外光具有较低的透过率，因此限制了其在红外探测器等领域的应用。另外，两者都还存在易被氢等离子体还原的问题，此问题会对等离子体增强型化学气相沉积工艺制备的薄膜硅太阳能电池产生显著的负面影响。被氢等离子体还原的金属离子或原子会扩散到光学吸收层，劣化器件性能。由于ZnO基透明导电薄膜具有低原料成本、环境友好、耐氢等离子等优点，因此其引起了人们的广泛关注。现有的可制备出低电阻率ZnO基透明导电薄膜的方法包括磁控溅射法和金属有机化合物气相沉积法等物理方法，但是这些方法都需要昂贵的大型的真空设备。而溶胶-凝胶法具备非真空薄膜生长环境、多样化制膜方法、在粗糙衬底上可实现平坦表面等特点，具备科学研究和商业应用的价值。虽然目前已有使用溶胶-凝胶法得到具有低电阻率的ZnO基透明导电薄膜的技术，但是目前普遍采用乙二醇甲醚(2-methoxyethano)、甲醇(methanol)等有毒有机溶剂。另外，目前很少有将溶胶-凝胶法制备的ZnO基透明导电薄膜作为透明电极应用到薄膜太阳能电池中并获得较好的性能。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点；通过此方法得到的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及平坦的表面；此掺杂氧化锌透明导电薄膜可广泛应用于液晶显示器、电致发光器件、薄膜太阳能电池等光电子器件。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；利用所述先驱液在衬底上形成薄膜；将所述薄膜在氮气气氛进行热处理；以及将所述薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理。在本公开的一些实施例中，所述二水合乙酸锌的浓度为0.5～0.75mol/L。在本公开的一些实施例中，所述先驱液还包含稳定剂乙醇胺，所述二水合乙酸锌和乙醇胺的摩尔比为1∶1。在本公开的一些实施例中，所述二水合乙酸锌和六水合三氯化铝的摩尔比为0.008∶1～0.012∶1。在本公开的一些实施例中，在将所述薄膜在氮气气氛进行热处理的步骤中，将薄膜放入一导入氮气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在400℃～650℃的加热炉中保温1h～4h，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述氮气导入加热炉的流速为0.8～1L/min。在本公开的一些实施例中，在所述将薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理的步骤中，将薄膜放置在导入97％的氮气和3％的氢气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述97％的氮气和3％的氢气的合成气体导入加热炉的流速为0.8～1L/min。在本公开的一些实施例中，将薄膜在450℃～500℃的加热炉中保温5～60min的步骤之前，还包括：在所述薄膜表面放置一个玻璃片，该玻璃片的面积大于该薄膜的面积。根据本公开的另一个方面，提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，其采用所述的氧化锌透明导电薄膜制备方法形成。在本公开的一些实施例中，所述铝掺杂氧化锌透明导电薄膜为包含多个晶粒的多晶体，所述晶粒的粒径为20～30nm。根据本公开的另一个方面，提供了一种薄膜太阳能电池，包括阳电极，所述阳电极为所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜、制备方法及薄膜太阳能电池至少具有以下有益效果其中之一：(1)本公开提供的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，通过采用溶胶-凝胶法制备铝掺杂氧化锌透明导电薄膜，且以无毒的无水乙醇作为溶剂，具有低公害、制造工艺简便、以及成本低廉等优点；(2)通过本公开提供的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜制备方法制备的氧化锌透明导电薄膜的电阻率可达9.89×10-4Ω·cm，且薄膜表面品粒的粒径为20～30nm，因此该薄膜具备表面粗糙度最小可达2.1nm的平坦表面和优良的导电性能；(3)与在真空条件下制备的氧化锌薄膜相比，本公开通过溶胶凝胶法及热处理工艺制备的氧化锌透明导电薄膜具有非致密的结构，使得光线在晶界等空隙处穿过，因此该薄膜在400nm-1600nm区域表现出高于85％的透过率；(4)本公开提供的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具备平坦的表面和在可见光区域内具有较高的透过率，因此将本公开制备的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜作为透明电极，制备了开路电压0.91V和转换效率约7％的非晶硅单结薄膜太阳能电池。附图说明图1为本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法的流程图。图2为本公开第一实施例中薄膜ITO、AZOSG1和AZOSP1表面的SEM图片。其中，图2中(a)、(b)、(c)分别为ITO、AZOSG1、AZOSP1表面的SEM图片。图3为本公开第一实施例中制备的ZnO：Al透明导电薄膜和参考透明导电薄膜ITO、AZOSP1的紫外-可见-近红外的透射光谱和吸收光谱。其中，图3中(a)和(b)分别为透射光谱和吸收光谱。图4为本公开第二实施例中铝掺杂氧化锌透明导电薄膜AZOSG2的表面形貌图片。图5为本公开第二实施例中AZOSG2和AZOSP2透明导电薄膜的紫外-可见-近红外的透射光谱与吸收光谱，其中，图5中(a)和(b)分别为透射光谱和吸收光谱。图6为采用AZOSG1和AZOSG2透明导电薄膜作为阳电极制作的非晶硅单结薄膜太阳能电池的电压与电流密度的曲线。具体实施方式为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。本公开提供了一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，图1为本公开一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法的流程图。首先以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，乙醇胺为稳定剂配置溶胶-凝胶先驱液，然后利用陈化的先驱液制备薄膜并加以两步热处理工艺，制备了铝掺杂氧化锌透明导电薄膜；通过此方法得到的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜具有优良的导电性能、高可见光透过率以及本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；利用所述先驱液在衬底上形成薄膜；将所述薄膜在氮气气氛进行热处理；以及将所述薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理。

【技术特征摘要】
1.一种铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括：以二水合乙酸锌为溶质，六水合三氯化铝为掺杂剂，无水乙醇为溶剂，配置先驱液；利用所述先驱液在衬底上形成薄膜；将所述薄膜在氮气气氛进行热处理；以及将所述薄膜在氮气和氢气的合成气氛中进行热处理。2.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，所述二水合乙酸锌的浓度为0.5～0.75mol/L。3.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，所述先驱液还包含稳定剂乙醇胺，所述二水合乙酸锌和乙醇胺的摩尔比为1∶1。4.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，所述二水合乙酸锌和六水合三氯化铝的摩尔比为0.008∶1～0.012∶1。5.根据权利要求1所述的铝掺杂氧化锌透明导电薄膜的制备方法，其中，在将所述薄膜在氮气气氛进行热处理的步骤中，将薄膜放入一导入氮气的红外线灯加热炉中，并将薄膜在400℃～650℃的加热炉中保温1h～4h，然后薄膜随加热炉自然冷却；其中，所述氮气导入加热炉的流速为0.8...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟磊，杨涛，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11