透明导电膜与制备方法、溅射靶与透明导电性基板及太阳能电池技术

本发明专利技术公开一种透明导电膜与制备方法、溅射靶与透明导电性基板及太阳能电池，利用高密度掺钛氧化锌靶材与磁控溅射工艺技术制作透明导电薄膜，该透明导电膜中锌原子所占份数为98 at%～99 at%，钛原子所占份数为1 at%～2 at%。本发明专利技术提供的透明导电膜具有优良的光电特性，电阻率低于1x10

【技术实现步骤摘要】
透明导电膜与制备方法、溅射靶与透明导电性基板及太阳能电池
本专利技术涉及透明导电薄膜
，尤其涉及一种透明导电膜与制备方法、溅射靶与透明导电性基板及太阳能电池。
技术介绍
氧化锌是一种宽禁带半导体，具有60毫电子伏特的高束缚能，其带隙宽度约为3.3电子伏特，对可见光具有高透过率，而且容易实现n型掺杂。氧化锌有很多种光电产品的应用，譬如：太阳能产品，发光二极管，蓝光激光二极管，平面显示器等。由于现代科技的发展对新能源的需求和应用越来越广泛，氧化物透明导电膜作为一种重要的光电子功能材料，广泛应用于太阳能电池、平板显示、热辐射反射镜等领域。以氧化锌为基体进行掺杂的氧化锌基透明导电膜已经成为当前的研究重点。常见的氧化锌基透明导电膜时常利用掺杂铝、镓、铟等元素来增进n型导电膜的导电率。如此的三价阳离子的掺杂可以达到好的电子导电率与高的可见光透过率。（1）CN103646972B，应用整体厚度为1800nm氧化锌基透明导电膜，利用掺杂物质为B、Al、Ga中的一种或几种做梯度掺杂和氢等离子体刻蚀工艺制备出的前电极氧化锌薄膜，700-2000nm近红外波段光学透过率高达77.7%，提升1.7%，该掺杂工艺大大提高膜层的陷光效果，改善了近红外光区域的光学透过率。（2）CN105565798A，采用溅射方式镀制掺杂Ba2O3的氧化锌薄膜500nm，掺杂Ba2O3氧化锌薄膜於550nm波长处的透光率高于85%，电阻率平均大于10-1Ωcm。（3）CN102719797A制备具有上转换功能的氧化锌基透明导电薄膜，以ZnO为基体材料，在ZnO基体材料中掺杂Al3+、Yb3+、Er3+、Tm3+元素中的一种、两种或两种以上，控制Zn与所掺杂元素的原子摩尔比为10：1~100：1。该透明导电薄膜的制备方法为：将ZnO与Al2O3、Yb2O3、Er2O3、Tm2O3中的一种、两种或两种以上进行配制并制备溅射用陶瓷靶材，控制Zn与所掺杂金属离子的原子摩尔比为10：1～100：1，在溅射设备中溅射制得ZnO基透明导电薄膜。ZnO基透明导电薄膜在可见光区(400~900nm)的平均透过率在75%~98%范围内，其电阻率在8.0×10-3~1.0×10-4Ω•cm范围内，可吸收800nm~1700nm波长的近红外光并发出可见光。（4）CN101834009B专利技术中涉及一种用铟掺杂氧化锌透明导电膜材料及其制备方法。该方法采用多靶共溅磁控溅射技术，采用氧化锌陶瓷靶和铟金属靶共溅的方法，在普通碱玻璃及石英玻璃衬底上制备出具有多晶结构的ZnO:In透明导电膜。工艺条件为：氩气和氧气混合工作气体压强为0.2～2.0Pa，氧气与氩气体积比为0～0.2，氧化锌靶及铟靶溅射功率分别为50～200W和5～40W，衬底温度为室温～500℃，偏压为0～-200V。制得的透明导电膜中铟原子数含量低至2％，具有很好的导电性能，在400～1100nm透过率大于90％。（5）CN102534498A公开了一种掺镓氧化锌透明导电膜的制备方法，包括步骤：制备Ga2O3:ZnO陶瓷靶材；对镀膜设备的腔体进行真空处理；调整磁控溅射镀膜工艺参数，进行镀膜处理。制备掺镓氧化锌透明导电膜，所用的靶材是单一Ga成份的靶材，通过调整磁控溅射镀膜工艺参数，制备出不同Ga含量的薄膜；本专利技术的掺镓氧化锌透明导电膜电阻率随着Ga含量的增加，先降低后升高，在Ga含量为4.6wt％时达到最低6.6×10-4Ω•cm，且其可见光平均透过率大于85％。上述已有技术存在如下不足之处：由于本征ZnO材料的电阻率较高，为了满足作为透明导电材料的要求，需要通过掺杂Al、Ga等元素来提高透明导电膜的导电能力，但是由于氧化锌基透明导电膜有近红外光(本文中尤指800-1300nm)的光吸收现象，此现象导致近红外光能量无法穿透导电膜，从而造成太阳能材料无法吸收转成电能。因此，为了提高太阳能电池的转换效率，需要提供一种既能够满足低电阻率要求、又具有高近红外光区平均透光率的透明导电膜。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题之一是提供一种具有优良的光电性能的透明导电膜及其制备方法，既满足低电阻率的要求，又能够提升近红外光区平均透光率。经由上述的前沿技术，本专利技术提出一种采用四价阳离子掺杂进入氧化锌基薄膜的技术。由于四价阳离子比三价阳离子多一个价电子，所以四价阳离子在取代氧化锌中的二价锌离子Zn2+时，可以提供两个电子来贡献于透明导电膜的导电率。优选地，使用掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材，采用溅射工艺在基板上制得透明导电膜。由于Ti4+是四价阳离子，并有68pm的离子半径，其相当接近于锌离子的74pm离子半径，因此，四价钛离子很容易把锌离子置换出来，且对主晶格的影响较小，非常适合于掺杂进入氧化锌基薄膜当中。当一个杂质离子（如Ti4+）取代氧化锌晶格中的Zn2+离子后，对电子的散射几率与离子电荷数的平方成正比，对氧化锌晶体内部周期势场的影响半径与离子电荷数成正比。也即，掺杂二氧化钛的氧化锌（本文中亦简称为掺钛氧化锌）薄膜与掺杂氧化铝的氧化锌（本文中亦简称为掺铝氧化锌）薄膜相比，单个Ti4+离子对电子的散射几率为单个Al3+离子的16/9倍；在掺杂效应贡献相同的电子浓度下，Ti4+浓度仅为Al3+的1/2；故Ti4+离子对电子的总杂质离子散射几率仅为Al3+离子的8/9=0.88。故掺钛氧化锌的电子迁移率在同等或者相当（即，掺杂效应贡献等同的离子浓度）的条件下，高于掺铝氧化锌，进而可以提高近红外光波长的透过率。为解决上述的技术问题，本专利技术提供一种透明导电膜，所述透明导电膜包含锌元素、氧元素，以及钛元素，所述透明导电膜中锌原子所占的份数为98at%～99at%，所述钛原子所占的份数为1at%～2at%。进一步地，所述透明导电膜的电阻率为（0.4~1）╳10-3Ω•cm，当所述透明导电薄膜厚度为1000nm时，（800～1300）nm近红外光区平均透过率≥80%。进一步地，所述透明导电膜的晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，方块电阻为（4~10）Ω/□，载流子浓度为（4~9.3）×1020/cm3，迁移率为（43~57.6）cm2V-1S-1。为解决该技术问题，本专利技术还提供了一种上述的透明导电膜的制备方法，所述透明导电膜是使用掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材，采用磁控溅射工艺在基板上沉积制得；其中，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材，掺杂二氧化钛的范围为1at%~2at%。进一步地，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材的纯度不低于99.9％，相对密度不低于94%。进一步地，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材掺杂二氧化钛的范围为1.7at%，制得的所述透明导电膜的电阻率为4╳10-4Ω•cm。进一步地，采用磁控溅射工艺制备所述透明导电膜时的工艺参数如下：衬底温度150~250℃，工作气压1.5~3mtorr，腔体底压0.005mtorr。进一步地，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材是采用凝胶注模成型（Gel-Casting）、冷等静压（ColdIsostaticPressing，简称CIP）、热等静压（HotIsostaticPressing，简称HIP）、或者热压烧结（Hotpressing，简称HP）工艺制得。此外，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种透明导电膜，其特征在于，所述透明导电膜包含锌元素、氧元素，以及钛元素，所述透明导电膜中锌原子所占的份数为98 at%～99 at%，所述钛原子所占的份数为1 at%～2 at%。

【技术特征摘要】
1.一种透明导电膜，其特征在于，所述透明导电膜包含锌元素、氧元素，以及钛元素，所述透明导电膜中锌原子所占的份数为98at%～99at%，所述钛原子所占的份数为1at%～2at%。2.如权利要求1所述的透明导电膜，其特征在于，所述透明导电膜的电阻率为（0.4~1）╳10-3Ω·cm，当所述透明导电薄膜厚度为1000nm时，（800～1300）nm近红外光区平均透过率≥80%。3.如权利要求2所述的透明导电膜，其特征在于，所述透明导电膜的晶体结构为沿(002)取向的六方纤锌矿相结构，方块电阻为（4~10）Ω/□，载流子浓度为（4~9.3）×1020/cm3，迁移率为（43~57.6）cm2V-1S-1。4.一种如权利要求1、2或3之任一项所述的透明导电膜的制备方法，其特征在于，所述透明导电膜是使用掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材，采用磁控溅射工艺在基板上沉积制得；其中，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材，掺杂二氧化钛的范围为1at%~2at%。5.如权利要求4所述的透明导电膜的制备方法，其特征在于，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材的纯度不低于99.9％，相对密度不低于94%。6.如权利要求5所述的透明导电膜的制备方法，其特征在于，所述掺杂二氧化钛的氧化锌基陶瓷靶材掺杂二氧化钛的范围为1.7at%，制得的所述透明导电膜的电阻率为4╳10-4Ω·cm。7.如权利要求4、5或6之任一项所述的透明导电膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射工艺制备所述透明导电膜时的工艺参数如...

【专利技术属性】
技术研发人员：林俊荣，杨本润，高明，魏怡心，
申请(专利权)人：汉能联创移动能源投资有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11