本发明专利技术提供了一种籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜及其制备方法。本发明专利技术借助衬底上氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层的辅助，将掺杂氧化锌薄膜沉积过程中同时发生的成核/生长过程分离成两个独立的阶段，即形成高定向、致密籽晶层和以该籽晶层为起始晶核快速生长出表面粗糙的织构化薄膜。本发明专利技术制备的氧化锌薄膜具有独特特点的高度织构化表面(更好的陷光或光捕获效应)，其透明导电性能远优于同类文献报道。本发明专利技术简单易行、制造成本低，适于大规模生产，能与太阳电池制备工艺匹配，在透明电子学和新型光电器件领域具有广泛的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于透明导电氧化物(TCO)薄膜
技术介绍
透明导电氧化物(TCO)薄膜是关键的光伏配套材料，占非晶硅、a-Si薄膜电池成本的30-40%。透明导电薄膜在同种材料中兼具通常不兼容的高透明度和高电导率，主要属于η型电子导电，目前常用的主要包括IruSn和Zn的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料。由于三氧化二铟(ITO)、二氧化锡基(FTO)中的重原子在光伏电池吸光层中的扩散、在中高温还原气氛下的性能衰退以及铟资源的稀缺和昂贵，掺杂氧化锌(ZnO)的TCO薄膜成为高效和低成本光伏薄膜电池的最佳选择。掺杂氧化锌的透明导电氧化物(TCO)薄膜，包括掺铝氧化锌(ΑΖ0)、掺硼氧化锌 (BZO)等，不仅具有优异的低电阻率和高透过率等光电特性，而且其原料价格低、材料无毒， 已经成为薄膜太阳能电池中极具竞争力的新一代透明导电材料(T. Tohsophon, J. Hupkes, etc.Thin Solid Films 516,2008,4628 ；Oliver Kluth, Gunnar Schope, etc.ThinSolid Films 442,2003,80 ；Μ. Berginski, J. Hupkes, etc.Thin Solid Films 516,2008,5836 ； S. Calnan, J. Hupkes,etc.Thin Solid Films 516,2008,1242)。目前，掺杂氧化锌的透明导电氧化物薄膜的低成本、规模化制备是高效薄膜电池中的竞争焦点。为了更有效地提高太阳电池的光电转换效率，在目前的工艺中，一种较为有效的措施即是对透明导电电极的结构进行改进，使其表面形成织构结构。传统的方法主要是通过低压化学气相沉积(LPCVD)或者磁控溅射后用稀盐酸或稀硝酸或者等离子干法刻蚀对其表面进行处理以达到表面织构化的目的。(S. Fay · ，S. Dubail, etc. Sol. EnergyMater. Sol. Cells 86,2005,385 ;J.Yoo, J. Lee, etc.Thin Solid Films 480 481， 2005，213)。但这两种方法都因工艺复杂且不可控而难以形成质量稳定的织构化ZnO膜。另外，湿法表面腐蚀反应还会对膜的内部结构造成一定的损伤，使膜内出现较多的晶界、位错等缺陷，膜的机械强度下降，从而影响太阳电池的性能；而等离子体干法蚀刻还存在工艺复杂、成本高等问题，难以适用于大规模化生产。
技术实现思路
本专利技术提供了一种籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜，相比较于现有技术，简单易行、制造成本低、无需后续酸腐蚀，同时又具有良好的薄膜性能，且工艺可控、 产业化前景好，从而解决了现有技术中存在的问题。本专利技术的第一目的在于提出一种籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜。本专利技术的第二目的在于提出上述籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜的制备方法。本专利技术的第一方面，提供一种籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜，包括一层具有一个固定晶轴取向的氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层，和在该籽晶层上沿该固定晶轴取向具有表面织构化结构的掺杂氧化锌覆盖层，其中所述掺杂氧化锌的掺杂元素包括B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Sn、Pb、Ti、&和Hf 中的一种或几种；所述掺杂氧化锌籽晶层 或掺杂氧化锌覆盖层中掺杂元素总量为Zn元素的0.25mol% IOmol %，优选 0. 25mol% 5mol %，进一步优选 0. 5mol% 3. Omol % ；所述籽晶层的厚度为20nm 250nm，优选的厚度为80nm 150nm ；所述籽晶层和覆盖层的总厚度为600nm 3.0μπι，优选的总厚度为800nm 1.8 μ m ；所述的表面织构化结构为由多个棱锥结构同时分布在同一表面上，单个棱锥结构的底面到顶点的高度，不超过500nm(纳米)。所述的单个棱锥优选底面任意两点间的最大长度不超过1. 0 μ m (微米)。所述固定晶轴取向优选c轴；所述氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层的晶型优选闪锌矿结构。所述籽晶层辅助的表面织构化掺杂氧化锌透明导电薄膜的表面粗糙度的范围为 15nm 60nm，其360nm雾度因子为20% 80%。所述的籽晶层辅助的表面织构化掺杂氧化锌透明导电薄膜，优选的薄膜表面粗糙度的范围为25nm 60nm，其360nm雾度因子为30% 80%。本专利技术的第二方面，提供一种籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜的制备方法，包括在衬底上制备一层具有一个固定晶轴取向的氧化锌籽晶层，及，在该氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层上沿该固定晶轴取向以磁控溅射法制备一层掺杂氧化锌覆盖层，其中所述掺杂氧化锌的掺杂元素包括B、Al、Ga、In、Sc、Y、Si、Ge、Sn、Pb、Ti、&或Hf 中的一种或几种；所述掺杂氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌覆盖层中掺杂元素总量为Zn元素的0.25mol% IOmol %，优选 0. 25mol% 5mol %，进一步优选 0. 5mol% 3. Omol % ；所述籽晶层的厚度为20nm 250nm，优选的厚度为80nm 150nm ；所述籽晶层和覆盖层的总厚度为600nm 3.0μπι，优选的总厚度为SOOnm 1.8 μ m。所述覆盖层优选具有表面织构化结构。所述的表面织构化结构优选为由多个棱锥结构同时分布在同一表面上，单个棱锥结构的底面到顶点的高度，不超过500nm(纳米)。所述的单个棱锥优选底面任意两点间的最大长度不超过1. 0 μ m (微米)。所述固定晶轴取向优选c轴；所述氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层的晶型优选闪锌矿结构。所述氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层的制备方法为本领域技术人员已知的，包括溶胶凝胶法提拉或溶胶凝胶法旋涂或溶胶凝胶法刮涂、磁控溅射法、热蒸发法、脉冲激光沉积法，其中，溶胶凝胶法提拉或溶胶凝胶法旋涂或溶胶凝胶法刮涂优选的工艺条件为选用的原料为醋酸锌Zn(CH3COO)2 · 2H20, Zn离子的浓度为0. 05mol/L 1. 5mol/L，退火温度为 400°C 800°C，退火时间为 20min 90min。 磁控溅射法优选的工艺条件为控制工作压力为IPa 3Pa，优选为1. 5Pa 2. 5Pa ；沉积时间为5min 18min，优选为5min 15min ；直流溅射或射频溅射功率为 20W 60W，优选为20W 55W，进一步优选为30W 50W。热蒸发法优选的工艺条件为蒸发温度为350°C 650°C，沉积时间为20min 60min，蒸发源与基底的间距为4 9cm。脉冲激光沉积法优选的工艺条件为衬底温度为20°C 700°C，沉积时间为 IOmin 40min，靶材上的平均激光能量密度为2J/cm2 lOJ/cm2。所述生长掺杂氧化锌覆盖层的方法为磁控溅射法，包括以所述掺杂氧化锌的体材料为靶材，通过磁控溅射将靶材溅射到氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层上。优选的，所述磁控溅射包括直流磁控溅射、射频磁控溅射或直流磁控溅射和射频磁控溅射混合溅射。所述掺杂氧化锌覆盖层的磁控溅射法的工艺条件为控制工作压力为0. IPa 3Pa，优选为0. 2Pa本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．籽晶层辅助的表面织构化氧化锌透明导电薄膜，包括一层具有一个固定晶轴取向的氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌籽晶层，和在该籽晶层上沿该固定晶轴取向生长的具有表面织构化结构的掺杂氧化锌覆盖层，其中：所述掺杂氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌覆盖层中掺杂元素包括Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｃ、Ｙ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｔｉ、Ｚｒ和Ｈｆ中的一种或几种；所述掺杂氧化锌籽晶层或掺杂氧化锌覆盖层中掺杂元素总量为Ｚｎ元素的０．２５ｍｏｌ％～１０ｍｏｌ％；所述籽晶层的厚度为２０ｎｍ（纳米）～２５０ｎｍ（纳米）；所述籽晶层和覆盖层的总厚度为６００ｎｍ（纳米）～３．０μｍ（微米）；所述的表面织构化结构为由多个棱锥结构同时分布在同一表面上，单个棱锥结构的底面到顶点的高度，不超过５００ｎｍ（纳米）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄富强，万冬云，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31
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