铜掺杂氧化锡透明导电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铜掺杂氧化锡透明导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜由三层薄膜组成，依次为氧化硅、氧化钛、铜掺杂氧化锡层，其中，氧化硅的厚度为6-9纳米，氧化钛的厚度为7.8-16.5纳米，铜掺杂氧化锡的厚度为123.8-548.7纳米，铜在氧化锡层的掺杂质量百分含量为0.8%-3.1%。本发明专利技术公开了一种铜掺杂氧化锡透明导电薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：选择并清洗基片材料；利用磁控溅射工艺沉积在所述的基片表面沉积扩散阻挡层；利用磁控溅射工艺在扩散阻挡层表面沉积一层过渡层；利用磁控溅射工艺在过渡层表面沉积铜掺杂氧化锡层。本发明专利技术薄膜具有良好的导电性和高透明性，可广泛用于太阳能电池、光电等技术领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种导电薄膜及其制备方法，特别是涉及一种铜掺杂氧化锡薄膜透明导电薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着资源的日益耗尽，太阳能的利用备受重视，特别是在近几年，光伏器件的研发在商业和住宅设施中的应用显示了巨大的潜力。典型的薄膜光伏器件中透明导电氧化物(TCO)薄膜是具有低电阻率和高透射率的材料。由于太阳光在可见范围的能量只占发光全波长范围(300-2500nm)的43%。在紫外区域(300_400nm)的能量仅占5%，在近红外区域(700-2500nm)的能量却要占总能量的52%。而常见的TCO材料，有In2O3:Sn (ITO)^SnO2:F(FTO)和Ζη0:Α1，但是他们在近红外区域都有高反射率和低透射率，因而限制了他们作为透明电极的太阳电池对长波段太阳辐射的优先利用。一般来说，透明导电氧化物前电极通常是由厚度不超过1000纳米厚的氧化锡(SnO2)或者氧化锌(ZnO)薄膜组成。氧化锡是一种具有直接带隙的宽禁带半导体材料，与氧化锌相比，氧化锡材料具有带隙宽、高透光率、制备温度低、稳定性好等优点；而氧化锌易吸潮无论采用化学气相沉积还是物理气相沉积的方法，都要对沉积后的薄膜进行烘焙(baking)，因此，氧化锡是一种理想的制作透明导电氧化物前电极的材料。薄膜光伏器件的透明导电前电极的具体要求是高于80%的光透明度和较高的导电率，而且还要有较高的表面粗糙度(texture，绒性)，使其具有近于10%或者更高的光散射率(haze ratio)，使入射光能以较大的角度进入光电转换区域。因此，透明导电前电极同时兼有高透明度、高导电性、高绒性、以及高沉积速率都是提高性能的至关因素。目前，Joseph等用化学气相沉积工艺制备了氧化锡掺杂金属的透明导电薄膜。由于气相沉积方法沉积时温度高 ，这就限制了基片必须要能耐高温，因此聚合物及柔性材料就不能作为基片材料。在现代化的工业生产中，普遍采用大气压化学气相沉积(APCVD)工艺沉积氧化锡薄膜，利用低压化学气相沉积(LPCVD)或者派射(sputtering)工艺来沉积氧化锌薄膜。APCVD工艺需要在较高的温度500 - 600°C，这是很多有机柔性衬底所不能承受的温度，而且该工艺过程的可控性较差。
技术实现思路
为了改善现有技术的不足，本专利技术提供一种制备工艺可控、高效、成本低、性能优异的透明导电薄膜及其方法。本专利技术的工艺方法及能够适用于太阳能电池、建筑或者汽车领域。本专利技术的膜层是透明导薄膜，结构是由扩散阻挡层、过渡层和掺杂氧化锡层组成的叠层结构，其中扩散阻挡层的材料为氧化硅，作用是能够阻挡玻璃基板中的金属元素扩散到氧化锡膜中影响其透明度；过渡层的材料优选为氧化钛(Ti02)。本专利技术在玻璃基板上利用磁控溅射的方法依次沉积氧化硅薄膜、氧化钛膜、铜掺杂氧化锡薄膜，使其具有沿着玻璃基板到氧化锡薄膜的方向依次增加的光折射系数，使得光折射系数能够由玻璃的折射系数值逐渐过渡到氧化锡薄膜的折射系数，避免了传统的在玻璃表面直接沉积氧化锡薄膜所造成的光折射系数突变而造成的反射和折射中的光损耗；另外通过磁控溅射方法中的工艺控制，可以实现薄膜多方向、多角度沉积，所得到的膜层具有较高的表面粗糙度，使得整个透明导电前电极表面具有绒性结构，增加了入射光的吸收率，进而提高光电转换效率。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案: 本专利技术提供一种铜掺杂氧化锡透明导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜由三层薄膜组成，依次为氧化硅、氧化钛、铜掺杂氧化锡层，其中，氧化硅的厚度为6 9纳米，氧化钛的厚度为7.8 16.5纳米，铜掺杂氧化锡的厚度为123.8 548.7纳米，铜在氧化锡层的掺杂质量百分含量为0.8% 3.1%。本专利技术提供一种铜掺杂氧化锡透明导电薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)选择并清洗基片材料； (2)利用磁控溅射工艺沉积在所述的基片表面沉积扩散阻挡层； (3)利用磁控溅射工艺在扩散阻挡层表面沉积一层过渡层； (4)利用磁控溅射工艺在过渡层表面沉积铜掺杂氧化锡层。所述的扩散阻挡层为氧化硅薄膜，溅射时压强为0.8Pa、溅射功率为射频60W。所述的过渡层为氧化钛薄膜，溅射压强为IPa，氧化钛的溅射功率为直流50W。所述的采用双靶共溅射的方法沉积铜掺杂氧化锡薄层，共溅射时靶材分别为氧化锡靶和金属铜靶，基片与金属铜靶的距离为40-30厘米，基片与氧化锡靶材的距离为20厘米，氧化锡溅射功率为直流90-160W，金属铜靶的溅射功率为直流10-20W。溅射沉积时，以氩气作为溅射气体。首先沉积氧化硅层，调节腔内压强至0.8Pa，溅射时氧化硅的溅射功率为射频60W，控制溅射时间，沉积的厚度范围在6 12nm之间；然后继续溅射过渡层氧化钛膜，此时，压强调节至3Pa，氧化钛靶的溅射功率为直流50W，溅射时间，沉积得到厚度为7.8 15.6nm的氧化钛膜。磁控溅射制备掺杂氧化锡薄膜时，采用双靶共溅射的方法:一种靶材是氧化锡靶，另一种靶材是金属靶；为实现低掺杂的薄膜，通过调节磁控溅射靶材与基片间的距离和靶材的溅射功率来实现。基片与金属铜靶的距离为40 30cm，基片与氧化锡靶材的距离为20cm ;氧化锡溅射功率范围是直流90 160W，金属铜靶的溅射功率为直流10-20W ;所述的掺杂铜金属的质量百分含量为0.8 3.1%。利用表面轮廓仪测试掺铜氧化锡薄膜的平均粗糙度在25_43nm之间；利用紫外可见近红外分光光度计测试薄膜的透光率，结果表明其可见光(400 700nm)和近红外(700 2500nm)平均透射率分别为87%和92%以上(不含基片)；利用四探针仪测试样品的方块电阻和厚度，计算得到薄膜的电阻率在2.81X10-4 4.66Χ10_4Ω.cm。本专利技术的优点: 磁控溅射方法，是一种物理方法，可以实现低温沉积薄膜，基地材料则不受限制，玻璃或者聚合物等柔性材料都能作为基片；另外，其通过控制工艺参数，如压强、溅射功率等工艺参数，可以实现薄膜多方向，多角度沉积，所得到的膜层具有较高的表面粗糙度，使得整个透明导电前电极表面具有绒性结构，增加了入射光的吸收率。磁控溅射工艺还可以连续制备多层膜结构，依次沉积氧化硅薄膜、氧化钛薄膜、氧化锡薄膜，使得在线生产成为可能，也可提高生产效率和降低制造成本。具体实施例方式实施例1: 以普通玻璃为基片，经丙酮中超声清洗、气枪吹干后，待沉积薄膜；溅射时，以氩气作为溅射气体，首先沉积氧化硅层，调节压强至0.8Pa，溅射时氧化硅的溅射功率为射频60W，溅射时间3min，得到厚度为9nm的氧化硅膜；然后继续溅射过渡层氧化钛膜，此时，压强调节至IPa，氧化钛靶的溅射功率为直流50W，溅射时间为2min，沉积得到厚度为15.6nm的氧化钛过渡层；最后制备铜掺杂氧化锡层。共溅射时，调整基片与金属铜靶的距离为40cm，基片与氧化锡靶材的距离为20cm。氩气的压强调至为3Pa，氧化锡靶材和铜靶的溅射功率直流160W和直流10W，溅射时间lOmin，沉积得到厚度为470nm的掺铜氧化锡薄膜，其中铜的质量百分含量为0.8%。利用光学表面轮廓仪测试掺铜氧化锡薄膜的平均粗糙度是43nm ;利用紫外可见近红外分光光度计测试薄膜的透光率，结果表明其可见光(400 700nm)和近红本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜掺杂氧化锡透明导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜由三层薄膜组成，依次为氧化硅、氧化钛、铜掺杂氧化锡层，其中，氧化硅的厚度为6～9纳米，氧化钛的厚度为7.8～16.5纳米，铜掺杂氧化锡的厚度为123.8～548.7纳米，铜在氧化锡层的掺杂质量百分含量为0.8%?3.1%。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毛启明，姜来新，尹桂林，何丹农，
申请(专利权)人：上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：