一种玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜及应用

摘要

一种玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜，利用磁控溅射技术制备，以玻璃为衬底，以Zn-Al合金靶和O

说明书

【技术领域】

本发明属于太阳电池透明导电氧化物薄膜领域，特别是一种玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜及应用。

【背景技术】

透明导电氧化物(Transparent conductive oxides-TCO)薄膜指对可见光(λ＝380～780nm)的平均透过率高(T≥80％)，低电阻率(ρ≤10^-3Ωcm)的氧化物薄膜。广泛研究和应用的TCO薄膜主要是F掺杂的SnO₂:F薄膜，Sn掺杂的In₂O₃:Sn(ITO)薄膜和Al掺杂的ZnO:Al薄膜。在太阳电池应用领域，由于ITO和SnO₂薄膜在H等离子环境中容易被还原变黑导致其光学特性恶化，成为应用中的障碍。近年来，ZnO薄膜具有成本低，无毒，易于光刻加工并且在H等离子体环境中化学稳定性好，在Si薄膜太阳电池中获得了良好应用研究[参见J.Meier，S.Dubail，R.Platz，etc.Solar Energy Materials and Solar Cells，49(1997)35.]。

对于Si薄膜太阳电池(主要包括非晶硅(a-Si:H)电池、微晶硅(μc-Si:H)电池以及非晶/微晶叠层“micromorph”电池)来说，TCO薄膜的陷光(lighttrapping)作用对器件性能尤为重要[参见A.V.Shah，J.Meier，E.Vallat-Sauvain，etc.Thin Solid Films，403-404(2002)179.和A.V.Shah，H.Schade，M.Vanecek，etc.Progress in Photovoltaics，12(2004)113.]，即提高光散射能力，增加入射光的光程。陷光结构的应用可以有效增强本征层(有源层)的光学吸收，提高短路电流密度，从而提高电池效率。通常绒面结构前电极和背反射电极可实现陷光作用。绒面结构可通过调节薄膜晶粒尺寸大小，晶粒形状等特征实现粗糙表面，并且其物理化学性能有助于后续薄膜沉积(如Si薄膜)。

应用于Si薄膜太阳电池及其组件的ZnO-TCO薄膜，国际上主要是磁控溅射(magnetron sputtering-MS)和金属有机物化学气相沉积(metal organic chemicalvapor deposition-MOCVD)技术。利用磁控溅射法制备薄膜太阳电池用ZnO薄膜，通常采用Al掺杂得到较低电阻率(～10^-4Ωcm)的镜面结构；为更好地应用于太阳电池前电极，溅射后的ZnO薄膜须采取湿法刻蚀才能形成绒面结构[参见O.Kluth，B.Rech，L.Houben，etc.Thin Solid Films 351(1999)247.]，以期获得良好光散射能力。然而，调制绒面结构时，湿法腐蚀起关键作用，在大面积腐蚀ZnO薄膜形成绒面结构时具有一定的风险性和造成材料浪费(腐蚀后薄膜厚度减少)。MOCVD技术可直接生长出绒面结构的ZnO薄膜[参见X.L.Chen，X.H.Geng，J.M.Xue，etc.Journal of Crystal Growth，296(2006)43.和S.，U.Kroll，C.Bucher，etc.Sol.Energy Mater.Sol.Cells 86(2005)385.]，薄膜生长过程为无粒子轰击的热分解过程，沉积温度相对低(～423K)。但是，相比较而言，磁控溅射生长的薄膜的光电特性和稳定性较好。

本发明根据磁控溅射技术生长ZnO-TCO薄膜的特点，通过优化调节工艺技术，即调节衬底温度，溅射气压，O₂流量，溅射功率等参数，提供一种利用磁控溅射技术直接生长获得粗糙的绒面结构ZnO薄膜(即无需后续湿法刻蚀技术制绒)，并将其应用于硅基薄膜太阳电池应用的方法。上述技术特征区别于当前其他磁控溅射获得绒面结构ZnO薄膜的方法。

【发明内容】

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种镀膜温度相对低、生长速率快、光散射性能强的玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜及应用。

本发明的技术方案：

一种玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜，利用磁控溅射技术制备，以玻璃为衬底，衬底温度为(200～280)℃，以Zn-Al合金靶和O₂为原材料，其中Zn组分纯度为99.99％，掺杂剂Al组分的重量百分比含量为(0.5～3.0)％，背景真空度为8×10^-5Pa，溅射气压为(2.5～7.5)mTorr，其中氧气流量为2～30sccm，在玻璃衬底上直接生长绒面结构ZnO薄膜，薄膜厚度(900～1500)nm，薄膜结构为glass/绒面ZnO薄膜。

一种如所述玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜的制备，采用磁控溅射镀膜装置，该装置为密封结构，由溅射室和样片室构成，溅射室和样片室之间设有闸板阀控制其通断；溅射室内装置有加热器、衬底、等离子体检测源、一个离子源和两个磁控溅射源，等离子体检测源与容器外的等离子体发射谱控制器(PEM)连接，一个离子源和两个磁控溅射源分别与容器外的三个电源连接，溅射室设有两个抽真空口；样片室内设有放置样片的层式样片架，样片架通过升降装置进行切换，样片架上的样片通过推拉杆送入溅射室中的衬底上，样片室设有一个抽真空口。

一种如所述玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜德应用，应用于pin型a-Si薄膜太阳电池或a-Si/uc-Si叠层薄膜太阳电池。

本发明的优点及效果：1)利用磁控溅射技术，镀膜温度相对低，生长速率快，有利于大面积生长；2)本发明提供的磁控溅射技术，无需后续湿法刻蚀技术制绒，可直接生长获得粗糙表面的绒面结构ZnO-TCO薄膜，有利于增加光散射作用；3)应用于pin型a-Si薄膜太阳电池(电池结构glass/ZnO/pin a-Si/ZnO/Al)，获得7.6％的光电转换效率。

【附图说明】

图1为磁控溅射镀膜装置结构示意图。

图中：1.溅射室    2.样片室    3.闸板阀    4.加热器    5.衬底6.等离子体检测源    7.离子源    8-I、8-II.磁控溅射源9.等离子体发射谱控制器(PEM)    10-I、10-II、10-III.电源11-I、11-II.抽真空口    12.样片    13.样片架    14.升降装置    15.推拉杆16.抽真空口

图2为该绒面结构ZnO薄膜结构示意图。

图3为该绒面结构ZnO薄膜的SEM图像。

图4为该绒面结构ZnO薄膜应用于顶衬结构pin型a-Si薄膜太阳电池结构示意图。

图5为该绒面结构ZnO薄膜应用于顶衬结构pin型a-Si/uc-Si薄膜太阳电池结构示意图。

【具体实施方式】

本发明提出一种利用磁控溅射技术直接生长获得绒面结构ZnO薄膜及太阳电池应用的方法。

一种玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜的制备，采用磁控溅射镀膜装置，该装置为密封结构，由溅射室1和样片室2构成，溅射室1和样片室2之间设有闸板阀3控制其通断；溅射室1内装置有加热器4、衬底5、等离子体发射源6、一个离子源7和两个磁控溅射源8-I、8-II，等离子体发射源6与容器外的等离子体发射谱控制器(PEM--15)9连接，一个离子源7和两个磁控溅射源8-I、8-II分别与容器外的三个电源10-I、10-II、10-III连接，溅射室1设有两个抽真空口11-I、11-II；样片室2内设有放置样片12的层式样片架13，样片架13通过升降装置14进行切换，样片架13上的样片12通过推拉杆15送入溅射室1中的衬底5上，样片室2设有一个抽真空口16。

以下实施例均在上述磁控溅射镀膜装置上制备。

实施例1：

1、利用上述磁控溅射装置，借助高纯度Zn-Al合金靶(组分纯度：99.99％，其中掺杂剂Al组分的重量百分比含量为2.0％)和O₂作为原材料，在玻璃衬底上低温直接生长绒面结构ZnO薄膜，衬底温度为250℃，背景真空度为8×10^-5Pa，溅射气压为4.5mTorr，其中氧气流量为8.5sccm，测试获得的薄膜厚度1000nm，方块电阻～8Ω，可见光区域平均透过率～85％，薄膜表面粗糙度RMS～65nm。生长获得的薄膜结构为glass/绒面ZnO薄膜。图2为该绒面结构ZnO薄膜结构示意图。

图3为该绒面结构ZnO薄膜的SEM图像，显示该薄膜具有粗糙的表面结构，呈现“陨石坑”状，特征尺寸300-1000nm。

2、将绒面结构glass/ZnO薄膜应用于pin型a-Si薄膜太阳电池。如图4所示，玻璃衬底上镀制绒面ZnO薄膜，尔后生长p，i，n三层a-Si薄膜，最后镀制ZnO/Al复合膜层，上述特征构成太阳电池器件。经电流-电压特性测试，获得了7.6％的光电转换效率。

实施例2：

1、利用上述磁控溅射系统，借助高纯度Zn-Al合金靶(组分纯度：99.99％，其中掺杂剂Al组分的重量百分比含量为1.0％)和O₂作为原材料，在玻璃衬底上低温直接生长绒面结构ZnO薄膜，衬底温度～280℃，背景真空度为8×10^-5Pa，溅射气压～4.0mTorr，其中氧气流量为8.0sccm，测试获得的薄膜厚度为1200nm，薄膜表面粗糙度RMS～70nm，方块电阻～5Ω，可见光和近红外区域平均透过率～85％。生长获得的薄膜结构为：glass/绒面ZnO薄膜。图2为该绒面结构ZnO薄膜结构示意图。

2、将此种绒面结构glass/绒面ZnO薄膜应用于pin型a-Si/uc-Si叠层薄膜太阳电池。图5为应用于a-Si/uc-Si薄膜太阳电池电池结构示意图。玻璃衬底上镀制绒面ZnO薄膜，相继生长pin a-Si薄膜以及pin uc-Si薄膜(共计6层Si薄膜)，而后镀制ZnO/Al薄膜，上述特征构成太阳电池器件。