柔性衬底太阳电池面电极ZnOAl的研究.pdf

柔性衬底太阳电池面电极(ZnO:Al)的研究 张 晓 王雅欣 何 青 张德贤 （南开大学信息科学与技术学院，天津 300071 ） 摘 要：采用孪生对靶直流磁控溅射方法，在载玻片和聚酰亚胺(PI)衬底上，低温条件下制备了ZnO:Al(ZAO)薄膜材 料，主要用于柔性衬底硅基薄膜太阳电池的面电极。制备的ZAO 薄膜的电阻率为4×10-4O ·cm，迁移率达到30 cm2/v.s 以上。XRD 测试结果表明，薄膜晶化程度较高，而且都具有C 轴择优取向。薄膜在可见光波长范围内的透过率大于 85 ％，满足太阳能电池面电极材料的要求。 关键词：磁控溅射；ZAO 薄膜；柔性衬底硅基薄膜太阳电池 1 引 言 ZnO 是一种宽禁带直接带隙半导体，其室温禁带宽度为3.37 eV[1] 。ZnO 薄膜在可见光范围内的 透过率一般大于80 ％，而且其原材料丰富廉价、无毒害、具有很高的热稳定性。此外，ZnO 基薄膜 在氢等离子体环境中化学稳定性很好，因此低电阻率的透明ZnO 薄膜被广泛地应用于平板显示器件、 透明电极、太阳能电池的窗口材料等领域。未掺杂的ZnO 具有本征N 型半导体的特征，导电性能主 [2,3] 6 要来自填隙锌原子 ,有时局部也表现为氧空位，电阻率高于 10 O.cm。目前常用的ZnO 薄膜的制备 方法主要有：金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)、磁控溅射法(Magnetron Sputtering)、分子束外 延法(MBE) 、脉冲激光沉积法(PLD)、溶胶－凝胶法(Sol-gel) 、喷雾热解法(SP)等等。 对于聚酰亚胺柔性衬底硅基薄膜太阳电池, 由于聚合物衬底材料的限制, 电池制备就需要采用倒 结构(n-i-p)和比较低的沉积温度(160～200℃) ，所以理想的窗口层电极材料应具有宽带隙和高电导 率，并且沉积温度不易过高，尽量减小沉积过程对电池的损伤。为了进一步提高ZnO 薄膜的导电性 -4 能，我们在ZnO 薄膜中掺入Al，引入n 型掺杂，ZAO 的电导率可以达到10 O.cm。本实验采用孪 生对靶直流磁控溅射法，在衬底未加温的条件下制备ZAO 薄膜。这种方法可以降低高能等离子体对 基片( 电池)表面的轰击作用，减少对电池性能的影响。而且沉积速率高，晶相结构好，其电学性能与 光学性能均符合电池窗口层的要求。实验主要研究了溅射气压和溅射电流对薄膜性能的影响，优选 出适合作为柔衬底太阳能电池窗口层材料的最佳工艺参数。 2 实 验 实验选用掺Al(5wt %) 的ZnO 陶瓷靶。两个靶呈矩形，长173mm，宽54mm，相对放置，距离 为65m 左右。样品放在高于两靶上边缘2cm 的位置。玻璃衬底先用去离子水加入专用清洗剂在超声 波仪器中清洗，然后放入真空干燥箱烘干。溅射气体为高纯Ar(99. 999 %) ，总压强范围是0.2 Pa 至 1.0 Pa，溅射电流在0.2A 至0.6A 之间，溅射电压固定在350V。 实验使用(美国AMBIOS XP －2 型) 台阶仪测量膜厚，使用荷兰制造的X’Pert Pro 型XRD 测定薄 膜结构特性，用美国Accent HL －5500 型霍耳综合测试仪测量薄膜的电阻率和电子迁移率，用 VSU2 －P 型分光光度计测量薄膜透射率。 152 3 结果与讨论 3.1 溅射气压的影响 选择0.4Pa 至 1.0Pa 不同溅射气压条件制备ZnO:Al 薄膜，薄膜的厚度控制在900nm 左右。随着 气压增大，沉积速率由0.625nm/s 减小到0.37nm/s ，当气压大于0.7Pa 以后，速率减小的速度变小。 这主要是因为，增加溅射气压，等离子体中电子的密度增大，粒子在输运过程中碰撞几率增大，能 量降低，到达基片表面的速率降低，因此生沉积速率变慢。 图1 给出了不同溅射气压条件下制备的ZnO:Al 薄膜的XRD 测试结果。从结果中可以看到，制备的 ZAO 薄膜晶化程度良好，ZnO 薄膜的(002)衍射峰很强，具有很强的c 轴择优取向,表明薄膜沿c 轴 [4] 垂直于衬底表面生长 。