專利名稱：一種用于太陽能電池的氧化鋅薄膜及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種具有全日光波段光電響應(yīng)能力的氧化鋅薄膜，用于太陽能電池。該薄膜在全日光波段具有很強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)化能力，涉及太陽能電池材料、光伏材料、電子材料。
背景技術(shù)：
氧化鋅材料早在紫外光探測(cè)，光敏電阻等領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。在研究其光電響應(yīng)能力的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中，大多數(shù)都只能采用紫外光作為激發(fā)光源，而且制備方法都非常復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間長，電流特性差，制備繁瑣而且不利于規(guī)模生產(chǎn)。
利用磁控濺射方法制備氧化鋅薄膜并研究其光電轉(zhuǎn)化性能很少有報(bào)導(dǎo)。本發(fā)明即在較低的襯底溫度下濺射沉積氧化鋅納米薄膜，利用電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和氙燈模擬太陽光源對(duì)薄膜光電響應(yīng)能力進(jìn)行測(cè)試。得到良好的光電流強(qiáng)度和響應(yīng)時(shí)間特性。這說明在簡(jiǎn)單且利于規(guī)模生產(chǎn)的條件下制備出具有較大光電轉(zhuǎn)化能力的薄膜，為氧化鋅薄膜在光探測(cè)器、太陽電池領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了新的途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要內(nèi)容是本發(fā)明是應(yīng)用于太陽能電池的氧化鋅薄膜，它具有全日光波段光電響應(yīng)能力。其制備方法為在襯底溫度為室溫至500℃、工作壓力為工作氣壓0.4Pa-20Pa、射頻濺射功率為50W-300W、濺射時(shí)間20-120分鐘的條件下將氧化鋅濺射沉積在ITO/玻璃或硅襯底上得到薄膜。制備的氧化鋅薄膜厚度范圍在100-2000nm，顆粒尺寸為20-80nm，薄膜表面平均粗糙度為5nm-30nm。
用連續(xù)波長模擬太陽光源，ITO/ZnO或Si/ZnO雙層薄膜光電響應(yīng)時(shí)間低于1秒，光電流達(dá)0.11mA，具有應(yīng)用于太陽能電池的性能。
測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不僅氧化鋅薄膜具有良好的紫外透過性能，而且ZnO/ITO或ZnO/Si雙層結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的光電轉(zhuǎn)化能力和極短的光電響應(yīng)時(shí)間。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的利用超高真空射頻磁控濺射系統(tǒng)制備納米氧化鋅薄膜，功率電源為JZ-RF600A型射頻源。襯底采用表面鍍有ITO薄膜的玻璃(電阻率為5×10-4Ω·cm)或單晶硅襯底(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑、去離子水、丙酮、去離子水、酒精、去離子水超聲清洗。靶材為自制的ZnO陶瓷靶(可以通過控制摻雜來調(diào)整氧化鋅的帶隙)，濺射時(shí)靶與襯底之間的距離為5-20cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣，氣體流量控制在30-150sccm。每次濺射前先預(yù)濺射以除去靶材表面污染物，樣品作行星式旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。薄膜沉積后自然冷卻至室溫。濺射時(shí)工作氣壓在0.4Pa-20Pa之間變化，襯底溫度范圍是室溫至500℃，射頻濺射功率在50W-300W之間，濺射時(shí)間為20分鐘-120分鐘。
氧化鋅光響應(yīng)機(jī)理分兩部分一部分是光生載流子引起的固態(tài)可重復(fù)光電響應(yīng)；另一部分是由于化學(xué)吸附和光解吸附引起的光響應(yīng)。后者的響應(yīng)幅度要大于前者，固體光響應(yīng)上升和下降的時(shí)間都在微秒量級(jí)，而化學(xué)吸附-光解吸附引起的光電響應(yīng)時(shí)間都比較慢。為了得到ZnO薄膜的光電響應(yīng)能力，采用電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)以及氙燈(波長范圍200nm-2000nm)模擬太陽光平行光源對(duì)薄膜材料的光電流以及明暗態(tài)下的開路電極電勢(shì)、電流-電壓曲線進(jìn)行測(cè)試。具體測(cè)試系統(tǒng)如圖1。
參比電極采用飽和甘汞電極，對(duì)電極為Pt片(0.5cm×2cm)，電解質(zhì)溶液為0.5mol/L的氯化鉀溶液，樣品光照面積恒定為0.2826cm2，工作電極為氧化鋅薄膜樣品，入射光源距樣品固定為15cm。
本發(fā)明的步驟為采用射頻磁控濺射制備高質(zhì)量的氧化鋅納米薄膜，濺射時(shí)工作氣壓在0.4Pa-20Pa之間變化，襯底溫度范圍是室溫-500℃，射頻濺射功率在50W-300W之間。得到高質(zhì)量的柱狀生長的氧化鋅薄膜，薄膜厚度變化范圍是100-2000nm，顆粒尺寸為20-80nm左右，表面平均粗糙度5-30nm。
本發(fā)明采用玻璃/ITO或Si作為襯底磁控濺射沉積氧化鋅薄膜，并通過電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)和模擬太陽光源對(duì)雙層薄膜進(jìn)行光電響應(yīng)測(cè)試。得到很高的光照電流和極短的光電響應(yīng)時(shí)間。該制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，技術(shù)關(guān)鍵在于1、合適的制備條件得到取向性高質(zhì)量的氧化鋅薄膜。氧化鋅薄膜的晶粒大小控制在納米量級(jí)。
2、采用了合適電阻率的ITO或硅片作為襯底，利用襯底與氧化鋅之間空間電荷層形成的內(nèi)建電場(chǎng)的作用，減少光生電子和光生空穴的復(fù)合，有效地促進(jìn)光生載流子產(chǎn)生并延長載流子壽命，產(chǎn)生較強(qiáng)的光電響應(yīng)和較短的光電響應(yīng)時(shí)間。
用X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)及原子力顯微鏡(AFM)對(duì)制備的氧化鋅薄膜進(jìn)行了研究表明在上述條件下制備的氧化鋅薄膜具有柱狀生長的特點(diǎn)，晶體質(zhì)量高；激發(fā)熒光光譜(PL)研究表明，襯底溫度的降低和工作氣壓的提高有利于紫外發(fā)光峰藍(lán)移。表明這種通過改變?yōu)R射條件可以改善ZnO晶體的質(zhì)量，增強(qiáng)其邊帶束縛激子發(fā)光。
光電性質(zhì)研究發(fā)現(xiàn)，納米氧化鋅薄膜對(duì)連續(xù)波長變化的模擬太陽光源具有很好的響應(yīng)，最大光電流達(dá)0.11mA，而且達(dá)到最大光電流后非常穩(wěn)定，可以連續(xù)測(cè)量，響應(yīng)時(shí)間低于1秒。本方法具有工藝過程簡(jiǎn)單、易于控制、制備和測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單、易于規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1-光電響應(yīng)測(cè)試示意圖實(shí)施例實(shí)施例1采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用表面鍍有ITO薄膜的玻璃(電阻率為5×10-4Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為10cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在50sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為0.6Pa、襯底溫度250℃、濺射功率為150W，濺射時(shí)間為120分鐘。測(cè)試偏壓為60mV，測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為15μA。
實(shí)施例2采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用表面鍍有ITO薄膜的玻璃(電阻率為5×10-4Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為12cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在50sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為0.8Pa、襯底溫度150℃、濺射功率為200W，濺射時(shí)間為100分鐘。測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為10μA。
實(shí)施例3采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用表面鍍有ITO薄膜的玻璃(電阻率為5×10-4Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為15cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在50sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為2Pa、襯底溫度350℃、濺射功率為150W，濺射時(shí)間為60分鐘。測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為6.5μA。
實(shí)施例4采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用表面鍍有ITO薄膜的玻璃(電阻率為5×10-4Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為10cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在80sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為1Pa、襯底溫度為室溫、濺射功率為250W，濺射時(shí)間為30分鐘。測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為5μA。
實(shí)施例5采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用表面鍍有ITO薄膜的玻璃(電阻率為5×10-4Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為12cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在150sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為0.4Pa、襯底溫度350℃、濺射功率為300W，濺射時(shí)間為40分鐘，測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為4.8μA。
實(shí)施例6采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為15cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在50sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為1.0Pa、襯底溫度350℃、濺射功率為150W，濺射時(shí)間為30分鐘。測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為17μA。
實(shí)施例7采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為15cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在150sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為5Pa、襯底溫度350℃、濺射功率為80W，濺射時(shí)間為100分鐘。測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為18μA。
實(shí)施例8采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為5cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在150sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為2.2Pa、襯底溫度350℃、濺射功率為150W，濺射時(shí)間為40分鐘。測(cè)試偏壓為60mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為14μA。
實(shí)施例9采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為15cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在50sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為5Pa、襯底溫度250℃、濺射功率為150W，濺射時(shí)間為60分鐘。測(cè)試偏壓為400mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為0.11mA。
實(shí)施例10采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為10cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在150sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為20Pa、襯底溫度150℃、濺射功率為50W，濺射時(shí)間為120分鐘。測(cè)試偏壓為400mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為0.085mA。
實(shí)施例11采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為20cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在100sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為20Pa、襯底溫度500℃、濺射功率為300W，濺射時(shí)間為20分鐘。測(cè)試偏壓為400mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為0.022mA。
實(shí)施例12采用射頻磁控濺射制備氧化鋅薄膜，襯底采用采用單晶硅(電阻率＜0.015Ω·cm)，分別經(jīng)過洗滌劑，去離子水，丙酮，去離子水，酒精，去離子水六步超聲清洗，各10分鐘。靶材為燒結(jié)的氧化鋅陶瓷靶(純度為99.99％，直徑為三寸)，靶與襯底之間的距離為15cm。濺射室背底真空為5×10-4Pa。工作氣體為氬氣(純度為99.99％)，氣體流量控制在100sccm。樣品架保持旋轉(zhuǎn)以提高薄膜的均勻性。工作氣壓為10Pa、襯底溫度室溫、濺射功率為150W，濺射時(shí)間為60分鐘。測(cè)試偏壓為400mV。測(cè)試得雙層薄膜光電流強(qiáng)度為0.02mA。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于太陽能電池的氧化鋅薄膜及制備方法，其特征在于它具有全日光波段光電響應(yīng)能力，用于太陽能電池；其制備方法是在襯底溫度為室溫至500℃、工作壓力為0.4Pa-20Pa、射頻濺射功率為50W-300W、濺射時(shí)間20-120分鐘的條件下將氧化鋅濺射沉積在ITO/玻璃或硅襯底上，得到薄膜。
2.如權(quán)力要求1所述的一種應(yīng)用于太陽能電池的氧化鋅薄膜及制備方法，其特征在于制備的氧化鋅薄膜厚度范圍在100-2000nm，顆粒尺寸為20-80nm，薄膜表面平均粗糙度為5nm-30nm。
全文摘要
濺射法制備納米氧化鋅薄膜并發(fā)現(xiàn)其具有明顯的全日光波段光伏性能，涉及太能電池材料、光伏材料和電子材料。本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)單的、易于規(guī)模生產(chǎn)的方法，制備出具有優(yōu)異全日光波段光伏性能和光電性質(zhì)的氧化鋅薄膜，即于玻璃/ITO(In
文檔編號(hào)H01L31/042GK1964078SQ200610167728
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月20日
發(fā)明者曹傳寶, 張金星 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)