專利名稱：一種新型結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽(yáng)電池領(lǐng)域，尤其是一種新型結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法。
技術(shù)背景隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，尤其是近年來薄膜太陽(yáng)電池的大量產(chǎn)業(yè)化，透明導(dǎo)電氧化 物薄膜(TCO)作為薄膜太陽(yáng)電池中必不可少的一部分，存在很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。用作薄膜 太陽(yáng)電池透明電極的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)基板對(duì)于提高電池的轉(zhuǎn)換效率起著十分重要 的作用。薄膜太陽(yáng)電池要求透明電極具有極低的光損失，高透過率和高電導(dǎo)率。近年來，透明 導(dǎo)電薄膜的材料趨于金屬氧化物半導(dǎo)體，如Sn02、 111203和ZnO等薄膜，所選用的半導(dǎo) 體材料，其能隙寬度必須大于可見光能量，才能在可見光區(qū)獲得高穿透性，因此能隙要求 大于3eV，但是這種純半導(dǎo)體的導(dǎo)電性仍不盡理想，為了增加其導(dǎo)電性，通常會(huì)摻入一些 雜質(zhì)，一種是摻雜比原化合物的陽(yáng)離子多一價(jià)的金屬離子或者摻入比原化合物的陰離子少 一價(jià)的非金屬離子；第二種是制造氧化狀態(tài)不完全的半導(dǎo)體化合物，形成半導(dǎo)體內(nèi)有陰離 子的空缺。但是通常情況下薄膜透過率和電阻是互相矛盾的兩個(gè)因素，薄膜厚度較薄時(shí)， 材料的透過率較高，但是電阻較高；薄膜厚度較厚時(shí)，材料的電阻較低，但是透過率卻會(huì) 下降。由此可見，協(xié)調(diào)薄膜的電阻和透過率的性能是至關(guān)重要。一維導(dǎo)電材料目前得到了很好的發(fā)展，直徑從1納米到50納米，長(zhǎng)度從100納米到 10厘米之間，已經(jīng)有很多種類的一維材料可以實(shí)現(xiàn)高純度和高分散。在透明導(dǎo)電氧化物 薄膜中摻入一定量的一維導(dǎo)電材料，可以提高薄膜材料的導(dǎo)電性能，這樣薄膜的厚度可以 減小，非常有利于提高光的透過率，盡管摻雜的一維材料本身是非透明的，會(huì)遮擋光的透 過，但是只要合理降低薄膜厚度和一維材料的摻雜濃度，總體上的表現(xiàn)可以提高材料光的 透過性。目前，制備普通透明導(dǎo)電薄膜的工藝有很多，主要包括磁控濺射工藝、常壓化學(xué)氣 相沉積(APCVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、熱蒸發(fā)沉積、溶膠-凝膠鍍膜法、噴霧熱 分解法等，其中噴霧熱分解法設(shè)備簡(jiǎn)單、對(duì)真空、氣氛等實(shí)驗(yàn)條件要求不高，反應(yīng)易于控3制；原料的選擇范圍廣，并且成分、組成便于調(diào)整。但是，利用超聲噴霧熱分解法在基板 上制備這種摻有一維導(dǎo)電納米材料的新型透明導(dǎo)電薄膜還尚未有見。本發(fā)明將一維導(dǎo)電材料復(fù)合到透明導(dǎo)電薄膜材料中，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電 薄膜，并且發(fā)明了用超聲噴霧熱分解法在基板上制備這種新型結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜的方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是為了提高透明導(dǎo)電基板的導(dǎo)電性能，從而提高薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換 效率，最終發(fā)明了一種透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)，使其更能適應(yīng)薄膜太陽(yáng)電池的應(yīng)用，并且結(jié)合 較成熟的超聲噴霧熱分解設(shè)備以及原有制備普通透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制作工藝發(fā)明了 制備該新型透明導(dǎo)電薄膜的方法。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)了一種透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)，該透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)包括 基板l、緩沖層2、透明導(dǎo)電薄膜3三部分組成，以基板l為底層，上面依次為緩沖層2、 透明導(dǎo)電薄膜3，緩沖層2主要以Si02為主，厚度在10納米到100納米之間，其中緩沖 層主要起到增強(qiáng)透明導(dǎo)電薄膜與基板之間應(yīng)力的作用，阻擋Na離子以及增透作用，另外， 為了增加透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電性能，最終提高薄膜太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率，發(fā)明了一種 新型的透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)。在原有比較成熟的透明導(dǎo)電氧化物4中摻入一維導(dǎo)電材料5 ， 通過一維導(dǎo)電材料的高導(dǎo)電性能降低透明導(dǎo)電薄膜的厚度，進(jìn)而提高透明導(dǎo)電薄膜的透過 率， 一維導(dǎo)電材料的摻雜濃度為lwt% 0.01wt%，合理調(diào)整薄膜厚度與一維材料的摻雜 濃度，最終使該新型薄膜材料保持電阻等于或者小于普通透明導(dǎo)電薄膜電阻情況下，透過 率增加。本發(fā)明中透明導(dǎo)電薄膜主要包括透明導(dǎo)電氧化物材料4及電導(dǎo)率高的一維導(dǎo)電材料 5 ，其中，透明導(dǎo)電氧化物4主要選自In、 Sn、 Zn和Cd的氧化物及其復(fù)合多元氧化物 薄膜材料,具體可為Sn摻雜Iri203透明導(dǎo)電氧化物、Sn02基透明導(dǎo)電氧化物、ZnO基透 明導(dǎo)電氧化物或CdO基透明導(dǎo)電氧化物及其它透明導(dǎo)電氧化物中的一種或幾種。所述的Sn02基透明導(dǎo)電膜，其摻雜元素包括F、 Sb、 In、 Zn、 Mn、 Sr、 Zr、 Ge、 Ce、 Pt、 Pd、 Cd、 Nd等元素的一種或多種。所述的ZnO基透明導(dǎo)電膜，其摻雜元素包括F、 Sb、 Zr、 Al、 Ga等元素中的一種或 多種。透明導(dǎo)電氧化物4具有禁帶寬、可見光及近紅外光譜區(qū)光透射率高的特性，平均透過 率大于80%,并且具有一定的導(dǎo)電性能，電阻率小于10—3Qcm。一維導(dǎo)電納米材料5主要起導(dǎo)電作用， 一維導(dǎo)電材料5直徑從lnm到50nm，長(zhǎng)度從 100納米到IO厘米之間。透明導(dǎo)電薄膜3中的一維導(dǎo)電納米材料5包括金屬納米線、碳納米管、金屬纖維 或納米金屬帶等材料中的一種或者多種， 一維納米材料5的電阻、直徑大小以及長(zhǎng)度可 根據(jù)材料要求及制備工藝不同而進(jìn)行不同的選擇，一維導(dǎo)電材料的電阻率要求小于所摻雜 的透明導(dǎo)電氧化物，并且盡量達(dá)到最小，另外， 一維導(dǎo)電材料的直徑大小及長(zhǎng)度在保持相 同電阻率條件下，直徑和長(zhǎng)度越小越好，以保證該一維導(dǎo)電納米材料對(duì)薄膜透過率造成很 小影響。本發(fā)明中所述超聲噴霧熱分解法制備工藝過程包括配制所需前驅(qū)溶液，并利用超聲波 振蕩使溶液及一維導(dǎo)電納米材料充分混合均勻，超聲振動(dòng)的頻率在200kHz 1500 kHz之 間，優(yōu)選透明導(dǎo)電氧化物與一維導(dǎo)電材料以重量比100/1 10000/1的比例混合。然后利 用載流氣體帶動(dòng)使溶液霧化、蒸發(fā)干燥以及凝聚，即用載氣將霧化后的溶液及一維導(dǎo)電納 米材料帶入噴頭，常用的載氣可以是氮?dú)?、氫氣、或者兩者的混合氣體等。經(jīng)過噴頭后載 流氣體攜帶著霧滴與一維導(dǎo)電納米材料均勻地噴出，進(jìn)入反應(yīng)室，霧滴在下落過程中溶劑 揮發(fā)霧滴縮小，落到高溫的襯底基板表面后平化，多余的溶劑氣化，剩余的固態(tài)溶質(zhì)受到 基板的加熱，溫度升高，最后在基板上溶質(zhì)與水蒸氣反應(yīng)，發(fā)生熱分解，前驅(qū)溶液中摻雜 元素也在反應(yīng)中被摻入到薄膜中，最后在襯底基板上成膜，與此同時(shí)， 一維導(dǎo)電納米材料 隨霧滴一塊被沉積到基板表面，并隨機(jī)的分布于透明導(dǎo)電材料中。襯底基板的溫度一般在 10(TC 80(TC之間，利用沉積時(shí)間長(zhǎng)短來控制薄膜的厚度，最終完成該新型透明導(dǎo)電薄膜 的制備。本發(fā)明的新型結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜可大大提高透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)和電學(xué)特性，并且利 用超聲噴霧熱分解法成功的制備該新型透明導(dǎo)電薄膜，制備工藝簡(jiǎn)單，易于控制，便于實(shí) 施。


圖1為新型結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜結(jié)構(gòu)圖其中，l-基板、2-緩沖層、3-透明導(dǎo)電薄膜、4-透明導(dǎo)電氧化物、5-—維導(dǎo)電納米材具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。 實(shí)施例1參考附圖l，本新型結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜包括基板-1 、緩沖層-2 、透明導(dǎo)電薄膜-3三 部分組成，以基板-1為底層，中間層為緩沖層-2 。其中基板為浮法超白玻璃，緩沖層為 Si02，厚度為50納米，透明導(dǎo)電薄膜主要包括透明導(dǎo)電氧化物材料4及電導(dǎo)率高的一維 導(dǎo)電納米材料5 ，其中，透明導(dǎo)電氧化物4選用Sn02: F,該TCO材料的透過率約為82%, 電阻率為5X10—4Dcm;為了增加透明導(dǎo)電薄膜的導(dǎo)電性能，最終提高薄膜太陽(yáng)電池的光 電轉(zhuǎn)換效率，在原有比較成熟的透明導(dǎo)電氧化物4中摻入一維導(dǎo)電材料5 ,通過一維導(dǎo) 電材料的高導(dǎo)電性能降低TCO薄膜的厚度，進(jìn)而提高透明導(dǎo)電薄膜的透過率， 一維導(dǎo)電 納米材料的摻雜濃度為lwt%~0.01wt%，該實(shí)施例中一維導(dǎo)電納米材料選用導(dǎo)電碳納米 管，具有金屬導(dǎo)電性能，摻雜濃度為0.1wt。/。,透明導(dǎo)電薄膜厚度為500nm,—維導(dǎo)電納米材 料5隨機(jī)分布于透明導(dǎo)電氧化物4中。制備上述新型透明導(dǎo)電薄膜的制備過程如下本實(shí)施例采用通用的超聲噴霧熱分解裝置。當(dāng)制備基于Sii02: F的新型透明導(dǎo)電薄膜時(shí)的前驅(qū)溶液所用的原料為SnCl4、 NH4F 及添加劑。鍍膜溶劑可為醇或水，醇類優(yōu)選乙醇、丁醇，其中一維導(dǎo)電納米材料與前驅(qū)溶 液混合；沉積溫度為100。C 80(TC;載氣流量為0.1 10r^/h;噴射距離為0.1cm 100cm。首先，配置Sn02: F前驅(qū)溶液，其中SnCU溶液濃度為0.07g/ml; NH4F:SnCLt質(zhì)量摻 雜比為28%;溶劑乙醇溶液濃度約為10%;將一維導(dǎo)電納米材料摻入該前驅(qū)溶液中，一 維導(dǎo)電納米材料的摻入濃度為0.00006g/ml,將溶液進(jìn)行均勻混合，使一維導(dǎo)電納米材料隨 機(jī)均勻的分布于該前驅(qū)溶液中。調(diào)節(jié)噴頭高度，將襯底基板放入超聲噴霧熱分解裝置的反應(yīng)室中，將配置好的溶液倒 入超聲瓶中，并打開加熱裝置，升溫到45(TC，并且穩(wěn)定一定時(shí)間。打開載氣閥門，通氣約一分鐘后開始沉積薄膜，利用沉積時(shí)間長(zhǎng)短來控制薄膜的厚度， 沉積完后關(guān)閉設(shè)備，讓薄膜自然降溫，最終完成該新型透明導(dǎo)電薄膜的制備。權(quán)利要求
1、一種新型結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜，包括基板(1)、緩沖層(2)及透明導(dǎo)電薄膜(3)，其特征在于，在透明導(dǎo)電薄膜(3)的透明導(dǎo)電氧化物(4)中摻入一維導(dǎo)電材料(5)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，透明導(dǎo)電氧化物(4)平均透過 率大于80%，電阻率小于10-3Qcm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，透明導(dǎo)電氧化物(4)選自 Sn摻雜Iri203透明導(dǎo)電氧化物、Sn02基透明導(dǎo)電氧化物、ZnO基透明導(dǎo)電氧化物或CdO 基透明導(dǎo)電氧化物中的 一種或幾種。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，Sn02基透明導(dǎo)電膜，摻雜元素 為F、 Sb、 In、 Zn、 Mn、 Sr、 Zr、 Ge、 Ce、 Pt、 Pd、 Cd或Nd的一種或多種；ZnO基透 明導(dǎo)電膜，摻雜元素為F、 Sb、 Zr、 Al或Ga中的一種或多種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1 4所述的任意一種透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于， 一維導(dǎo)電材料(5) 的電阻率小于所摻雜的透明導(dǎo)電氧化物，并且盡量達(dá)到最小。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1 5所述的任意一種透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于， 一維導(dǎo)電材料(5) 為金屬納米線、碳納米管、金屬纖維或納米金屬帶的一種或者多種； 一維導(dǎo)電材料(5) 直徑為1納米到50納米，長(zhǎng)度從100納米到10厘米。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1 6所述的任意一種透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于， 一維導(dǎo)電材料(5) 隨機(jī)的分布于透明導(dǎo)電氧化物(4)中； 一維導(dǎo)電材料的摻雜濃度為lwt% 0.01wt%。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1 7所述的任意一種透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在于，利用超 聲噴霧熱分解法在基板(1)上制備摻有一維導(dǎo)電材料(5)的新型透明導(dǎo)電薄膜。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，包括配制所需前驅(qū)溶液，并利用超 聲波振蕩使溶液及一維導(dǎo)電材料充分混合均勻，在超聲霧化器中使前驅(qū)溶液霧化，然后 用載氣將霧化后的溶液及一維導(dǎo)電材料帶入噴頭，經(jīng)過噴頭后載流氣體攜帶著霧滴與一 維導(dǎo)電材料均勻地噴出，進(jìn)入反應(yīng)室，霧滴在下落過程中溶劑揮發(fā)霧滴縮小，落到襯底 基板表面后平化，與此同時(shí)， 一維導(dǎo)電材料隨霧滴一塊被沉積到基板表面，最后熱分解 反應(yīng)，在襯底上成膜。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的制備方法，其特征在于，沉積溫度為10(TC 80(TC;載 氣流量為0.1 10m3/h。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，新型結(jié)構(gòu)包括基板1、緩沖層2及透明導(dǎo)電薄膜3；所述透明導(dǎo)電薄膜3包括透明導(dǎo)電氧化物材料4及一種或幾種高電導(dǎo)率的一維導(dǎo)電材料5，一維導(dǎo)電材料隨機(jī)的分布于透明導(dǎo)電氧化物中，本發(fā)明結(jié)合透明導(dǎo)電氧化物及一維導(dǎo)電材料的特點(diǎn)，提高了透明導(dǎo)電薄膜的電學(xué)和光學(xué)特性。本發(fā)明還公開了一種制備該新型結(jié)構(gòu)透明導(dǎo)電薄膜的方法。
文檔編號(hào)H01L31/0224GK101582303SQ20091008014
公開日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者茜 唐, 孫勁鵬, 雷志芳 申請(qǐng)人:新奧光伏能源有限公司