專(zhuān)利名稱(chēng)：一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法及其應(yīng)用的制作方法
一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透明導(dǎo)電氧化物薄膜領(lǐng)域，特別是一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法及其應(yīng)用的方法。
背景技術(shù)：
透明導(dǎo)電氧化物(Transparent conductive oxides-TCO)薄膜指對(duì)可見(jiàn)光(入= 380 800nm)的平均透過(guò)率高(T彡80% )，低電阻率(P ^ I(T3Qcm)的氧化物薄膜。廣泛研究和應(yīng)用的TCO薄膜主要是F摻雜的SnO2 = F薄膜、Sn摻雜的In2O3=Sn(ITO)薄膜和Al 摻雜的&ι0:Α1薄膜。在太陽(yáng)電池應(yīng)用領(lǐng)域，由于ITO和SnA薄膜在氫等離子環(huán)境中容易被還原變黑導(dǎo)致其光學(xué)特性惡化，成為應(yīng)用中的障礙。近年來(lái)，ZnO薄膜具有成本低，無(wú)毒，易于光刻加工并且在H等離子體環(huán)境中化學(xué)穩(wěn)定性好，在Si薄膜太陽(yáng)電池中獲得了良好應(yīng)用石if究[參見(jiàn) J. Meier, S. Dubail,R. Platz, etc. Solar Energy Materials and Solar Cells, 49(1997)35.]。對(duì)于Si薄膜太陽(yáng)電池，主要包括非晶硅a_Si:H電池、微晶硅uc_Si :H電池以及非晶/微晶疊層“micromorph”電池來(lái)說(shuō)，TCO薄膜的陷光(light trapping)作用對(duì)器件性能尤為重要[參見(jiàn) Arvind Shah, J. Meier, Ε. Vallat-Sauvain, etc. Thin Solid Films, 403-404(2002) 179.禾Π 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。陷光結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可以有效增強(qiáng)本征層(有源層)的光學(xué)吸收，提高短路電流密度，從而提高電池效率。通常絨面結(jié)構(gòu)前電極和背反射電極可實(shí)現(xiàn)陷光作用。絨面結(jié)構(gòu)可通過(guò)調(diào)節(jié)薄膜晶粒尺寸大小、晶粒形狀等特征實(shí)現(xiàn)粗糙表面，并且其物理化學(xué)性能有助于后續(xù)薄膜沉積(如Si薄膜)。磁控濺射技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。但磁控濺射技術(shù)獲得的ZnO薄膜表面平整，晶粒較小(30nm-100nm)，難以形成良好的光散射作用；此外，取得良好光電性能的SiO-TCO通常需要的生長(zhǎng)溫度較高(> 200°C )。然而，MOCVD技術(shù)(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)) 可實(shí)現(xiàn)低溫(135-15(TC )薄膜生長(zhǎng)，晶粒較大(300nm-5(K)nm)，能直接形成絨面結(jié)構(gòu)[參見(jiàn) X.L.Chen，X. H. Geng, J. Μ. Xue, etc. Journal of Crystal Growth, 296 (2006) 43.；陳新亮，薛俊明，孫建等，半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2007 J8(7) 1072 ；S. Fay, U. Krol 1, C. Bucher, etc. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 86(2005)385 禾口 S. Fay, L. Feitknecht,R. Schluchter,etc.Sol. Energy Mater. Sol. Cells90 (2006) 2960.]，可以實(shí)現(xiàn)高速率大面積薄膜沉積。因此，利用MOCVD技術(shù)(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù))生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)&10-TC0薄膜，可作為絨面結(jié)構(gòu)前電極和背反射電極應(yīng)用于柔性襯底硅基薄膜太陽(yáng)電池，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。然而，為了進(jìn)一步提高薄膜在可見(jiàn)光及近紅外區(qū)域的光學(xué)性能，主要是應(yīng)用于微晶硅(μ C-Si)薄膜電池及非晶硅(a-Si)/微晶硅(μ C-Si)疊層薄膜電池， ZnO-TCO薄膜性能仍需改進(jìn)和提高。據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研，利用MOCVD技術(shù)兩步法生長(zhǎng)SiO-TCO薄膜并應(yīng)用于柔性薄膜電池尚未見(jiàn)報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)SiO-TCO薄膜在可見(jiàn)光及近紅外區(qū)域的具有良好的光電性能，本發(fā)明提
3出利用MOCVD技術(shù)在低溫條件下兩步法生長(zhǎng)適用于pin型結(jié)構(gòu)Si薄膜太陽(yáng)電池的SiO-TCO 薄膜材料。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法及其應(yīng)用，該方法制備的SiO-TCO薄膜具有低溫生長(zhǎng)特性，并且具有絨面結(jié)構(gòu)和可見(jiàn)光及近紅外光區(qū)域光學(xué)透過(guò)率及光散射散射性能好，應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)電池中光電轉(zhuǎn)換效率高，且工藝兼容，操作簡(jiǎn)單、易于實(shí)施于生產(chǎn)實(shí)踐，便于大面積推廣。本發(fā)明的技術(shù)方案一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，以二乙基鋅和水為源材料，以氫氣稀釋摻雜氣體硼烷IH6，摻雜氣體硼烷IH6在混合氣中的體積百分比濃度為1 %，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在玻璃襯底上生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)&10-TC0薄膜，分兩步進(jìn)行1)首先在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層大晶粒尺寸的“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜，薄膜厚度為 1000-2000nm ；2)然后在上述“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜生長(zhǎng)一層小晶粒尺寸的“圓球”狀結(jié)構(gòu) ZnO薄膜，薄膜厚度為200-800nm。所述二乙基鋅的純度為99. 995%。所述金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)襯底溫度為125-180°C，鍍膜反應(yīng)氣體壓力為130Pa。一種所述玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的應(yīng)用，用于pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池或“非晶硅/微晶硅”疊層薄膜太陽(yáng)電池，Pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)為“glass/ 絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜/pin μ c-Si薄膜電池/ZnO/Al”，“非晶硅/微晶硅”疊層薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)為“glass/絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜/pin a_Si薄膜電池/pin μ c_Si薄膜電池/SiO/ Al”。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是M0CVD技術(shù)可實(shí)現(xiàn)玻璃襯底上直接生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜，該制備方法工藝簡(jiǎn)單，便于大面積生產(chǎn)推廣；通過(guò)工藝技術(shù)兼容的兩步法生長(zhǎng)技術(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光及近紅外區(qū)域光散射和后續(xù)硅基薄膜沉積；應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)電池，可有效提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1是該玻璃襯底上絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是該玻璃襯底上絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜應(yīng)用于頂襯結(jié)構(gòu)pin型微晶硅薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是該玻璃襯底上絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜應(yīng)用于頂襯結(jié)構(gòu)pin型非晶硅/微晶硅疊層薄膜太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出一種MOCVD技術(shù)兩步法在玻璃襯底上生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)SiO透明導(dǎo)電薄膜及其應(yīng)用于薄膜太陽(yáng)電池的方法。
實(shí)施例1 一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，以純度為99. 995%的二乙基鋅和水為源材料，以硼烷IH6為摻雜氣體，以氫氣稀釋摻雜氣體硼烷IH6，摻雜氣體硼烷IH6在混合氣中的體積百分比濃度為1%，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在玻璃襯底上生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)SiO-TCO薄膜，分兩步進(jìn)行1)首先在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層大晶粒尺寸的“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)SiO薄膜，襯底溫度為155°c，鍍膜反應(yīng)壓力為130Pa，薄膜厚度為1550nm ；2)然后在上述“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜生長(zhǎng)一層小晶粒尺寸的“圓球”狀結(jié)構(gòu) ZnO薄膜，襯底溫度為135°C，薄膜厚度為500nm。該玻璃襯底上絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)如圖1所示。將該玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜用于pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池，pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)為“glass/絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜/pin μ c-Si薄膜電池/ZnO/Al”， 如圖2所示，兩步法鍍制glass/ZnO薄膜，爾后生長(zhǎng)p，i，η三層a_Si薄膜，最后鍍制ZnO和 Al層。該太陽(yáng)電池薄膜表面呈現(xiàn)絨面結(jié)構(gòu)特征，粗糙度RMS為40nm-120nm。實(shí)施例2 一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，以純度為99. 995%的二乙基鋅和水為源材料，以硼烷IH6為摻雜氣體，以氫氣稀釋摻雜氣體硼烷IH6，摻雜氣體硼烷IH6在混合氣中的體積百分比濃度為1%，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在玻璃襯底上生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)SiO-TCO薄膜，分兩步進(jìn)行1)首先在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層大晶粒尺寸的“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)SiO薄膜，襯底溫度為155°c，鍍膜反應(yīng)壓力為130Pa，薄膜厚度為2000nm ；2)然后在上述“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜生長(zhǎng)一層小晶粒尺寸的“圓球”狀結(jié)構(gòu) ZnO薄膜，襯底溫度為135°C，薄膜厚度為350nm。該玻璃襯底上絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜結(jié)構(gòu)如圖1所示。將該玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜用于pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池，“非晶硅/ 微晶硅”疊層薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)為“glass/絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜/pin a-Si薄膜電池/pin μ c-Si薄膜電池/ZnO/Al”，如圖3所示，兩步法鍍制PET/ZnO薄膜，爾后生長(zhǎng)p，i，η三層 a-Si薄膜以及p，i，η三層層μ c-Si薄膜，最后鍍制ZnO和Al層。該太陽(yáng)電池薄膜表面呈現(xiàn)絨面結(jié)構(gòu)特征，粗糙度RMS為40nm-120nm。
權(quán)利要求
1.一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，其特征在于以二乙基鋅和水為源材料，以氫氣稀釋摻雜氣體硼烷IH6，摻雜氣體硼烷IH6在混合氣中的體積百分比濃度為1%， 采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)在玻璃襯底上生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)SiO-TCO薄膜，分兩步進(jìn)行1)首先在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層大晶粒尺寸的“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜，薄膜厚度為 1000-2000nm ；2)然后在上述“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜生長(zhǎng)一層小晶粒尺寸的“圓球”狀結(jié)構(gòu)ZnO 薄膜，薄膜厚度為200-800nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，其特征在于所述二乙基鋅的純度為99. 995%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，其特征在于所述金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)襯底溫度為125-180°C，鍍膜反應(yīng)氣體壓力為130Pa。
4.一種如權(quán)利要求1所述玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的應(yīng)用，其特征在于用于pin 型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池或“非晶硅/微晶硅”疊層薄膜太陽(yáng)電池，Pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)為“glass/絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜/pin μ c_Si薄膜電池/ZnO/Al”，“非晶硅 /微晶硅”疊層薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)為“glass/絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜/ pin a_Si薄膜電池/ pin μ c-Si 薄膜電池/Ζη0/Α1”。
全文摘要
一種玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的制備方法，以二乙基鋅和水為源材料，以硼烷B2H6為摻雜氣體，采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在玻璃襯底上生長(zhǎng)絨面結(jié)構(gòu)ZnO-TCO薄膜，分兩步進(jìn)行1)在玻璃襯底上生長(zhǎng)一層大晶粒尺寸的“類(lèi)金字塔”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜；2)在上述ZnO薄膜生長(zhǎng)一層小晶粒尺寸的“圓球”狀結(jié)構(gòu)ZnO薄膜；該玻璃襯底絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜用于pin型“微晶硅”薄膜太陽(yáng)電池或“非晶硅/微晶硅”疊層薄膜太陽(yáng)電池。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該制備方法工藝簡(jiǎn)單，便于大面積生產(chǎn)推廣；通過(guò)工藝技術(shù)兼容的兩步法生長(zhǎng)技術(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光及近紅外區(qū)域光散射和后續(xù)硅基薄膜沉積，可有效提高太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)C23C16/44GK102418080SQ20111037152
公開(kāi)日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月21日
發(fā)明者張德坤, 張曉丹, 耿新華, 趙穎, 閆聰博, 陳新亮, 魏長(zhǎng)春 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)