專利名稱：一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電材料領(lǐng)域，特別涉及一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中使用的透明導(dǎo)電氧化物薄膜TCOJn IT0、AZ0、FT0等，它們都受到一定的材料固有缺陷的限制，如折射率不高(約I. 8 2左右)、等離子體氣氛中的不穩(wěn)定性(高還原性氣氛如氫氣)等，以其作為硅基薄膜太陽(yáng)能電池的前電極時(shí)，由于其與硅薄膜折射率差異較大以及對(duì)紅外光反射率不高等因素造成的薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率提升的瓶勁效應(yīng)就顯現(xiàn)了出來(lái)，而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是尋找一種折射率較高同時(shí)在高還原性氣體氫氣等離子體中較為穩(wěn)定的薄膜，且其光電性能與傳統(tǒng)TCO要較為接近，以適應(yīng)于硅基薄膜太陽(yáng) 能電池的需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)透明導(dǎo)電膜受到固有材料缺陷的限制，存在折射率不高，還原性等離子體氣氛中不穩(wěn)定性的不足，本發(fā)明提出一種具有高折射率、還原性等離子體氣氛中高穩(wěn)定性鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法。一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于，包括如下主要步驟
(1)制備TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶材
以Ti02、Nb205的分析純粉末為主要原料，純度為4N 5N，按照TiO2與Nb2O5的質(zhì)量比為(5 12) 1配料，將混合料放入高溫硅鑰爐中預(yù)燒4 5小時(shí)，預(yù)燒溫度為820 850°C ；接著燒結(jié)完成的粉末取出冷卻至室溫后加入聚乙烯醇聚合劑，以對(duì)粉末進(jìn)行造粒，接著將粉末用粉末壓片機(jī)進(jìn)行壓片，壓制成厚度為3 5mm、直徑為40 50mm的祀材圓片；然后將制成的靶材圓片放入硅鑰爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350 1380°C，保溫時(shí)間為3 4小時(shí)，接著冷卻至室溫，制得TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶材；
(2)磁控濺射法制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜
采用磁控濺射工藝，以步驟(I)中制備的氧化物陶瓷靶作為磁控濺射的靶材，制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜，其中濺射功率密度為3. 5 5. 5W/cm2，濺射所用的襯底為鈉鈣硅玻璃，濺射襯底溫度為550 650°C，濺射工藝壓強(qiáng)為O. 8 I. 2Pa，靶材與基片的距離為3 5cm，濺射背景壓強(qiáng)為3X10_4 I X 10_4Pa，濺射過(guò)程中除工作氣體氬氣外還通入反應(yīng)氣體，濺射時(shí)間為15 20分鐘。制備完成后，將薄膜在450 500°C的溫度下退火，至此，完成鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備。所述的磁控濺射法制備該薄膜，通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整，控制薄膜的沉積速率為
O.05 O. lnm/s ；
所述的磁控濺射過(guò)程中的反應(yīng)氣體為氧氣，流量為5 15sCCm ；
所述的將薄膜在450 500°C的溫度下退火，是在真空環(huán)境下退火，即在薄膜退火的過(guò)程中抽高真空，真空度為5ΧΙΟ—5 IXlO-4Pa;
所述的鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜，特別適用于硅基薄膜太陽(yáng)能電池的前電極，尤其是非晶硅/微晶硅疊層電池的前電極。二氧化鈦是一種寬禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，為3. O 3. 2eV，這與常規(guī)的透明導(dǎo)電氧化物如ITO、AZO、FTO較為接近，而且二氧化鈦的可見光透過(guò)率與紅外反射率也較高，同時(shí)二氧化鈦的折射率相比ITO、AZO等更接近硅基材料的折射率，例如鈮摻雜的二氧化鈦薄膜，其折射率可達(dá)2. 4 2. 7，使得透明導(dǎo)電膜與硅薄膜折射率更為匹配，光線傳輸過(guò)程中的界面損失更小，從而有利于光線的透過(guò)與電池的吸收。同時(shí)由于鈮離子的摻入，可使載流子濃度大為增加，薄膜導(dǎo)電性能更好，從而使其具備了透明導(dǎo)電膜的特片，成為了一種光電性能較好且特別適合硅基薄膜太陽(yáng)能電池，尤其是非晶硅/微晶硅疊層電池用的透明導(dǎo)電膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1、以本發(fā)明的鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜作為硅基薄膜太陽(yáng)能電池的前電極時(shí)，尤其是用于非晶硅/微晶硅疊層電池的前透明導(dǎo)電電極時(shí)，由于鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜比IT0、FT0、AZ0在高還原性氣體氫氣的氣氛中更為穩(wěn)定,不會(huì)被氫氣還原而影響其性能，從而保持了透明導(dǎo)電膜作為前電極的光電性能，保證太陽(yáng)能電池的性能不受影響，其結(jié)果優(yōu)于以ITO或FTO、AZO為前電極的薄膜太陽(yáng)能電池器件；
2、鈮離子的摻入，可使載流子濃度大為增加，薄膜導(dǎo)電性能更好，鈮摻雜二氧化鈦薄膜的折射率達(dá)2. 4 2. 7，比ITO、AZO更高，與薄膜硅材料折射率更為匹配，更有利于減小光線在兩介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)膿p失，增加光線的透過(guò)率和電池對(duì)光的吸收效率，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率。3、與其他氧化物透明導(dǎo)電膜相比，二氧化鈦來(lái)源豐富、價(jià)格較低、無(wú)毒無(wú)污染，便于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中的成本控制。


圖I為本發(fā)明制備的鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜在可見光波段的透過(guò)光譜 圖2為本發(fā)明制備的鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的XRD圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明詳加闡述。實(shí)施例I
(O按照TiO2與Nb2O5的質(zhì)量比為10 :1，采用電子分析電平分別稱取純度為4N即99. 99%的TiO2與Nb2O5粉末30g和3g，稱量前粉末經(jīng)干燥烘箱烘烤5小時(shí)以充分去除水分，烘烤溫度為150°C。將稱量好的粉末放入研缽中進(jìn)行研磨，以使粉末混合攪拌至均勻。將混合均勻的粉末放入高溫硅鑰爐中進(jìn)行預(yù)燒，溫度為830°C，時(shí)間為4. 5小時(shí)。將燒好的粉末冷卻至室溫放入研體，并加入聚乙烯醇聚合劑10mL，以對(duì)粉末進(jìn)行造粒。(2)將上述造粒好的粉末用粉末壓片機(jī)進(jìn)行壓片，壓片機(jī)的壓力為35MPa，壓力增加速度為3MPa/min,壓制成厚度為4mm、直徑為40mm的圓形祀片；
(3)對(duì)上述壓制好的靶片進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1360°C，升溫速率為3°C /min，保溫時(shí)間為3. 5小時(shí)，然后隨爐冷卻至室溫，完成TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶的制備。(4)步驟中制備的氧化物陶瓷靶為靶材，采用磁控濺射工藝制備鈮摻雜的二氧化鈦透明導(dǎo)電膜，其中濺射功率密度為4W/cm2，濺射溫度為580°C，濺射工藝壓強(qiáng)為IPa，襯底為鈉1丐娃玻璃片，尺寸為2cmX2cm,厚為3. 2mm,祀材與玻璃襯底的距離為4cm,派射背景壓強(qiáng)為2X10_4Pa，濺射過(guò)程中除工作氣體氬氣外還通入反應(yīng)氣體氧氣，氬氣與氧氣的流量分別為180sccm與IOsccm,派射時(shí)間為18分鐘。制備完成后,將薄膜在480°C的溫度下退火，并在真空環(huán)境中退火，真空度為9X 10_5Pa，至此，便完成鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備。將上述制備的鈮摻雜二氧化鈦薄膜進(jìn)行光電性能測(cè)試，可見光透過(guò)率如圖I所示，其可見光平均透過(guò)率為81%，電阻率為5. 3 X10-4歐姆.厘米，方塊電阻為16歐姆每方塊，載流子濃度為8. I X 102°cm_3，遷移率為18cm2/V. S。薄膜XRD如圖2所示，代表銳鈦礦結(jié)構(gòu)的(IOI)峰較強(qiáng)，擇優(yōu)取向明顯。 實(shí)施例2
按照TiO2與Nb2O5的質(zhì)量比為8 :1，采用電子分析電平分別稱取純度為4N即99. 99%的TiO2與Nb2O5粉末各為32g和4g，其它同實(shí)施例1，如此制備得到的鈮摻雜二氧化鈦薄膜分別作光電性能測(cè)試，其可見光平均透過(guò)率為72%，電阻率為3. 2X IO-4歐姆.厘米，方塊電阻為12歐姆每方塊，載流子濃度為9. 6 X IO2ciCnT3，遷移率為12cm2/V.s。薄膜擇優(yōu)取向減弱，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)金紅石相的峰。實(shí)施例3
按照TiO2與Nb2O5的質(zhì)量比為6 :1，采用電子分析電平分別稱取純度為4N即99. 99%的TiO2與Nb2O5粉末各為24g和4g，其它同實(shí)施例1，如此制備得到的鈮摻雜二氧化鈦薄膜分別作光電性能測(cè)試，其可見光平均透過(guò)率為69%，電阻率為4. 1X10_4歐姆.厘米，方塊電阻為23歐姆每方塊，載流子濃度為7. 6X 102°cm_3，遷移率為8cm2/V. S。薄膜擇優(yōu)取向減弱，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)金紅石相的峰。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制；任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同替換、等效變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 (1)制備TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶材 以Ti02、Nb2O5的分析純粉末為主要原料，純度為4N 5N，按照TiO2與Nb2O5的質(zhì)量比為(5 12) :1配料，混合后放入高溫硅鑰爐中預(yù)燒4 5小時(shí)，預(yù)燒溫度為820 850°C ；預(yù)燒完成的粉末冷卻至室溫后加入聚乙烯醇聚合劑，以對(duì)粉末進(jìn)行造粒，接著用粉末壓片機(jī)進(jìn)行壓片，壓制成厚度為3 5mm、直徑為40 50mm的祀材圓片；然后將制成的祀材圓片放入硅鑰爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1350 1380°C，保溫時(shí)間為3 4小時(shí)，接著冷卻至室溫，制得TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶材； (2)磁控濺射法制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜 采用磁控濺射工藝，以步驟(I)中制備的氧化物陶瓷靶作為磁控濺射的靶材，制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜，其中濺射功率密度為3. 5 5. 5W/cm2，濺射所用的襯底為鈉鈣硅玻璃，濺射襯底溫度為550 650°C，濺射工藝壓強(qiáng)為O. 8 I. 2Pa，靶材與基片的距離為3 5cm，濺射背景壓強(qiáng)為3X10_4 I X 10_4Pa，濺射過(guò)程中除工作氣體氬氣外還通入反應(yīng)氣體，濺射時(shí)間為15 20分鐘，制備完成后，將薄膜在450 500°C的溫度下退火，至此，完成鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于，步驟(2)中磁控濺射制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的沉積速率為O. 05 O. lnm/s。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于，步驟(2)中磁控濺射制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的反應(yīng)氣體為氧氣，流量為5 15sccm0
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于，步驟⑵中薄膜是在真空環(huán)境下退火，真空度為5X10_5 lX10_4Pa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，其特征在于，所述的鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜適用于硅基薄膜太陽(yáng)能電池的前電極，尤其是非晶硅/微晶硅疊層電池的前電極。
全文摘要
本發(fā)明公開一種鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜的制備方法，包括以下步驟(1)制備TiO2與Nb2O5共摻的氧化物陶瓷靶材，(2)磁控濺射法制備鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜；本方法制備的鈮摻雜二氧化鈦透明導(dǎo)電膜載流子濃度大為增加，薄膜導(dǎo)電性能更好，折射率達(dá)2.4～2.7，比ITO、AZO高，與薄膜硅材料折射率更為匹配，有利于減小光線在兩介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)膿p失，增加光線的透過(guò)率和電池對(duì)光的吸收率，提高電池光電轉(zhuǎn)換效率，適用于硅基薄膜太陽(yáng)能電池的前電極，尤其是非晶硅/微晶硅疊層電池的前電極，比ITO、FTO、AZO在高還原性氣體的氣氛中更為穩(wěn)定，不會(huì)被還原而影響其性能，從而保持了透明導(dǎo)電膜作為前電極的光電性能。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102931285SQ20121046909
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月20日
發(fā)明者馬立云, 彭壽, 崔介東, 王蕓, 曹欣 申請(qǐng)人:蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院, 中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司