[发明专利]氧化锌层的制备和结构化方法以及氧化锌层

说明书

本发明涉及制备氧化锌层的方法和涉及氧化锌层。

现有技术

多晶溅射的氧化锌层(ZnO)在光电子构件如在太阳能电池中用作透明的接触层。ZnO是其它透明的接触材料如锡掺杂的氧化铟(ITO)的廉价的替代材料。

已知氧化锌可在盐酸中蚀刻。通过氧化锌层的湿法化学蚀刻可使该层的表面呈横向结构化。在各向异性的蚀刻过程中形成具有纳米范围或微米范围结构的纹理。

在薄层太阳能电池中，使用多晶溅射的氧化锌层用作正面接触层和用作所谓的中间反应层或也可与作为背面接触层的反射层相组合使用。

在薄层太阳能电池中，使用多晶溅射的并接着经湿法化学结构化的氧化锌层作为透明接触层。溅射的氧化锌层的rms粗糙度通常小于5-15纳米。在稀盐酸中可以高速度蚀刻ZnO层。在此增加氧化锌表面的rms粗糙度和产生光散射所需的凹穴。

该凹穴的直径和深度由于蚀刻时间的变化而是可变的。这时凹穴的数目或密度的变化不明显。该结构通过pH值也不会明显改变。随酸性范围的pH值不断增加该蚀刻时间延长，直到达到一定的凹穴深度。

但经蚀刻过程后所形成的纹理在结构方面的大小和密度方面与蚀刻前的ZnO层特性本身有关。该特性又受用溅射法制备ZnO层时的各种参数所影响。这些影响参数包括(a)衬底和其预处理，(b)溅射条件如基材温度、放电功率、溅射压力、气体组成和掺杂。在蚀刻时产生的结构和凹穴的形式在窄的范围内受蚀刻溶液和蚀刻时间的影响。该凹穴的数目和大小仅不明显地随蚀刻时间或蚀刻介质的选择而变化。对酸中的蚀刻基本上可分为三种类型的蚀刻表面：

类型1：该类型1的表面形貌是微观粗糙，并具有横向尺寸约为300 nm的锐棱角表面结构和非常陡的侧面。图1a示出现有技术的这类粗糙表面，其具有几乎是高斯形的高度统计分布。该结构的典型孔径角为40°至80°。该凹穴的横向尺寸小于300 nm。蚀刻后的表面形貌与蚀刻时间有关。对在盐酸中经湿化学剥蚀去除约150 nm的约800 nm厚的氧化锌层，其rms粗糙度约为50-120 nm，并且该横向相关长度为100-300 nm。

类型2：在该类型2的表面形貌中，该表面几乎均匀地由大的凹穴所覆盖(图1b)。横向凹穴直径为0.5-3 μm，该凹穴深度为150-400 nm。该凹穴的典型孔径角约为120°至135°。蚀刻后的表面形貌与蚀刻时间有关。对在盐酸中经湿化学剥蚀去除约150 nm的约800 nm厚的层，其rms粗糙度为100-180 nm，通常约为135 nm，并且该横向相关长度为400-1000 nm。

类型3：类型3表面形貌也具有由较平坦的区域所包围的大凹穴(图1c)。该平坦区域仅包括深度至多约100 nm的平的和小的凹穴。具有横向延伸至多3 μm的个别大的凹穴部分达到衬底，以致那里形成平台。蚀刻后的表面形貌与蚀刻时间有关。对在盐酸中经湿化学剥蚀去除约150 nm的约800 nm厚的层，其rms粗糙度低于100 nm，通常约为20-50 nm，并且该横向相关长度为250-800 nm。

对图1b和1c的类型2和3，该高度分布大多是非常不对称的。这是由于蚀刻所形成的凹穴状的表面结构造成的。该结构的典型的孔径角为120°至140°。该rms粗糙度主要与蚀刻时间有关。

类型2(图1b)与类型3(图1c)的区别在于单位面积的凹穴数。类型2有更大的凹穴密度。因此与类型3相比，在相同的层剥蚀下，带有类型2表面的层具有更大的rms粗糙度。

因为凹穴对光散射是有利的，所以类型2的表面比类型3或类型1的表面更适用于薄层太阳能电池。

通过蚀刻过程形成的氧化锌层的表面纹理导致入射到太阳能电池上的光的散射。该光在入射时穿透氧化锌层后散射入吸收层，并以理想的方式在电池内经多次反射(“光捕获”效应)，这导致电池效率的改进。