[发明专利]一种绒面结构氧化锌透明导电薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜太阳电池核心原材料领域，特别涉及一种绒面结构氧化锌透明导电薄膜的制备方法。

背景技术

近来，以Si基(主要包括非晶硅(α-Si:H)、微晶硅(μc-Si:H)以及非晶硅/微晶硅叠层)为代表的薄膜太阳电池得到快速的发展，由于硅为非直接带隙材料，对太阳光的吸收较弱，因此利用陷光(light trapping)结构对提升电池的性能显得尤为重要。在Si基薄膜电池结构中，镀在玻璃衬底上的透明导电氧化物薄膜(Transparent conductive oxide，TCO)作为电池的窗口层和前电极，负责光线的透过以及光生载流子的输运，其结构与性能对电池整体性能的提升有着密切的影响。通常研究者将TCO薄膜做成绒面结构，这样就可以让光在电池中形成光阱，延长光在吸收层中的传播路径以增加光的利用率，进而提高电池效率。绒面的衡量标准是绒面的绒度(Haze)和表面粗糙度(δ_RMS)；绒度指的是入射光波长在550nm时，薄膜散射透过率与总透过率的比值；表面粗糙度一般采用均方根偏差粗糙度(root mean square roughness，δ_RMS)。

目前，Si基薄膜太阳电池常用的TCO薄膜是氟掺杂氧化锡(SnO₂:F，FTO)薄膜以及不同元素掺杂氧化锌薄膜(如ZnO:Al，AZO等)，已经形成产业化生产。但FTO薄膜有毒，沉积所用喷雾热解技术温度较高，很难大面积均匀沉积，价格昂贵，而且容易受到氢等离子体的还原作用。而氧化锌基薄膜，特别是铝掺杂氧化锌(AZO)薄膜具有无毒，原材料丰富，价格便宜，在氢等离子体中稳定性较高且光电特性优于FTO等优点，正在逐步取代FTO广泛地应用到Si基薄膜太阳电池中。

目前，大面积均匀掺杂ZnO薄膜的主流制备方法为磁控溅射方法，但是通常其表面非常光滑平整，为了获得更好的陷光结构，人们一般采用后续的湿法酸刻蚀来得到绒面结构(参见O.Kluth，B.Rech，L.Houben，et.al.，Thin Solid Films，351(1999)247以及S.Calnan，J.Hupkes，et.al.，Thin Solid Films，516(2008)1242的报道)。然而这种先沉积后腐蚀的两步过程制备绒面结构薄膜的步骤繁琐、增加工序和成本，且大面积腐蚀时均匀性重复性较差并且造成材料的浪费(腐蚀后薄膜厚度减少)。因此，有研究者探索通过磁控溅射一步制备出带有绒面结构的ZnO薄膜。例如，中国发明专利ZL03137254.6中公开了一种磁控溅射制备绒面结构氧化锌透明导电薄膜的方法。该方法制备出的氧化锌透明导电薄膜的绒度为3.0～31.6％，粗糙度为10.8～50.2nm。该方法溅射气压比较大(3Pa～15Pa)，而气压较大容易引起薄膜的损伤，进而影响到薄膜的电学性能。文献(Dongyun Wan，Fuqiang Huang，and Yaoming Wang，AC S Applied Materials & Interfaces，2147-2152(2010)2)采用自制的缺氧AZO陶瓷靶材，通过调整磁控溅射的气压和功率分成两步(成核和生长)来制备带绒面的AZO薄膜，得到粗糙度为40.2nm、导电性较好的绒面AZO薄膜。虽然这种方法可以制备出绒面结构的AZO透明导电薄膜，但溅射过程也比较繁琐，不适合大面积工业生产。中国发明专利申请公布说明书201010202111.2也公开了一种玻璃衬底绒面结构ZnO薄膜及应用，该发明利用磁控溅射技术设备，以Zn-Al合金靶和O₂为原材料，在玻璃基片上生长出表面粗糙度～70nm，方块电阻～5Ω的透明导电薄膜，该方法所采用的溅射靶材为合金靶，在溅射过程中特别容易被毒化，造成溅射过程的不均匀。因此开发出一种新的利用陶瓷溅射靶材一步均匀沉积绒面结构的氧化锌透明导电薄膜显得非常有必要，这有助于在产业化的过程中减少工序降低生产成本。

发明内容

本发明提供了一种绒面结构氧化锌透明导电薄膜的制备方法，该方法以掺杂氧化锌为靶材，采用磁控溅射方法直接制备出同时具有良好电学特性和绒面结构的氧化锌透明导电薄膜，能够实现良好的陷光效果。