[发明专利]用新型低毒凝胶浇注制备大尺寸氧化锌基靶材的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型低毒凝胶体系制备大尺寸磁控溅射靶材的制备方法，属于功能材料和节能技术领域，具体涉及使用低毒甲基丙烯酰胺体系进行凝胶浇注制备高质量、大尺寸的氧化锌基靶材（ZnO:X,X=Al,Ga,In,Si）的工艺。

背景技术

透明的前电极是薄膜太阳能电池的重要组成部分，需要具有高导电性和透光率的材料，其性能的好坏直接影响电池的光电转换效率。比较常用的透明电极材料有掺锡氧化铟（ITO）、掺氟氧化锡（FTO）和掺铝氧化锌（AZO）等。

磁控溅射具有成本低、工艺简单、成膜质量好、成膜速率高、工艺成熟等优点，因而在工业生产中应用广泛，为AZO透明薄膜主要制备方法。

磁控溅射法制备AZO透明导电膜有两种实现途径。一种是使用锌铝合金靶材在含氧气氛中进行反应磁控溅射。此方法对靶材的要求比较低，靶材容易制备且成分容易控制，但缺点也很明显，其成膜质量较差；另一种途径是使用制备好的AZO陶瓷靶材，用陶瓷靶材在真空下进行磁控溅射，该方法制备的薄膜质量较好且容易控制且更适合工业化生产，但是其对靶材的制备要求较高，只有高质量的合适陶瓷靶材才能溅射出高质量均匀的膜，因此对靶材制备的研究是该工艺的重点和难点。

制备用于薄膜太阳能电池的AZO薄膜所需高质量靶材需要高的纯度、均匀性、致密度、电导率与较好的强度及较大的尺寸。这些要求中，除纯度完全由原料成分决定以外，其他均为制备工艺所影响。因此，寻找合适的工艺方法是获取高质量AZO靶材的关键。

常见的陶瓷成型工艺有可塑成型、模压成型、注浆成型、注塑成型、等静压成型等。可塑成型一般用于传统陶瓷，对原材料的利用率较低且只对特定的原料适合。模压成型、注浆成型、注塑成型所生产的坯体都存在一定的密度梯度，均匀性不是很好，且不适合生产大尺寸的样品。等静压成型所制备的坯体密度高、均匀性好、尺寸大，但是其对设备的要求较高，生产效率低，且只适合制备几种简单形状的制品，随产品尺寸的加大其设备投入迅速增加，故只适合制造较小尺寸且价值较高的产品。

CN102351526A公开一种用凝胶注模成型制备AZO靶材的方法，其采用丙烯酰胺体系，丙烯酰胺为剧毒物质，对人体的神经等有危害[于素芳,谢克勤.丙烯酰胺的神经毒性研究概况:毒理学杂志2005,03]，故对其使用应予以限制。在工业生产中，使用剧毒的药品必然伴随着生产安全投入的加大以及对后续工业废料处理难度的加大，因此开发低毒无毒的凝胶体系是大规模制备高质量AZO靶材的要求。CN102351526A虽然也笼统地提到可以用甲基丙烯酰胺—N,N′-亚甲基双丙烯酰胺体系，但并未给出具体的实施方式。此外，CN102351526A只涉及制备AZO靶材靶材的方法，因此该方法是否适用其他氧化锌基靶材也有待进一步研究。

薄膜太阳能电池正处于快速发展期，其市场份额不断加大，随之其对透明导电氧化物薄膜材料的需求也不断高涨。这是AZO靶材发展的良好机遇。本发明即为一种方便、高效制备高质量AZO及其衍生物靶材的实现方法。通过良好的成型技术与适当的掺杂实现高质量、大尺寸的AZO及其衍生靶材的大规模制备。

发明内容

为解决AZO及其衍生物靶材生产成本高、大尺寸难以成型、靶材均一性差等问题，本发明提供一种工艺简单方便的用新型低毒凝胶浇注快速制备大尺寸高质量AZO及其衍生物靶材的凝胶浇注方法。

在此，本发明提供一种用新型低毒凝胶浇注制备大尺寸氧化锌基靶材的方法，所述大尺寸氧化锌基靶材的化学组成为ZnO:X，其中，X=Al、Ga、In和/或Si，所述方法包括：将高纯无机粉体与预混液球磨混合以获得高流动性的稳定浆料，所述预混液包括甲基丙烯酰胺、N,N′-二亚甲基双丙烯酰胺、聚丙烯酸铵和水；所述稳定浆料至少在引发剂的作用下凝固形成高强度的生坯；以及所述生坯经干燥工序、排胶工序和烧结工序处理得到所述大尺寸氧化锌基靶材；其中，所述排胶工序采用多段温度曲线形式的高温排胶。

本发明采用一种新颖的甲基丙烯酰胺-N,N′-亚甲基双丙烯酰胺-聚丙烯酸铵体系，环境友好，适合制备多种大尺寸氧化锌基靶材。此外，本发明采用多段温度曲线形式的高温排胶，利用高温可以有效去除有机物，而且在排胶的过程中就已经开始烧结，排胶得到的样品具有很高的强度，更有利于烧结工序的进行。

较佳地，所述排胶工序分成2～10段进行分段升温直至800～1000℃，各段升温速率为5℃/h～1℃/min，且各段之间穿插持续0.5～3h的保温平台。