[发明专利]一种低温超声雾化热解沉积锂掺杂立方相SnO2薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料领域，涉及一种低温超声雾化热解沉积锂掺杂立方相SnO₂薄膜的方法。

背景技术

近年来，透明导电氧化物由于其优良的载流子传输性能和较高的可见光透过率(≥80%)在薄膜太阳能电池、平板显示器、气敏传感器、低辐射玻璃领域中已经得到了广泛的应用。目前市场上应用的最广泛和成熟的透明导电氧化物是掺锡氧化铟（ITO），但由于In元素有毒且原料来源稀少，限制了其大规模应用前景。许多ITO的替代产品已经受到了越来越多的关注，例如SnO₂:F(FTO),SnO₂:Sb(ATO),

ZnO:Al(AZO)等等。在这其中，SnO₂薄膜由于其较宽的光学带隙和在可见光范围内具有较高的透过率，是一种理想的透明导电材料。但由于SnO₂的导电性依赖于Sn/O非理想化学配比导致的氧空位，其稳定性难以得到保证。研究发现，通过掺杂能够提高SnO₂的电学稳定性。目前的研究主要集中在F，Sb等元素对SnO₂的结构和光电特性方面的影响，但由于F，Sb对环境具有较大的毒性和污染，限制了其的大规模生产与应用。

目前，制备SnO₂薄膜方法主要有磁控溅射法，溶胶-凝胶法，热解喷雾法，激光脉冲沉积法等等，其中超声热解雾化法由于其成本低廉，无需真空过程，易于实现掺杂等优点，成为制备SnO₂薄膜的一种较为高效和合理方便的方法。但目前报道的具有优良光电性能的超声雾化热解法所采用的衬底温度都较高（≥350℃），带来了较大的能源浪费且薄膜均匀性难以得到保证，此外高温分解产生的腐蚀性气体也容易对加热仪器造成损害。在超声雾化热解的过程中，雾化后的液滴在飞向衬底的过程中，可能会发生4种不同的过程，过程A：雾化液滴到达基体以液体形式存在，直接在衬底表面完成溶剂挥发、汽化和反应沉积过程；过程B：雾化液滴飞向衬底的过程中完成溶剂挥发，溶质析出并最终撞击衬底表面成膜；过程C：雾化液滴飞向衬底的过程中完成溶剂挥发，溶质析出之后瞬间发生气化，固体气化后在衬底表面发生热解反应成膜；过程D：雾化液滴的溶剂挥发、溶质析出、溶质汽化和后续热解反应均在飞行过程中完成，生成颗粒直接在衬底表面成膜。其中过程C被认为是最佳的成膜过程。竖直倒置喷雾可以避免喷雾中较大水滴的产生，但采用传统的衬底夹具雾化热解过程往往以过程B为主，影响了最终的成膜效果。

通常合成的SnO₂薄膜为四方相金红石结构，但是也有立方相结构和正交相结构的SnO₂的报道。早期的研究表明，立方相和正交相的SnO₂作为亚稳相，只有在高温高压下才能稳定的存在。但是近几年来，陆续有报道发现在大气压下依然可以产生立方相和正交相的SnO₂。Agashe等人在大气压下通过热分解的方法制备出了四方相，立方相，正交相三相共存的SnO₂纳米晶体，证明了高压条件并不是产生立方相SnO₂的必要条件。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种低温超声雾化热解沉积锂掺杂立方相SnO₂薄膜的方法，传统的衬底夹具如图1所示，为了使过程B更多的转向过程C，提高成膜质量降低反应温度，本发明提供了一种衬底夹具，雾化液滴在到达衬底表面前会经过一段高温区，溶剂挥发溶质析出气化成膜，在较低的温度下可获得结晶度良好的薄膜，且此方法可通过低温常压的条件获得通常需高温高压条件才能合成立方相的SnO₂。通过竖直倒置喷雾和改良后的衬底夹具，在保证薄膜均匀性的同时降低了薄膜制备温度，并且通过价格低廉，耐高温且不与酸碱反应的云母隔热层保护了加热台。

本发明的另一目的在于进一步通过无毒的Li元素掺杂，提高了SnO₂薄膜的光电性能。使其可应用于薄膜太阳能太阳电池电子传输层，透明导电薄膜领域。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种低温超声雾化热解沉积锂掺杂立方相SnO₂薄膜的方法，该方法包括以下具体步骤：