李 宏

(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)

0 引言

太阳能电池对透明导电薄膜的首要要求之一是透光性要好[1],只有这样才能有效的利用太阳光.其次是导电性[2],最高限度的降低电池产生的光电流的衰减.另外要求透明导电薄膜具有较高的稳定性[3]、耐磨及耐酸碱.AZO薄膜具有良好的透光性[4],因为其禁带宽度为3.37 eV,大于紫外可见区的光子能量3.1 eV,因此AZO薄膜在可见光下并不会引起本征激发,可以使可见光顺利通过.可见光区的透过率一般可达到80%～90%.适当的制备工艺下,AZO薄膜电学性能良好.此外AZO薄膜原材料更丰富、无毒、价格也更低廉,其研究越来越受到人们的关注[5-9].制备AZO薄膜的常用方法有磁控溅射法[10],等离子化学气相沉积法等[11].

1 实验过程

在氩气环境下,利用射频磁控溅射在载玻片上制备掺铝氧化锌透明导电薄膜.在制备前,载玻片先在丙酮溶液中超声15 min,然后分别用乙醇和去离子水冲洗,最后用高纯氮气吹干.载玻片清洗完毕后直接放置在磁控溅射专用的托盘上,并立即放入磁控溅射腔室里.AZO靶材采用的是铝掺杂质量分数为2%的氧化锌,尺寸大小是3英寸.通过机械泵和真空泵,使得腔内的本底真空为4.5×10-4Pa,然后调节不同的溅射参数制备AZO透明导电薄膜.

2 制备参数对AZO透明导电薄膜电学性能的影响

2．1 不同的溅射功率对薄膜结构和电学性能的影响

薄膜的生长速率是衡量溅射过程效果的重要参数.从图1可以看到,在功率小于50 W时,薄膜的生长速率变化很小,当功率大于50 W时,薄膜的生长速率随着溅射功率的增加而增加.但在实验中发现当溅射的功率过高时,靶材的表面出现烧蚀的痕迹,薄膜的生长速率随着溅射功率的增加而减小,这是由于靶材出现“离子植入”的原因.

图2给出了不同功率下制备的AZO薄膜形貌图.从扫描电子显微镜图可以发现溅射功率对AZO薄膜的形貌有很大的影响.随着功率的增大,晶粒尺寸逐渐变大,晶界开始出现.这是由于当溅射功率增加时,溅射离子的动能增加,离子可以在衬底表面到达更好的格点位置,使得晶粒成核更容易.当时当功率过大时,离子在到达衬底时具有的较大动能会撞击薄膜表面,使得薄膜的缺陷增加.

图1不同的溅射功率对薄膜生长速率的影响图2不同功率下制备的AZO薄膜形貌

表1给出了不同功率下制备的AZO薄膜的方块电阻和电阻率.从表中可以看出,从50 W到200 W,AZO薄膜的方块电阻和电阻率逐渐减小.

表1 不同功率下制备的AZO薄膜的方块电阻和电阻率

2．2 不同的衬底温度对薄膜电学性能的影响

表2给出了不同的衬底温度下制备薄膜的方块电阻和电阻率.从表格中可以看出随着温度的升高,薄膜的方块电阻和电阻率先变小,再变大.这是由于随着衬底温度的升高,溅射到衬底表面的离子能量增加,从而使得离子的弛豫时间变长,薄膜结晶质量明显提升.当温度过高时,部分的Al被氧化成Al2O3,载流子浓度降低,这是方块电阻和电阻率就会增大.

表2 不同的衬底温度下薄膜的方块电阻和电阻率

2．3 不同的氢气掺杂比对薄膜电学性能的影响

表3给出了不同的氢气掺杂比下薄膜的方块电阻和电阻率.从表中可以看出随着氢气比例的逐渐增加,薄膜的方块电阻和电阻率先先变小,再变大.AZO薄膜属于多晶薄膜,在沉积的过程中O原子易吸附于晶界和空位上,从而阻碍载流子的运动,导致薄膜电阻变大.由密度泛函理论可知,H在溅射AZO薄膜中可以作为施主杂质的提供一个电子,此外H容易与O结合形成O—H键,从而使得吸附于晶界和空位上的O原子数量减少,势垒的阻碍作用减小[11].

表3 不同的氢气掺杂比下薄膜的方块电阻和电阻率

图3 AZO薄膜的透射谱

2．4 AZO薄膜的透射谱

图3给出了在功率、温度、氢气掺杂比为200 W、300 ℃、8%时,制备的AZO薄膜的透射率.从图中可以看出,制备的AZO薄膜在可见光区域的平均透射率均在80%以上.满足制备太阳能电池的需要.

3 总结

本文主要介绍了在不同的溅射功率、温度、氢气掺杂比制备的AZO薄膜的电学性质和投射率.实验表明在功率、温度、氢气掺杂比为200 W、300 ℃、8%时,制备的AZO薄膜具有最小的方块电阻和电阻率,且在可见光区域内透射率均超过80%.

[1]Nakamura T,Yamada Y,Kusumori T,et al.Improvement in the crystallinity of ZnO thin films by introduction of a buffer layer[J].Thin Solid Films,2002,411(1):60～64.

[2]Hao XT,Ma J,Zhang DH,et al.Comparison of the properties for ZnO:Al films deposited on polyimide and glass substrates[J].Materials Science and Engineering B,2002,90(1):50～54.

[3]Liu ZF,Shan YX,Li BC,et al.Epitaxial growth and properties of Ga-doped ZnO films grown by pulsed laser deposition[J].Journal of Crystal Growth,2003,259(1)：130～136.

[4]Lin B,Fu Z,Jia Y.Green luminescent center in undoped zinc oxide films deposited on silicon substrates[J].Applied Physics Letters,2001,79(7)：943～945.

[5]张 伟,张玉梅,王永红,等.磁控溅射法制备FeCu薄膜[J].吉林师范大学学报(自然科学版)，2009,30(2):90～91.

[6]Musta V,Teixeira B,Fortunato E,et al. Effect of post-heat treatment on the electrical and optical properties of ZnO:Al thin films[J]. Thin Solid Film,2006,502(25):219～222.

[7]Chang JF,Lin WC,Hon MH. Effect of post-annealing on the structure and properties of Al-doped zinc oxide films[J].Applied Surface Science,2001,183(15):18～25.

[8]Van de Walle CG. Hydrogen as a Cause of Doping in Zinc Oxide[J].Physical Review Letters,2000,85(33):1012～1015.

[9]Van de Walle CG,Neugebauer J. Universal alignment of hydrogen levels in semiconductors,insulators and solutions[J].Nature,2003,(21):626～628.

[10]Lan WS,Fonash SJ.Hydrogen in crystalline semiconductors[J].Applied Physics A，1987,43(3)：153～195.

[11]Zhou HB,Zhang HY,Wang ZG,Tan ML.Highly conductive and transparent Al-doped ZnO films on glass substrate via incorporating hydrogen at low substrate temperatures[J].Materials Letters，2012,74(1)：96～99.