绒面掺铝氧化锌透明导电薄膜的制备与表征

论文摘要

ZnO薄膜材料因具有无毒、源材料丰富、相对生长温度低和在强H等离子体环境中性能稳定等特点获得了广泛研究和应用。其中ZnO:Al （AZO）薄膜由于电阻率低,在可见光区域透过率高而备受关注,被广泛地应用于硅基太阳电池前电极。然而,硅基太阳电池除了要求前电极具有优异的光电性能以外,还要求薄膜表面具有凹凸起伏的绒面结构,实现有效的光散射从而提高电池的光电转换效率。本文采用射频磁控溅射法在硅和石英衬底上成功制备了不同溅射功率下的AZO薄膜,研究了溅射功率对AZO薄膜结构及光电性能的影响,后又采用湿法刻蚀方法对AZO薄膜表面进行织构化处理,研究不同的刻蚀时间对薄膜表面形貌的变化及相同的刻蚀时间下不同溅射功率制备的AZO薄膜刻蚀行为的差异,得出的研究结果如下:一、XRD结果显示,所有AZO薄膜均显示了明显的（002）峰C轴择优取向,随着功率的增加,衍射峰的强度和半高宽减小,衍射峰向大角度方向移动,这是由于半径较小的Al3+（0.054nm）部分取代了ZnO晶格中半径较大的Zn2+（0.074nm）,因此AZO薄膜的晶面间距d（002）减小,（002）面的衍射角向大角度方向移动。SEM表面形貌图显示,随着溅射功率的增加,薄膜表面由圆点状向瓦片状转变,颗粒逐渐变大,AFM结果显示,薄膜的均方根粗糙度（RMS）在3.33-9.54nm范围内。SEM截面图显示,薄膜垂直于基片生长,随着溅射功率的增加,薄膜由柱状生长方式变为片状生长方式。XPS结果显示,Zn以Zn2+形式出现在AZO基体中,Al2p峰的结合能在74.0eV附近,处于单质金属Al的电子结合能（72.3eV）和Al2O3的电子结合能（74.6eV）之间,说明Al离子进入到ZnO的晶格内形成了掺铝氧化锌化合物。二、采用霍尔系统测试了AZO薄膜的电学性质,发现随着溅射功率的增加,AZO薄膜的载流子浓度和霍尔迁移率均增加了,从而导致薄膜的电阻率降低,最小值为1.37×10-2?cm。采用紫外-可见光分光光度计测试了AZO薄膜在可见光区域的透过率,所有薄膜在可见光区域的透过率均在80%以上,溅射功率为200W的样品的平均透过率最高,达86%。此外,所有的AZO薄膜的透射曲线都有一个明显的特征吸收边,且随着功率的增加,样品的特征吸收边向短波方向移动,即产生了吸收边蓝移的现象。三、初沉积的AZO薄膜的表面比较平滑,首先采用体积分数为0.5%的稀盐酸对具有最优的光电性能的170W和200W的样品进行湿法刻蚀,刻蚀时间为10-30s。SEM图显示刻蚀后样品表面呈现坑状形貌,随着刻蚀时间的增加,坑越深越大,腐蚀时间30s的时候AZO薄膜刻蚀后坑状形貌最为明显。因此,对溅射功率在70-200W之间的所有AZO薄膜进行30s的刻蚀,发现不同溅射功率下的AZO薄膜刻蚀后显示出不同的坑状形貌,表现为坑的大小、深度、分布密度不同,其中溅射功率为170W的AZO薄膜腐蚀后表面分布的坑特征尺寸达500nm,分布均匀,在500nm处的绒度高达40.6%,具有优异的光散射性能。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 引言
• 1.2 ZnO 的性能
• 1.2.1 ZnO 的基本性质
• 1.2.2 ZnO 的晶体结构特性
• 1.3 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.3.1 表面平滑的ZnO 薄膜的制备方法
• 1.3.2 绒面ZnO 薄膜的制备方法
• 1.4 ZnO:Al 薄膜在太阳电池中的应用
• 1.4.1 太阳电池的原理
• 1.4.2 太阳电池的种类及效率
• 1.4.3 ZnO:Al 薄膜在太阳电池中的应用
• 1.5 本文的研究思路
• 参考文献
• 第二章 薄膜的制备及表征
• 2.1 薄膜的制备
• 2.1.1 实验装置及设备技术参数
• 2.1.2 基片清洗
• 2.1.3 沉积后薄膜表面织构化处理
• 2.2 薄膜的表征
• 2.2.1 X 射线衍射（XRD）
• 2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.2.3 原子力显微镜（AFM）
• 2.2.4 紫外-可见光分光光度计（UV-Vis）
• 2.2.5 X 射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.6 膜厚测量
• 2.2.7 霍尔效应测试（Hall effect）
• 参考文献
• 第三章 初沉积的ZnO:Al 薄膜的结构和光电性质
• 3.1 AZO 薄膜的XRD 分析
• 3.2 AZO 薄膜的SEM 表面形貌图
• 3.3 AZO 薄膜的AFM 表面形貌图
• 3.4 AZO 薄膜的SEM 截面形貌图
• 3.5 AZO 薄膜的XPS 分析
• 3.6 AZO 薄膜的电学性质
• 3.7 AZO 薄膜的光学性质
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章 绒面ZnO:Al 薄膜的结构和光电性质
• 4.1 不同的腐蚀时间
• 4.1.1 绒面ZnO:Al 薄膜的SEM 图
• 4.1.2 绒面ZnO:Al 薄膜的光学性质
• 4.1.3 绒面ZnO:Al 薄膜的绒度
• 4.2 腐蚀时间相同，不同功率制备的薄膜的性质
• 4.2.1 绒面ZnO:Al 薄膜的SEM 表面图
• 4.2.2 绒面ZnO:Al 薄膜的AFM 图
• 4.2.3 绒面ZnO:Al 薄膜的SEM 截面图
• 4.2.4 绒面ZnO:Al 薄膜的电学性质
• 4.2.5 绒面ZnO:Al 薄膜的光学性质
• 4.3 退火对绒面ZnO:Al 薄膜电学性质的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 攻读学位期间公开发表的论文
• 致谢