[发明专利]利用直流磁控溅射制备高阻透明ZnO薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用直流磁控溅射制备高阻透明ZnO基薄膜的制备方法。属于透明导电薄膜材料(TCM)技术领域。

背景技术

高阻透明ZnO薄膜在透明电子学和新型光电器件领域有着广泛的应用前景，在薄膜太阳能电池及光电器件中，电阻在一定范围内可控、高透过率的ZnO薄膜可作为窗口层和扩散阻挡层，更是可显著地提高薄膜电池的均匀性和稳定性。在非晶硅、微晶硅及CdTe薄膜太阳能电池中，在背电极和N型光吸收层之间沉积一薄层高阻透明ZnO薄膜，可作为扩散阻挡层[(1)A.V.Shah，H.Schade，et al.Progress in Photovoltaics：Research and Applications，12(2004)113；(2)B.Rech，B.Wieder，C.Beneking，et al.26^th IEEE PVSpecialists Conf[C]，1997：619-622]，一方面可以防止电极原子和光吸收层原子在界面处的相互扩散，另一方面可降低窗口层电极的厚度，从而提高透过率，还可有效地降低电池的暗电流，提高其并联电阻，提高开路电压。铜铟镓硒(CIGS)太阳电池窗口层ZnO薄膜是由高阻ZnO(本征ZnO或i-ZnO)和低阻ZnO(ZnO:Al或n-ZnO)构成，高阻i-ZnO层在CIGS太阳电池中主要有两个作用，一是降低电池的内部短路，薄膜铜铟镓硒太阳能电池由于前后电极间欧姆接触导致电流损耗，高阻氧化锌层可以消除因表面空洞或表面损坏造成的前后电极短路；另一个作用就是使能带的带边更加匹配。

高阻透明ZnO对电池效率的提高具有重要的作用。以薄膜铜铟镓硒太阳能电池为例，Karin Ottosson详细的研究i-ZnO对CIGS电池性能的影响[(3)K.Ottosson，UPTEC F06 001，Examensarbete 20p，April 2006]。发现溅射70～100nm的i-ZnO层，可有效地消除电池器件容易出现的短路现象，可以提高电池的效率约2％，主要是提高了电池的开路电压和填充因子。由于i-ZnO层对光的吸收所产生的热载流子对电池电流没有贡献(从电池的量子效率曲线可知，因此，应该尽量减少i-ZnO层对光的吸收。同时i-ZnO层应具有合适电阻率，电阻率过低，电池内部短路的几率就大，电池的性能就会下降；但电阻率过高会导致电子隧穿的势垒过高，使电池内阻过高，光电转换效率下降。一般来说，高阻i-ZnO层的电阻率应在10⁴～10⁸Ω·cm的范围内，透过率应在90％左右，厚度应在60～120nm之间比较合适。

目前制备高阻透明ZnO薄膜的方法有很多：磁控溅射、脉冲光沉积(PLD)、原子层外延(ALE)、金属有机物气相外延(MOCVD)、分子束外延(MBE)等[(4)Y.J.Kim，C.H.Lee，et al.Appl.Phys.Lett.89(2006)163128；(5)X.N.Li，A.E.Sally，et al.J.Vac.Sci.Technol.A 24(2006)1213；(6)S.W.Kim，S.Z.Fujita，et al.Appl.Phys.Lett.88(2006)253114]，其中溅射沉积是制备ZnO薄膜最广泛的应用技术之一。对于常用的磁控溅射法，一般采用本征ZnO陶瓷靶材，由于本征ZnO为宽禁带半导体(3.3eV)，商用陶瓷靶材导电性很差且基本上接近绝缘状态，因而传统制备方法均采用射频磁控溅射法[(7)J.Ch.Lee，K.H.Kang，etc.Solar Energy Materials & Solar Cells 64(2000)185]。而对于工业界说来，由于射频电源价格昂贵而难以大规模得以使用。相对而言，在规模化工业生产中，直流电源平台具有较高的的工艺一致性和控制功能，单就窗口层材料而言，若高阻ZnO(i-ZnO)和低阻窗口电极都能采用直流磁控溅射，则不仅可以降低成本，还可大大减少工艺变化，进而提高产量。然而，如前面所述，普通商用ZnO陶瓷靶材因其极高的电阻，使用直流电源几乎无法起辉，因而难以使用直流磁控溅射技术。