[发明专利]氧化锌透明导电薄膜的低温制备方法及专用靶材

说明书

技术领域

本发明涉及透明导电氧化物薄膜技术领域，具体是指一种用于太阳能电池的氧化锌(ZnO)透明导电氧化物薄膜的低温制备方法及专用靶材。

背景技术

透明导电氧化物(Transparent Conducting Oxide：TCO)薄膜是太阳能电池的重要组成部分。SnO₂基、In₂O₃基以及ZnO基材料是三种最主要的TCO薄膜材料。近年来，对ZnO基薄膜材料的研究引起越来越多的关注。ZnO基透明导电薄膜材料具有无毒、来源丰富、价格便宜、并且在氢等离子体中稳定性要优于In₂O₃:Sn(ITO)和SnO₂:F(FTO)，特别是应用于硅基薄膜太阳能电池更具有独特的优势。此外，ZnO基透明导电薄膜还是标准铜铟镓硒薄膜太阳能电池的透明前电极材料。因此，它在薄膜太阳能电池领域拥有极大的应用空间。

相对于玻璃、石英等硬质衬底，柔性衬底上生长的TCO薄膜具有重量轻、可弯曲、不易破碎等优点，可应用于柔性太阳能电池以及柔性纳米光电器件等领域。但诸如有机聚合物等柔性衬底材料也存在着不耐高温这一缺陷，而目前市场上所用的TCO薄膜大多都需要较高的生长温度(如大于200℃)，低的衬底温度无法获得具有良好结晶质量的TCO薄膜，这就限制了TCO材料在柔性衬底上生长的发展空间。此外，一些光电子和微电子器件的生长工艺也要求TCO薄膜必须具有较低的生长温度，此时的高温生长模式显然不能与器件工艺相兼容。因此，寻找一种能够低温沉积透明导电薄膜的生长方法，拓展TCO薄膜在柔性衬底材料领域以及低温工艺器件领域的应用空间，就成为大家亟待解决的问题。

作为薄膜太阳能电池的透明前电极，低电阻率和高透射率是对透明导电薄膜的两个最基本要求。降低薄膜电阻率可以通过提高薄膜的迁移率和载流子浓度来实现。如果采用通过掺杂来提高载流子浓度从而降低电阻率的方法，一方面会因为增加了电离杂质的数量而降低薄膜的迁移率；另一方面也会因为载流子浓度的增加而增加了近红外波段的自由载流子的吸收，从而降低近红外波段的透射率。基于载流子浓度与迁移率和透射率之间的这种相互制约关系，我们希望能够找到一种薄膜，该薄膜具有低的载流子浓度，可提高近红外波段透射率；同时，薄膜具有低的电离杂质浓度，可提高薄膜结晶质量，增加迁移率，从而降低电阻率，提高透明导电薄膜的综合性能。

在ZnO基透明导电薄膜中，通常采用+3价的B、Al、Ga等元素(用M代表)进行掺杂，薄膜中的导电电子来源是M³⁺对Zn²⁺的替换和氧原子的缺位。每个M³⁺对Zn²⁺的替换提供一个导电电子，每个氧缺位提供两个导电电子。如果我们利用高价态元素M⁵⁺进行掺杂，每个M⁵⁺替代Zn²⁺可提供3个导电电子，进而在低掺杂剂量的情况下可提供足够的自由载流子，有效降低电离杂质散射，提高电子迁移率，这样就可解决载流子浓度与迁移率和透射率之间的这种相互制约关系，提高透明导电薄膜的综合性能。

发明内容

基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是提出一种利用高价态元素M⁵⁺进行掺杂的掺杂ZnO透明导电薄膜的低温制备方法及专用靶材。

本发明的技术方案是：用V₂O₅作为ZnO的掺杂材料并制备成靶材，通过磁控溅射生长掺杂ZnO透明导电薄膜，V⁵⁺离子半径为小于Zn²⁺离子半径故可用V⁵⁺替代Zn²⁺离子，V⁵⁺与Zn²⁺之间的价态差为3，可提供3个导电电子，进而在低掺杂剂量的情况下可提供足够的自由载流子，有效降低电离杂质散射，提高电子迁移率，提高透明导电薄膜的综合性能。同时本发明的技术方案可在衬底温度为室温～200℃下生长，从而实现在有机聚合物等柔性衬底材料上生长。

本发明的ZnO透明导电薄膜的低温制备方法，其步骤如下：

A、衬底处理：将专用靶材安装到磁控溅射设备的靶枪上，将清洗干净的衬底放到溅射腔的基片台上，采用机械泵将腔室真空抽至1×10^-1Pa，用高纯Ar对衬底进行等离子体反溅射清洗。