[发明专利]绒面硼掺杂氧化锌基透明导电薄膜的生长方法和生长装置

说明书

技术领域

本发明提出了一种氧化锌基透明导电薄膜的生长方法，属于光电材料领域，具体涉及一种硼元素掺杂的、具有良好的光散射性能的氧化锌基透明导电薄膜的生长方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜是硅基薄膜太阳能电池的关键组件之一。作为硅基薄膜太阳能电池的前电极，TCO薄膜需要满足下面几个条件以获得高的光电转化效率：i)在可见和近红外光谱区域的高透过率；ii)高的电导率；iii)优秀的光散射性能，一般源于其粗糙的表面形貌，又称为绒面结构。相对于已发展完善的显示行业，光的散射能力是太阳能行业中的一个特殊要求，一般以散射透过率即雾度来衡量，值得引起高度的重视。具备有效的光散射性能的高质量的TCO薄膜能够提高Si层的光学吸收，从而可以增加电池的光电转换效率。

目前所用的透明导电氧化物中，氧化铟锡(ITO)在显示行业的应用占统治地位，但ITO并不能满足太阳能电池的应用需求。ITO薄膜一般是以溅射方法沉积而成的，其表面较平整，不能有效的起到散射光的作用。同时，ITO薄膜在用PECVD方法生长Si吸收层的等离子体还原性气氛中是不稳定的。目前，Si薄膜太阳能电池行业广泛商业化应用的TCO膜为氟掺杂的氧化锡(FTO)，一般是用常压化学气相沉积法(APCVD)沉积而成的。FTO具有粗糙的表面，从而能够起到散射光的作用。但是，FTO的生长温度比较高(500℃以上)，其掺杂物F也是对环境有害的。瑞士IMT的研究者们开发出了硼掺杂氧化锌透明导电薄膜(BZO)作为一种薄膜硅太阳能电池新的透明导电层。(110)取向的BZO薄膜具有粗糙的表面，利用低压化学气相沉积法，其生长温度也较低，约为200℃。BZO相对于FTO有一些显著的优点，譬如更低的材料成本、更低的沉积温度、更多的环境友好性以及高的光散射能力。因此，BZO正成为硅基薄膜太阳能电池TCO层的最有力的竞争者。

尽管LPCVD生长BZO已经有过众多的研究，但具体生长过程中，薄膜的表面形貌和光电特性受到气体种类、气体流量、沉积压力、衬底温度、生长时间等诸多因素的影响，并非所有的生长条件下生长出来的BZO薄膜都是(110)取向，具有良好的光散射性能的。例如CN101892464A公开一种在柔性衬底上沉积绒面结构ZnO薄膜的方法，采用金属有机化学气相沉积技术，以二乙基锌和水为源材料，以氢稀释的硼烷作为掺杂气体，掺杂气体流量百分比含量为0.1～1％，生长出的硼掺杂ZnO薄膜由于掺杂比例小，载流子浓度较低，同时由于衬底温度较低，薄膜结晶性也较差，导致薄膜的整体透过率和导电性都很难提升；CN102496647A也公开了一种用低压化学汽相沉积(LPCVD)制备硼掺杂ZnO薄膜的方法，其以二乙基锌、水蒸汽和硼烷为原料，且硼烷浓度为0.1～3％，生长出的硼掺杂ZnO薄膜性能并未有相应描述，其方法中所用原料流量较低，不适合大面积快速生产，同时其原料中缺少H₂这一重要反应物，对气相反应的稳定性有较大影响。因此，如何生长出性能稳定的具有良好光散射性能的BZO薄膜，是必须要解决的一个难点。

发明内容

为了解决目前生长绒面硼掺杂氧化锌基透明导电薄膜中存在的问题，本发明提出了一种方法和一种装置，能够高效的生长出电性能稳定且具有良好光散射性能的BZO薄膜。

一方面，本发明提供一种绒面硼掺杂氧化锌基透明导电薄膜的生长方法，利用常压化学气相沉积法，包括如下步骤：

1)将衬底置于真空室的衬底基板中，并使真空室中的气压为1×10^-2Pa或更低，且将衬底基板加热至160℃～240℃；

2)向所述真空室通入二乙基锌蒸气、H₂O蒸气、B₂H₆、和H₂，其中二乙基锌蒸气、H₂O蒸气、B₂H₆、和H₂的流量比为(8～12)：(8～12)：(4～6)：(0.8～1.2)，保持真空室内的气压稳定在0.2torr～1torr，沉积3分钟以上，制得绒面硼掺杂氧化锌基透明导电薄膜。

本发明通过精确调控反应气体组分、气体流量比例、生长时间等参数，可生长出(110)取向且具有良好光散射性能的氧化锌基透明导电薄膜。本发明制备的BZO薄膜的雾度可达28％。本发明具有材料成本低、环境友好、性能稳定等优点，可广泛应用于薄膜太阳能电池等领域，通过控制气体种类、气体流量、沉积压力、衬底温度、生长时间等因素，可以生长出(110)取向，且具有良好的光散射性能的BZO薄膜。