[发明专利]一种超薄银基OMO复合透明导电薄膜的制备方法及应用

说明书

一种超薄银基OMO复合透明导电薄膜的制备方法及应用，属于光电子器件领域。本发明采用磁控溅射技术等生长超薄Ag‑Zn薄膜，其中Ag金属靶材(掺杂剂为Zn)作为原材料，Ar气体作为溅射气体，选择性地在镀膜过程中引入微量O₂；利用反应等离子沉积技术等生长氧化物Oxide薄膜，从而形成并获得Oxide/Ag‑Zn/Oxide或Oxide/Ag‑Zn(O)/Oxide复合薄膜。本发明中超薄Ag‑Zn薄膜的阈值厚度(～5nm)显著低于常规方法制备Ag薄膜的阈值厚度，能在保持良好导电性的前提下，大幅提升近红外NIR透过率以及宽光谱范围透过率，且制造温度和镀膜成本低、环境友好，其OMO复合薄膜可应用于光电器件。

技术领域

本发明涉及一种透明导电电极的制备方法，具体地说是涉及一种基于超薄银薄膜的OMO复合薄膜透明导电电极的制备方法及其应用。

背景技术

透明导电电极(transparent conductive electrode-TCE)在光电器件领域(如太阳电池)展现出广泛的应用前景，参考文献：K Ellmer.Nature Photonics 6(2012)809-817。透明导电氧化物(transparent conductive oxide，TCO)中，Sn掺杂In₂O₃(ITO)和F掺杂SnO₂(FTO)薄膜同时具有良好的光电特性以及化学稳定性，成为光电器件领域应用最广泛的底电极材料。但需要将TCE制备于器件顶部时(如半透明太阳电池)，需要考虑制备工艺对衬底的影响。高性能ITO仅限于真空沉积且需要高温退火(＞200℃)，室温下磁控溅射制备的ITO光电性能相对较差，且具有较大动能的溅射粒子会对底层造成损伤，虽然一个缓冲层能够避免这种损伤，但会引入额外的寄生吸收。以及In元素的毒性和稀有性限制了ITO的发展，因此科研人员致力于开发无铟TCE。理想TCE应具备以下特点：(1)具有良好的导电特性与光学透过率；(2)具有化学稳定性以及与相邻层兼容性；(3)制备工艺简单且适合大规模生产；(4)成本低、安全无污染。新型TCE中，PEDOT:PSS电极显酸性和吸水性，不利于ST-PSCs长期稳定；银纳米线、多层石墨烯具有良好光电性能，但制备方法复杂、耗时，导致重复性差；碳纳米管成本低、稳定性好，但过高的方块电阻(2～25kΩ/sq)限制了它的应用。以及它们均缺乏高产量的制备方法，难以大规模制造，短期内难以商业化生产。

基于超薄金属薄膜的介质/金属/介质(DMD)复合薄膜能够在保持金属薄膜良好导电性的前提下，根据光学干涉效应大幅提升整体的透过率，以及各部分成熟的大规模制造工艺，成为极具竞争力的新一代TCE，参考文献：YG Bi,YF Liu et al.Adv.Optical Mater7(2019)1-23。基于介质为氧化物的复合层称为OMO。介质层的常用候选材料为氧化物(oxides)：底层氧化物起种子层(促进金属层的二维生长)、保护层(避免金属直接与底层接触)和光学耦合层的作用；顶层氧化物主要起光学耦合层和保护层(使金属层隔绝湿气、氧气)的作用。此外，还能够根据光电器件的需求，选择合适功函数的氧化物材料。金属层是DMD结构的核心，通过金属夹层提升整体的导电性，但由于较厚金属层强烈的反射，导致DMD复合薄膜在近红外光区(NIR)的透过率出现急速下降。因此，我们希望能够在保证金属层良好导电性的前提下，降低金属层厚度，减小NIR反射。此时存在一个最小厚度，金属层能恰好连接形成导电路径，称为渗透阈值厚度。常见金属材料(如Au、Ag、Cu)的生长模式为岛状生长(Volmer-Weber生长模式，即在Ag薄膜沉积初期，相比与衬底结合，Ag原子更倾向于彼此结合，形成岛状结构)，这使得金属薄膜存在着较高的阈值厚度(～10-20nm)。在低于此阈值厚度的情况下，金属薄膜不仅导电性差，而且由于局部表面等离子激元效应，对光产生寄生吸收，限制了整体的透过率。