不同鋁摻雜量ZnO薄膜性能的研究

2010-03-30 穆慧慧 鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院材料物理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

  以鋁摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%的Zn/Al 合金為靶材,采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備了不同鋁含量ZnO:Al(AZO)透明導(dǎo)電薄膜。研究了襯底溫度對AZO薄膜電學(xué)性能的影響;同時(shí),研究鋁摻雜量不同、電阻率相同的AZO 薄膜的載流子濃度與遷移率的關(guān)系。結(jié)果表明:隨著Al 摻雜量的增加,薄膜最佳性能(透過率90%,電阻率6×10- 4 Ω·cm 左右)時(shí)的襯底溫度值會降低;電阻率相同的樣品,1%鋁摻雜的薄膜遷移率和透光率均高于2%鋁摻雜薄膜的。

  透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜具有在可見光區(qū)域透明和電阻率低等優(yōu)異的光電性能,被廣泛應(yīng)用于各種光伏器件中。ZnO:Al 薄膜是過對ZnO 薄膜適量的鋁摻雜使鋁離子或鋁原子進(jìn)入ZnO 晶格中,增加晶體中自由載流子濃度,從而提高ZnO 薄膜的導(dǎo)電性能。ZnO:Al 薄膜作為電極使用成為薄膜太陽能電池必不可少的一部分。

  在光伏器件的應(yīng)用中,若ZnO:Al 薄膜中載流子濃度過高,在近紅外區(qū)域會導(dǎo)致自由載流子對光子的吸收,這將影響單結(jié)c- Si:H 薄膜電池和a- Si:H/μc- Si:H 疊層電池的光電轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)過高的Al 摻雜量會引起晶格散射,導(dǎo)致載流子遷移率降低。所以,在足夠高載流子的前提下,降低摻雜濃度、提高載流子遷移率對提高薄膜電導(dǎo)率具有一定的實(shí)際意義。

1、實(shí)驗(yàn)

  本實(shí)驗(yàn)儀器是CS- 300 型磁控濺射儀,分別用Al 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、1%、2%、3%的180 mm×80 mm×5 mm 矩形Zn/Al 合金靶材,采用直流反應(yīng)磁控濺射在玻璃襯底上制備不同Al 含量的AZO 薄膜(注:以后所指的摻雜含量均指靶材中鋁的含量)。靶和襯底間的距離為7 cm。襯底表面預(yù)先用丙酮、無水乙醇和去離子水做超聲波處理,去除玻璃上的油漬和其它可溶有機(jī)物,反應(yīng)室中本底真空優(yōu)于2.0×10- 3 Pa. 薄膜正式沉積前,通入高純氬氣預(yù)濺射10 min 以去除靶表面的污染物及氧化物,然后通入高純氧氣。反應(yīng)的工藝參數(shù)如下:襯底溫度在150~280℃之間,氧氬比為1:3.2,反應(yīng)氣壓為0.5 Pa,功率為180 W,沉積時(shí)間均為30 min。

  利用XRD 研究AZO 薄膜的晶體結(jié)構(gòu)。用傳統(tǒng)四探針方法和UV- 3150 型IR- VIS- UV 分光光度計(jì)分別測量了薄膜的方塊電阻和光學(xué)透過率。薄膜的厚度采用分光光度計(jì)自帶膜厚計(jì)算的軟件計(jì)算。

3、結(jié)論

  以鋁摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%的Zn/Al合金為靶材,采用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)在玻璃襯底上制備了不同Al 摻雜量AZO 透明導(dǎo)電薄膜。結(jié)果表明:隨著Al 摻雜量的增加,1%、2%、3%摻雜的薄膜最佳性能(透過率90%,電阻率6×10- 4 Ω·cm 左右)時(shí)的襯底溫度值逐漸減小, 分別在230℃、210℃、180℃時(shí)電阻率最低。從XRD 圖、SEM 圖可推斷出:少量Al 摻雜有利于ZnO 薄膜的晶粒生長,增加其導(dǎo)電載流子濃度;過多量Al 摻雜使ZnO 晶粒尺寸減小,導(dǎo)致其載流子濃度及遷移率降低。最后從自由載流子對近紅外波段光子吸收的角度,分析得出本實(shí)驗(yàn)制備的電阻率相同樣品,1%摻雜AZO 薄膜的遷移率和透光率均高于2%AZO 薄膜。