CN100477133C - 近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于透明导电薄膜技术领域，具体为近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜及其制备方法。所述导电氧化物薄膜为掺杂氧化铟In₂O₃:M(M＝W，Mo)。本发明以普通玻璃为基板，利用铟金属掺钨或钼的镶嵌靶，在基板温度为300-350℃条件下通过反应直流磁控溅射技术，在适当的溅射压强、氧分压、溅射电流和溅射电压的条件下制备获得具有多晶结构的In₂O₃:M薄膜。所制备的薄膜具有低电阻率、高载流子迁移率、可见光范围高透射率、特别是近红外范围(700-2500nm)高透射率等优良的光电特性。本发明方法获得的薄膜在太阳能电池领域具有良好的应用前景。

Description

近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜及其制备方法

技术领域

本发明属于透明导电薄膜技术领域，具体涉及一种近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜及其制备方法。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜因同时具有可见光范围的透明性和良好的导电性的独特性质，从而作为透明“金属”电极而被广泛应用于平板显示器件和太阳能电池。其中最具代表性的材料是In₂O₃:Sn(ITO)、SnO₂:F和ZnO:Al(AZO)薄膜。TCO薄膜材料一般具有高的载流子浓度，低的电阻率(10^-4Ω·cm)；以及宽的禁带宽度(＞3eV)，使薄膜在可见光范围具有高的透射率(＞80％)。

但是，传统的商用TCO薄膜如ITO，当波长大于1μm时，其透射率急剧下降。这就严重阻碍了近红外区域光线的通过。而我们知道，太阳光在可见光范围(400-700nm)的能量只占其全发光波长范围(300-2500nm)的43％。太阳光在紫外区域(300-400nm)的能量为总能量的5％，而在近红外区域的能量为总能量的52％。如何充分利用近红外区域的太阳光能量，提高太阳能电池的利用效率，成为人们关注的问题。

一般而言，有两种方法可以提高TCO薄膜的电导率，一种是通过提高薄膜的载流子浓度，另一种是提高薄膜的载流子迁移率。由于载流子浓度过高，薄膜的透明性下降，故而通过提高载流子浓度来提高薄膜的电导率受到了限制。通过提高载流子迁移率来改善TCO的电学性能成为未来的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有工业生产性、工艺稳定性好的近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜及其制备方法。

本发明提出的多晶透明导电氧化物薄膜，是一种掺杂氧化铟薄膜In₂O₃:M，M为W或Mo，由直流磁控测射方法制备获得，其中，钨和钼以六阶态离子存在薄膜之中，薄膜厚度为80-150nm，具有高载流子迁移率，自由载流子浓度低于2×10²⁰cm^-3，可见光区域的平均透射率高于80％，近红外区域的平均透射率大于90％。

本发明提出的多晶透明导电氧化物薄膜的方法，采用直流磁控溅射镀膜技术，以掺杂钨或钼的铟金属镶嵌靶为靶材，以玻璃为基板，在基板温度300-350℃的条件下，用Ar离子束照射靶材，将靶材溅射，溅射电流为80-200mA，溅射电压为300-500V，反应室内的工作压强为3.0×10^-1Pa，O₂反应气体的分压为(1.0-3.0)×10^-2Pa，溅射时间1-15分钟，即形成具有多晶结构的掺杂钨或钼的氧化铟透明导电氧化物薄膜In₂O₃:M，M为W或Mo。

本发明较佳的制备条件如下：

基板温度为320-330℃。

O₂反应气体的分压为(1.0-2.0)×10^-2Pa。

反应直流磁控溅射镀膜时，溅射条件为：溅射电流100-150mA，溅射电压400-450V，溅射时间8-10分钟。

本发明中，通过可变气导阀将O₂和Ar气体通入反应室，可变气导阀是直流磁控溅射镀膜通入气体的常用方法。

本发明方法制得的多晶透明导电氧化物薄膜厚度为80-150nm，可根据需要，通过控制溅射时间来控制膜厚。

实验结果表明，本发明制备的In₂O₃:M薄膜具有高价态差(钨或钼以六阶态离子存在于薄膜之中，即W⁺⁶和M⁺⁶与三阶态In⁺³形成的价态差为3)、高载流子迁移率、低电阻率、可见光范围和近红外范围高光学透明性的光电特性，其载流子迁移率为(40-70)cm²/V·s，电阻率为(3-6)×10^-4Ω·cm，可见光范围的平均透射率大于80％，近红外区域(700-2500nm)的平均透射率大于90％。具有超越ITO产品性能的优势。而且本发明方法的工艺稳定性非常好，沉积速率高，制备的薄膜均匀，面积大。本发明制备的薄膜在太阳能电池领域具有良好的应用前景。

附图说明

图1不同氧分压下制备的掺钨氧化铟(IWO)薄膜的X射线衍射图。

图2在氧分压为2×10^-2Pa时制备的掺钨氧化铟(IWO)薄膜表面的AFM形貌图。

图3各种氧分压下制备的掺钨氧化铟(IWO)透明导电氧化物薄膜在300-3200nm波长范围内的透射率曲线。其中的ITO曲线对应于在相同制备条件下制备的ITO薄膜的透射谱。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明：

实施例1，制备掺钨氧化铟靶：将纯度为99.99％的In金属熔融成靶，均匀对称地嵌入同样纯度为99.99％的钨丝2wt％制备而成，靶直径为51mm，厚度为3.0mm。基片是普通载玻片，先后经过纯水、酒精和丙酮超声波各15分钟清洗。

基板温度：322℃。靶材与基板的间距固定为100mm。薄膜沉积前先将反应室抽真空到低于2×10^-3Pa，然后通过可变气导阀将O₂和Ar气体通入反应室。反应室内的工作压强为3.0×10^-1Pa，溅射电流为100mA，溅射电压为400V，控制O₂反应气体的分压为2×10^-2Pa。薄膜制备在普通玻璃片上，溅射时间10分钟，薄膜厚度为113nm。薄膜的电阻率为3.0×10^-4Ω·cm，载流子迁移率为71cm²/V·s，可见光范围的平均透射率为83％，近红外区域(700-2500nm)的平均透射率大于90％。

实施例2，在基板温度315℃下，与实施例1同样方法，在下述条件下制得多晶IWO薄膜：溅射电流为100mA，溅射电压为450V，通过可变气导阀将O₂和Ar气体通入O₂反应室并控制O₂反应气体的分压为1×10^-2Pa。溅射时间10分钟，薄膜厚度为100nm。薄膜的电阻率为5.0×10^-4Ω·cm，载流子迁移率为61cm²/V·s，可见光范围的平均透射率为82％，近红外区域的平均透射率大于90％。

实施例3，制备掺钼氧化铟靶：将纯度为99.99％的In金属熔融成靶，均匀对称地嵌入同样纯度为99.99％的钼丝3wt％制备而成，靶直径为51mm，厚度为3.0mm。基片是普通载玻片，先后经过纯水、酒精和丙酮超声波各15分钟清洗。

基板温度：350℃。靶材与基板的间距固定为95mm。薄膜沉积前先将反应室抽真空到低于2×10^-3Pa，然后通过可变气导阀将O₂和Ar气体通入反应室。反应室内的工作压强为1.7Pa，溅射电流为200mA，溅射电压为400V，控制O₂反应气体的分压为1.5×10^-2Pa。薄膜制备在普通玻璃片上，溅射时间10分钟，薄膜厚度为105nm。薄膜的电阻率为3.7×10^-4Ω·cm，载流子迁移率为50cm²/V·s，可见光范围的平均透射率大于80％，近红外区域(700-2500nm)的平均透射率大于90％。

实施例4，在基板温度350℃下，与实施例3同样方法，在下述条件下制得多晶IMO薄膜：溅射电流为150mA，溅射电压为450V，通过可变气导阀将O₂和Ar气体通入O₂反应室并控制O₂反应气体的分压为1.5×10^-2Pa。溅射时间10分钟，薄膜厚度为110nm。薄膜的电阻率为6.0×10^-4Ω·cm，载流子迁移率为42cm²/V·s，可见光范围的平均透射率大于80％，近红外区域的平均透射率大于90％。

Claims (5)

1.一种近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜，其特征在于是一种掺杂钨或钼氧化铟薄膜In₂O₃:M，M为W或Mo，由直流磁控测射方法制备获得，其中，钨或钼以六阶态离子存在薄膜之中，薄膜厚度为80-150nm，载流子迁移率为(40-70)cm²/V·s，自由载流子浓度低于2×10²⁰cm^-3，可见光区域的平均透射率高于80％，近红外区域的平均透射率大于90％。

2.一种近红外高透射率多晶透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征是采用反应直流磁控溅射镀膜技术，具体步骤如下：以掺杂钨或钼的铟金属镶嵌靶为靶材，以玻璃为基板，在基板温度300-350℃的条件下，用Ar离子束照射靶材，将靶材溅射，溅射电流为80-200mA，溅射电压为300-500V，反应室内的工作压强为3.0×10^-1Pa，O₂反应气体的分压为(1.0-3.0)×10^-2Pa，溅射时间1-15分钟，即形成具有多晶结构的掺杂钨或钼的氧化铟透明导电氧化物薄膜In₂O₃:M，M为W或Mo。

3.根据权利要求2所述的多晶透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征是基板温度为320-330℃。

4.根据权利要求2所述的多晶透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征是氧反应气体的分压为(1.0-2.0)×10^-2Pa。

5.根据权利要求2所述的多晶透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征是反应直流磁控溅射镀膜时，溅射条件为：溅射电流100-150mA，溅射电压400-450V，溅射时间8-10分钟。

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