本发明涉及一种择优生长的ito透明导电薄膜的制备方法，属于太阳能电池领域。
背景技术：
太阳能电池是一种基于半导体p-n结吸收太阳光转变成电能的光伏器件，其太阳光吸收层材料主要包括晶体硅和化合物薄膜，如碲化镉、铜铟镓硒、氧化亚铜等。
在晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池结构中，透明导电氧化物薄膜都起到重要作用，一是作为电极收集光生载流子，二是作为透光层使得太阳光透过该层到达吸收层；除了上述作用外，透明导电氧化物薄膜还可以用作红外反射材料，并且透明导电氧化物薄膜在发光二极管上也有广泛应用。常见的透明导电氧化物薄膜包括ito、azo和fto，其中ito的光电性能最好，在可将光区的光学透过率达到90％。
制备ito薄膜的方法有很多种，主要分为两大类：物理法和化学法。物理法包括磁控溅射、蒸发沉积、离子增强沉积、激光脉冲沉积等。化学法包括喷雾热解法、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、均相沉淀法等。其中，直流磁控溅射技术作为一种高速沉积的薄膜制备方法，制备出来的薄膜样品致密度高、沉积速度快，薄膜性能稳定，工艺参数可控性高，适合于工业化生产，传统的采用磁控溅射技术制备的ito透明导电薄膜为单相多晶结构，主要包括(211)、(222)、(400)(440)、(622)等晶粒结构，这种多晶的结构使得的ito透明导电薄膜的透光度和导电性能不够理想，但作为太阳能电池的ito薄膜需要有很好的透光率，还必须在紫外区域保持高透光率，在导电性方面，也需要较高的霍尔迁移率。因而探究如何制备出光电性能更好，霍尔迁移率更高的ito薄膜很有必要。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种择优生长的ito透明导电薄膜的制备方法，本发明通过增加一层zns缓冲层材料，并且控制磁控溅射过程中的工艺参数，可制备出具有(222)择优取向的ito透明导电薄膜，从而提高ito透明导电薄膜的光电性能。
本发明的第一个目的是提供一种择优生长的ito透明导电薄膜的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：制备硫化锌缓冲薄膜：将衬底置于磁控溅射设备的真空腔内，腔体抽真空至1×10-4pa以下，衬底加热至50～300℃；通入纯度大于99.99％的高纯氩气，控制氩气流量范围为5～20sccm，使得腔体真空度维持在0.3～10pa；在氩气气氛下，使用zns靶在衬底上进行射频磁控溅射，沉积zns薄膜。
步骤2：制备(222)择优取向的ito薄膜：将真空腔的真空度抽至1×10-4pa以下，将沉积了zns薄膜的衬底加热到50～200℃，真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压范围0.3pa～10pa，其中氩气浓度0％～95％，氧气浓度5％～100％，之后在步骤1中沉积了zns薄膜的衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜。
在本发明的一种实施方式中，步骤1所述衬底为石英玻璃，衬底置于磁控溅射设备的真空腔内之前需先处理，处理方法为：切割石英玻璃，将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡，经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用纯水超声清洗，清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入真空腔内。
在本发明的一种实施方式中，步骤1中zns靶在衬底上进行射频磁控溅射之前，需要对zns靶进行预溅射处理，以去除靶材表面的氧化物；
在本发明的一种实施方式中，步骤1所述zns靶进行射频磁控溅射的靶材功率密度0.5～3w/cm2。
在本发明的一种实施方式中，步骤1所述沉积zns薄膜的沉积时间1～30min，薄膜厚度为5～200nm。
在本发明的一种实施方式中，步骤2所述ito靶进行射频磁控溅射的靶材功率密度0.5～3w/cm2。
在本发明的一种实施方式中，步骤2中ito靶在zns薄膜的衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜之前，需对ito靶材进行预溅射处理，以去除靶材表面杂质。
在本发明的一种实施方式中，步骤2所述沉积ito薄膜的沉积时间10～40min，薄膜厚度为100～400nm。
本发明的第二个目的是提供上述制备方法得到的ito透明导电薄膜。
本发明的第三个目的是提供上述ito透明导电薄膜在太阳能电池领域的应用。
本发明的有益效果：
本发明通过增加zns缓冲层，获得了具有(222)择优取向的ito薄膜，从而提高ito的光电性能，利用本发明中的方法制备的ito薄膜紫外透光率最高可以达到85％，霍尔迁移率也可以达到10cm2v-1s-1。
附图说明
图1为实施例1中具有zns缓冲层的择优取向ito薄膜xrd图谱。
图2为实施例1中具有zns缓冲层的择优取向ito薄膜的紫外透光率曲线。
图3为对比例1中普通ito薄膜xrd图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1制备具有(222)择优取向的ito薄膜
步骤1：处理衬底
(1)将石英玻璃切割成2×2cm2大小；
(2)将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡24小时；
(3)经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用15兆欧纯水超声清洗3遍；
(4)将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入磁控溅射设备的真空腔内。
步骤2：制备硫化锌缓冲薄膜：
(1)将腔体抽真空，使得背景真空达到1×10-4pa；
(2)在1×10-4pa的真空下，对石英玻璃衬底进行加热，加热温度为150℃；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气，对zns靶进行预磁控溅射处理，磁控溅射5分钟，以去除靶材表面的氧化物；
(4)zns靶预磁控溅射处理完毕后，控制氩气流量为10sccm，使得腔体真空度维持在3pa；在氩气气氛下，使用预溅射处理的硫化锌靶在石英玻璃衬底上进行射频磁控溅射，沉积硫化锌薄膜，zns靶的靶材功率密度2w/cm2，沉积时间为20min，沉积的硫化锌薄膜厚度为100nm。
步骤3：制备(222)择优取向的ito薄膜：
(1)使用分子泵将真空腔的真空度抽到1×10-4pa；
(2)将沉积了zns薄膜的石英玻璃衬底加热到100℃；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气和氧气的混合气，使得真空腔的气压为5pa，其中氩气浓度50％，氧气浓度50％；
(4)设置ito靶材进行靶材功率密度0.5w/cm2，溅射时间5min，以去除靶材表面杂质；
(5)在沉积了zns薄膜的石英玻璃衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜，ito靶的靶材功率密度2w/cm2，氩气，工艺真空度5pa，衬底温度100℃，沉积时间为25min，沉积的ito薄膜厚度为200nm。
xrd测试
对上述以zns为缓冲层制备出的ito薄膜进行xrd测试，图1为有zns缓冲层的择优取向ito薄膜xrd图谱，由图1可以看出，通过控制玻璃基底温度能够得到具有(111)择优取向的zns，在此zns缓冲层上沉积的ito薄膜为具有(222)择优取向的ito透明导电氧化物薄膜。
紫外透光率测试
朗伯-比尔(lambert-beer)定律是紫外可见分光光度法的定量分析基础，它的内容如下：物质一定浓度的吸光度与它的吸收介质的厚度将呈正比关系。利用uv-visspectroscopy测量200-800nm光波长范围内任意波长的吸收性能。
霍尔迁移率的测试
采取四探针法进行霍尔效应测试，利用其中的电输运性质测量系统对样品进行测量。测试系统能够一次性测量样品的霍尔效应、不同电极间的i-v曲线等性能参数。仪器中包括keithley的电测量仪表、可精确控制的电磁铁、高灵敏测量样品杆及低温系统。
测试结果：本实施例制备的样品的平均紫外透光率为85％，最大紫外透光率为92％(如图2所示)，霍尔迁移率为10cm2v-1s-1。
实施例2制备具有(222)择优取向的ito薄膜
步骤1：处理衬底
处理方法与实施例1中的处理方法相同。
步骤2：制备硫化锌缓冲薄膜
(1)将腔体抽真空，使得腔体内真空度达到1×10-4pa；
(2)在1×10-4pa的真空下，不加热石英玻璃衬底，使其温度为室温；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气，对zns靶进行预磁控溅射处理，磁控溅射5分钟，靶材功率密度0.5w/cm2，溅射时间5min；
(4)zns靶预磁控溅射处理完毕后，控制氩气流量为5sccm，使得腔体真空度维持在0.3pa；
在氩气气氛下，使用预溅射处理的zns靶在石英玻璃衬底上进行射频磁控溅射，沉积硫化锌薄膜，zns靶的靶材功率密度0.5w/cm2，沉积时间为10min，沉积的硫化锌薄膜厚度为50nm。
步骤3：制备(222)择优取向的ito薄膜
(1)使用分子泵将真空腔的真空度抽到1×10-4pa；
(2)将沉积了zns薄膜的石英玻璃衬底加热到200℃；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气和氧气的混合气，使得真空腔的气压为10pa，其中氩气浓度95％，氧气浓度5％；
(4)设置ito靶材进行靶材功率密度0.5w/cm2，溅射时间5min，以去除靶材表面杂质；
(5)在沉积了zns薄膜的石英玻璃衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜，ito靶的靶材功率密度0.5w/cm2，氩气，工艺真空度0.3pa，衬底温度室温200℃，沉积时间为10min，沉积的ito薄膜厚度为100nm。
对本实例中的样品进行紫外透光率和霍尔迁移率的测试，测试方法如实施例1中所述，本实施例的样品的平均紫外透光率为85％，霍尔迁移率为8.9cm2v-1s-1。
实施例3制备具有(222)择优取向的ito薄膜
步骤1：处理衬底
处理方法与实施例1中的处理方法相同。
步骤2：制备硫化锌缓冲薄膜：
(1)将腔体抽真空，使得背景真空达到1×10-4pa；
(2)在1×10-4pa的真空下，对石英玻璃衬底进行加热，加热温度为300℃；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气，对zns靶进行预磁控溅射处理，磁控溅射5分钟，以去除靶材表面的氧化物；
(4)zns靶预磁控溅射处理完毕后，控制氩气流量为20sccm，使得腔体真空度维持在10pa；在氩气气氛下，使用预溅射处理的硫化锌靶在石英玻璃衬底上进行射频磁控溅射，沉积硫化锌薄膜，zns靶的靶材功率密度3w/cm2，沉积时间为30min，沉积的硫化锌薄膜厚度为200nm。
步骤3：制备(222)择优取向的ito薄膜：
(1)使用分子泵将真空腔的真空度抽到1×10-4pa；
(2)将沉积了zns薄膜的石英玻璃衬底加热到50℃；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气和氧气的混合气，使得真空腔的气压为10pa，其中氩气浓度0％，氧气浓度100％；
(4)设置ito靶材进行靶材功率密度0.5w/cm2，溅射时间5min，以去除靶材表面杂质；
(5)在沉积了zns薄膜的石英玻璃衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜，ito靶的靶材功率密度3w/cm2，氩气，工艺真空度10pa，衬底温度50℃，沉积时间为40min，沉积的ito薄膜厚度为400nm。
对本实例中的样品进行紫外透光率和霍尔迁移率的测试，测试方法如实施例1中所述，本实例中的样品的平均紫外透光率为75％，霍尔迁移率为8.8cm2v-1s-1。
对比例1(无zns，普通ito薄膜)
步骤1：处理衬底
(1)将石英玻璃切割成2×2cm2大小；
(2)将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡24小时；
(3)经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃使用15兆欧纯水超声清洗3遍；
(4)将纯水超声清洗后的石英玻璃用高纯氮气吹干，然后放入磁控溅射设备的真空腔内。
步骤2：制备ito薄膜
(1)使用分子泵将真空腔的真空度抽到1×10-4pa；
(2)将石英玻璃衬底加热到100℃；
(3)向真空腔内通入纯度大于99.99％的高纯氩气和氧气的混合气，使得真空腔的气压为5pa，其中氩气浓度50％，氧气浓度50％；
(4)设置ito靶材进行靶材功率密度0.5w/cm2，溅射时间5min，以去除靶材表面杂质；
(5)在石英玻璃衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜，ito靶的靶材功率密度2w/cm2，氩气，工艺真空度5pa，衬底温度100℃，沉积时间为25min，沉积的ito薄膜厚度为200nm。
对此对比例中制备的普通ito薄膜进行xrd测试，由图3可以看出，没有zns缓冲层的样品并没有出现择优取向的现象。对该样品紫外透光率和霍尔迁移率的测试，测试方法如实施例1中所述，其紫外透光率和霍尔迁移率的效果都较差，远低于实施1中样品的紫外透光率和霍尔迁移率。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
1.一种制备择优生长的ito透明导电薄膜的方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：制备硫化锌缓冲薄膜：将衬底置于磁控溅射设备的真空腔内，腔体抽真空至1×10-4pa以下，衬底加热至50～300℃；通入纯度大于99.99％的高纯氩气，控制氩气流量范围为5～20sccm，使得腔体真空度维持在0.3～10pa；在氩气气氛下，使用zns靶在衬底上进行射频磁控溅射，沉积zns薄膜；
步骤2：制备(222)择优取向的ito薄膜：将真空腔的真空度抽至1×10-4pa以下，将沉积了zns薄膜的衬底加热到50～200℃，真空腔内通入氩气和氧气混合气，使得真空腔的气压范围0.3pa～10pa，所述氩气为纯度大于99.99％的高纯氩气，其中氩气含量为0％～95％，氧气含量为5％～100％，且氩气含量不为0％，氧气含量不为100％，氩气和氧气的总含量为100％；之后使用ito靶，在步骤1中沉积了zns薄膜的衬底上射频磁控溅射沉积ito薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述衬底为石英玻璃，衬底置于磁控溅射设备的真空腔内之前需先处理，处理方法为：切割石英玻璃，将切割好的石英玻璃在玻璃清洗剂中浸泡，使用纯水超声清洗经玻璃清洗剂浸泡后的石英玻璃，用高纯氮气吹干清洗后的石英玻璃，然后放入真空腔内。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述zns靶的靶材功率密度0.5～3w/cm2。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1所述沉积zns薄膜的沉积时间1～30min，薄膜厚度为5～200nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2所述ito靶的靶材功率密度0.5～3w/cm2。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2所述沉积ito薄膜的沉积时间10～40min，薄膜厚度为100～400nm。
7.根据权利要求1～7任一所述方法得到的ito透明导电薄膜。
8.权利要求7中所述ito透明导电薄膜在太阳能电池领域的应用。
技术总结