磁控溅射法制备氧化锌铝薄膜及其性能研究

论文摘要

目前应用最广泛的透明导电膜是铟锡氧化物薄膜(ITO),其制备技术是成熟的,但由于InSn等材料有自然储量少、制备工艺复杂、有毒、稳定性差等缺点。因此,急需一种替代产品来满足人们的需要。ZAO(氧化锌铝)薄膜不仅具有与ITO可比拟的电学和光学特性,而且有储量丰富、易于制造、成本较低、无毒、热稳定性好等优点。ZAO薄膜是最佳的ITO膜替代品。本文研究了ZAO靶材的制备、性能及利用磁控溅射法制备ZAO透明导电薄膜的光电性能、结构和形貌。在磁控溅射镀膜实验中ZAO靶材的选择和制备很重要,靶材直接影响镀膜的质量。本研究采用普通的常压法烧结ZAO靶材,研究了烧结工艺对靶材微观结构和性能的影响。研究表明：靶材应选择合适的成型压力,本实验选用使靶材密度最大,气孔率相对较小的成型压强为96MPa。在1100℃～1300℃范围内,靶材的密度随烧结温度的上升而明显上升；上升趋势在1150℃后变缓；在1300℃烧结温度下,靶材密度达到最大,保持1300℃烧结温度不变,改变烧结时间,在6h烧结时间可制得相对密度达94%的ZAO靶材,气孔率是1.06%。可用于磁控溅射的ZAO陶瓷靶材。本研究所制备的ZAO薄膜作为透明导电减反射膜应用在太阳能电池上,要求在低溅射功率和低衬底温度下,制备出较好的ZAO透明导电薄膜。衬底温度对ZAO薄膜的性能影响很大,随着衬底温度的升高薄膜电阻呈下降趋势,衬底温度为200℃时薄膜的方块电阻最小是3.67×106Ω/(?)。平均透过率都在85%以上。随溅射时间增加,方块电阻随膜厚的增加而下降,但是透光性也同时变差,在实际制备太阳能电池时根据需要制定膜的厚度。ZAO薄膜经过退火以后,薄膜上的粒子获得能量,进行迁移、团聚。晶体结构重组,薄膜的结构性能提高。方块电阻随退火温度的升高降低,退火对可见光范围的透过率影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 太阳能电池
• 1.1.1 太阳能电池的工作原理
• 1.1.2 薄膜太阳能电池的发展
• 1.2 透明导电膜的概述
• 1.3 氧化物透明导电膜的分类、性质和制备
• 1.4 ZnO透明导电薄膜及其掺杂体系ZAO膜的性质
• 1.4.1 ZnO的晶体结构
• 1.4.2 ZnO的能带结构
• 1.4.3 ZnO材料的光电性能
• 1.4.4 ZAO透明导电薄膜
• 1.4.5 ZAO薄膜的性质
• 1.5 ZAO磁控溅射靶材
• 1.6 ZAO薄膜的制备方法及国内外的研究现状
• 1.6.1 溶胶-凝胶法
• 1.6.2 化学气相沉积法
• 1.6.3 脉冲激光沉积法
• 1.6.4 热喷涂沉积法
• 1.6.5 磁控溅射法
• 1.7 本研究的目的和意义
• 1.8 本论文的主要工作
• 第二章 实验原理与设备
• 2.1 ZAO靶材实验原料及设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验设备
• 2O₃的掺入量'>2.2 ZAO靶材中Al₂O₃的掺入量
• 2.3 靶材的成型与制作过程
• 2.4 ZAO靶材性能表征
• 2.4.1 激光扫描共焦显微镜分析
• 2.4.2 ZAO靶材密度和气孔率的测试
• 2.4.3 ZAO靶材电阻率的测试
• 2.5 磁控溅射ZAO薄膜实验原理
• 2.5.1 磁控溅射工作原理
• 2.5.2 磁控溅射的温升原因及低温原理
• 2.6 实验设备及原料
• 2.6.1 实验仪器
• 2.6.2 实验原料
• 2.7 衬底的清洗
• 2.8 ZAO薄膜制备
• 2.8.1 溅射工艺参数的选择
• 2.8.2 实验过程
• 2.9 ZAO薄膜的性能表征
• 2.9.1 ZAO薄膜厚度测试方法
• 2.9.2 X射线衍射（XRD）分析
• 2.9.3 薄膜的紫外-可见光谱测试
• 2.9.4 扫描电镜（SEM）分析
• 2.9.5 薄膜电学性能测试
• 第三章 ZAO靶材的制备及其结果分析
• 3.1 烧结工艺对ZAO靶材结构的影响
• 3.2 烧结工艺对ZAO靶材密度的影响
• 3.3 烧结工艺对ZAO靶材电学性能影响
• 3.4 不同成型压力的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 ZAO薄膜制备及其性能研究
• 4.1 衬底温度对薄膜性能的影响
• 4.1.1 衬底温度对薄膜结构的影响
• 4.1.2 衬底温度对薄膜电学性能的影响
• 4.1.3 衬底温度对薄膜光学性能的影响
• 4.2 薄膜厚度对ZAO薄膜性能的影响
• 4.3 退火温度及退火时间对薄膜性能的影响
• 4.3.1 退火温度对薄膜结构的影响
• 4.3.2 退火温度对薄膜光电性能的影响
• 4.3.3 退火时间对薄膜光电性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢