Sol-gel法掺杂导电ZnO薄膜及其低温氮气热处理

论文摘要

ZnO薄膜是一种直接宽带隙半导体材料,具有多种用途,可广泛的应用于太阳能电池、压电薄膜、光电器件、气敏器件和紫外探测器等方面。其特性可通过适当的掺杂来调剂。通过适量掺杂的ZnO透明导电薄膜具有优异的光电性能,能在太阳能电池、液晶显示器等多种电器设备中被用作透明导电电极。本课题研究的主要目的是探索Sol-Gel法制备掺Al的ZnO透明导电薄膜在氮气中的稳定性和Sol-Gel法制备掺Li的ZnO透明导电薄膜的掺杂比和涂膜层数对薄膜导电率和透光率的影响。本文通过溶胶-凝胶法在载玻片上成功地制备出Al3+、Li+掺杂型ZnO薄膜。所用的溶胶以乙二醇甲醚为溶剂,醋酸锌为前驱体,单乙醇胺为稳定剂经加热搅拌制得;薄膜经烘干、预处理、氮气热处理后形成均匀透明的ZnO薄膜。利用XRD、SEM、XPS、UV-VIS和四探针测试仪对薄膜的结构和光电特性进行了研究。结果表明,掺杂物、掺杂量、热处理温度、涂膜层数和热处理气氛对ZnO薄膜光电性能均有不同程度的影响。适当增加掺杂量能提高薄膜的电导率,过多的掺杂反而会降低电导率;不同的掺杂物对氮气中处理后的薄膜稳定性有较大影响,掺Al的薄膜稳定性很好,而Li的薄膜则较差;增加涂膜层数均能增加薄膜的厚度,并导致薄膜电导率的提高,同时也降低了薄膜的透射率;掺杂量和热处理气氛对薄膜在可见光范围内透射率影响不大;热处理气氛的不同直接影响了薄膜的导电性,在氮气中300℃可得到电导率高的薄膜。本实验制备的薄膜表面致密结构,晶粒大小均匀,方阻最低为270Ω/□,可见光透射率最大为83%。溶胶-凝胶方法制备AZO薄膜的最佳工艺条件为:溶胶浓度0.6mol/L、掺杂Al量1at%、镀膜层数15层、预处理温度450℃、空气气氛热处理温度为550℃、氮气热处理温度为300℃;溶胶-凝胶方法制备LZO薄膜的最佳工艺条件为:溶胶浓度0.6mol/L、掺杂Li量2.3at%、镀膜层数10层、预处理温度450℃、空气气氛热处理温度为550℃、氮气热处理温度为300℃。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 太阳能电池
• 1.2.1 硅太阳能电池
• 1.2.2 多元化合物薄膜太阳能电池
• 1.2.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池
• 1.2.4 纳米晶太阳能电池
• 1.2.5 全球太阳能电池产业现状
• 1.2.6 我国太阳能电池产业现状
• 1.2.7 太阳能电池及太阳能发电前景简析
• 1.3 透明导电氧化物的分类及应用
• 1.4 ZnO 透明导电薄膜的特性、制备及应用
• 1.4.1 ZnO 的特性
• 1.4.2 ZnO 透明导电薄膜的制备
• 1.5 掺杂氧化锌薄膜性质及应用
• 1.5.1 AZO 薄膜性质
• 1.5.2 掺Li 的ZnO 薄膜性质
• 1.5.3 掺杂ZnO 薄膜应用
• 1.6 研究课题的提出
• 第二章 实验与研究方法
• 2.1 实验所用原料与设备
• 2.1.1 实验原料
• 2.1.2 实验所用设备
• 2.2 方案设计与实验过程
• 2.2.1 基质溶胶制膜过程的化学反应
• 2.2.2 掺杂溶胶的配制
• 2.2.3 玻璃基片的清洗
• 2.2.4 提拉镀膜、干燥和热处理
• 2.3 薄膜结构和性能的检测
• 2.3.1 XRD 分析
• 2.3.2 SEM 分析
• 2.3.3 XPS 分析
• 2.3.4 薄膜电阻率测量
• 2.3.5 UV-VIS测量
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 ZnO 透明导电膜的电性能
• 3.1.1 ZnO 半导体薄膜的导电机理
• 3.1.2 AZO 透明薄膜导电机理
• 3.1.3 ZnO 薄膜的p 型掺杂
• 3.2 掺杂ZnO 薄膜的电学性能分析
• 3.2.1 不同掺杂物、掺杂量对薄膜电学性能的影响
• 3.2.2 热处理温度对薄膜电学性能的影响
• 3.2.3 涂膜层数对薄膜电学性能的影响
• 3.2.4 不同气氛的影响
• 2 气氛下稳定性'>3.2.5 AZO 薄膜在N₂气氛下稳定性
• 3.3 ZnO 薄膜工艺对光学性能的影响
• 3.3.1 ZnO 薄膜的光学性质
• 3.3.2 不同热处理对AZO 薄膜光学性能的影响
• 3.3.3 拉膜次数对薄膜光学性能的影响
• 3.3.4 不同掺杂物对薄膜光学性能的影响
• 3.4 薄膜的XPS 分析
• 3.5 薄膜的XRD 分析
• 3.5.1 掺杂Al 离子的ZnO 薄膜
• 3.5.2 未处理的AZO 薄膜
• 3.5.3 掺杂Li 的ZnO 薄膜
• 3.5.4 不同掺杂物间的比较
• 3.6 薄膜的SEM 形貌
• 3.6.1 掺杂Al 离子的ZnO 薄膜
• 3.6.2 掺杂Li 离子的ZnO 薄膜
• 3.6.3 不同气氛下热处理薄膜
• 3.6.4 不同拉膜次数的薄膜
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢