掺锡氧化锌透明导电薄膜的制备与光电性能研究

来源 :景德镇陶瓷大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lie_luren
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氧化锌是一种直接带隙宽禁带半导体材料,晶体主要以离子键相结合,由于ZnO晶体结构的对称性较低,因此能带结构较为复杂。室温下禁带宽度约为3.37e V,决定了其在可见光及近红外光的高透过率。本征ZnO因其内部间隙锌和氧空位缺陷,具有一定导电性,掺杂后极大地提高其导电性,尤其n-ZnO具有透明导电性,极有可能替代铟锡氧化物ITO和氟锡氧化物FTO应用在太阳能电池作为透明电极。n-ZnO的掺杂主要有Ⅲ族的B、Al、In、Ga和IV族的Si、Sn等元素。铝掺杂氧化锌ZAO环境友好且成本低,是最有可能作为透明电极替代ITO及FTO应用于太阳能电池,ZAO不耐酸碱性,以至于在很多应用方面受到限制。锡掺杂氧化锌TZO报道较少,Sn相对于Al来说,其非金属性增强,TZO很有可能提高其在酸碱环境中的稳定性,相比相同掺杂浓度的Ⅲ族元素,Sn4+替代Zn2+的位置产生两个自由电子,可以获得更高的载流子浓度,且Zn2+和Sn4+离子半径相差不大,Sn能够替代Zn位置,不会产生很大的晶格畸变,理论上应该获得电阻率低于ITO、GZO及ZAO薄膜的电阻率,但实际上目前TZO的导电性能都不能满足太阳能电池的实际应用,其影响机理需进一步探明研究。本文采用射频磁控溅射法制备掺锡氧化锌透明导电薄膜,并就沉积工艺参数展开了深入研究与分析。实验中采用了掺锡氧化锌陶瓷靶作为溅射靶材,利用射频磁控溅射镀膜系统调节相关沉积参数(工作气压、溅射功率、衬底温度等)制备薄膜,采用XRD、SEM、TEM、紫外-可见分光光度计、拉曼光谱、荧光光致发光谱及四探针测试仪对薄膜微结构、形貌、成分及其光电性能进行了表征。得出主要结果:1.溅射压变化的结果:调控溅射压0.1-14 Pa制备TZO薄膜,晶粒尺寸和PL谱640 nm附近峰强随压强有先增后减趋势,在0.7 Pa时晶粒尺寸最大为25.66nm,PL谱640 nm峰相对强度最大;随着溅射压从0.1-14 Pa增加,薄膜电阻率也是有相同的先增大后减小趋势,在0.5 Pa时晶粒尺寸达到最大,但电阻率最大为18.1×10-4Ω·cm.在工作压14 Pa时,薄膜的晶粒尺寸最小,但薄膜更致密,其电阻率最低为2.7×10-4Ω·cm。2.功率变化的结果:调控溅射功率60-240 W制备TZO薄膜,XRD的单峰及TEM的点阵衍射花样都表明磁控溅射制备出的ZnO:Sn薄膜具有好的单晶性能,所有样品在波长400-900 nm范围光透过率89%以上,光透过率随粗糙度Rq值增大而减小。荧光光致发光谱中320 nm、430 nm及640 nm附近峰分别308 nm激发光拉曼频移、间隙锌及锌位锡缺陷所产生,峰位变化与晶体应力应变有关。3.温度变化的结果:磁控溅射技术制备TZO薄膜调控溅射温度50-250℃,在50-250℃除了(002)衍射峰,还有74°附近的(004)衍射峰.这说明SnO2的掺入既没有出现二氧化锡的物相,也没有改变ZnO的六角铅锌矿晶体结构,即其垂直衬底方向的C轴择优生长性能。随着温度的增大,表面粗糙度Rq变化趋势先减小再增大再减小。随着温度的增大,表面粗糙度Rq变化趋势先减小再增大再减小。在315 nm、420 nm及620 nm附近位置出现3个特征峰,对应的能量分别为3.82 e V、2.86 e V及1.94 e V左右。样品薄膜在50℃时得到最小电阻率0.64×10-2Ω·cm。可以看出温度的增大,电阻率有逐渐增大再减小的趋势。
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