ZnO基透明导电氧化物薄膜的光、电和力学性能研究

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透明导电氧化物(TCO)薄膜因其兼备类似金属的高导电性和类似玻璃一样的高透光性,而格外适用于薄膜太阳能电池的前电极和背电极。在各类TCO薄膜材料中,ZnO基的薄膜材料不仅成本低廉、储量丰富,而且无毒无害,相对于传统的ITO和FTO等透明导电材料,在光电性能方面却毫不逊色,因此在近年来异军突起,成为研究的热点。本研究主要针对于ZnO基薄膜中的AZO(ZnO:Al)和GZO (ZnO:Ga)两种,对其光电性能以及力学性能进行测试分析。具体工作如下:应用直流磁控溅射工艺在玻璃衬底上沉积AZO透明导电薄膜,并利用湿化学腐蚀法对制备态薄膜进行腐蚀处理,随后对薄膜的结构、光学、电学和力学性质进行系统的对比研究。通过对测量数据的对比分析,发现经过湿法化学腐蚀的薄膜表面呈现粗糙的绒面结构,随着酸蚀时间从60s延长到80s,在380-1100nm波长范围内薄膜的雾度从15.2%上升到23.6%,同时经过酸蚀的膜面由于有效抑制了载流子的吸收,对红外光波段(760-1100nm)的平均透过率高达82.3%。而XRD结果表明酸蚀并没有改变薄膜的晶体结构。经过60s和80s酸蚀的薄膜的方块电阻值分别为8.1Ω/sq和9Ω/sq。使用纳米压痕仪测量出制备态AZO薄膜的硬度值和弹性模量值分别约为10.2Gpa和130Gpa,弹性回复率为37.5%,临界载荷约为91mN。优异的光电性能和适宜的力学性能揭示了AZO薄膜良好的商业应用前景。采用磁控溅射技术制备了GZO透明导电氧化物薄膜,并将GZO薄膜与商用FTO薄膜的结构、光电和力学性能进行了系统的对比研究分析,通过对二者数据的比较分析,发现,GZO薄膜样品的方块电阻值为3Ω/sq,420-1000nm波段的平均光透过率超过80%,膜面平均硬度约为9Gpa,临界载荷值为76.2mN,相比商用FTO薄膜而言,GZO薄膜具有更低的方块电阻、更好的光透性、更高的薄膜硬度和膜基附着能力,有望成为FTO薄膜的替代材料。
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