论文部分内容阅读
透明导电氧化物薄膜(TCOs主要包括氧化铟In2O3、氧化锡SnO2和氧化锌ZnO基三大基本体系)是一种兼具透光性与导电性光电材料。由于其光学和电学的特点被广泛应用在触摸屏、光催化、压敏器件、气敏器件和太阳能电池等领域。因此,实现透光率和电阻率的良好匹配是生产者所追求的目标。室温下采用射频磁控溅射粉末靶,在玻璃基底上制备氧化锌、掺铝氧化锌(AZO)薄膜和三氧化二铟(In2O3)薄膜,并通过控制制备态氧分压、退火氧分压、退火温度、电解池析氢pH、电沉积电压以及构建特殊三维ZnO光电极结构等方法调控薄膜的光电性能。采用扫描电镜、X射线衍射仪、紫外可见分光光度计、霍尔效应仪、拉曼光谱等手段对薄膜微观结构和光电性能进行表征分析。主要研究结果如下:(1)真空退火后的AZO薄膜仍具有c轴择优取向的六方纤锌矿结构,薄膜表面致密光滑;随退火氧分压的降低,薄膜表面颗粒尺寸逐渐减小,透光率逐渐下降,而电阻率逐渐降低;随着退火温度上升,薄膜表面形貌没有明显变化,透光率略有下降,电阻率逐渐下降,在450℃退火时载流子浓度提高到1.86×1020/cm3,而电阻率降低到1.42×10-2Ω·cm。(2)AZO薄膜作为电解池阴极材料,仅在电解水析氢作用下,AZO薄膜的光学和电学性能随着电解电压、电解时间和电解温度的改变而改变;随着电解Zn(NO3)2溶液pH降低,AZO薄膜透光率和电阻率都发生明显改变,电解液pH=5时,AZO薄膜的光电性能最为优异,透光率有原始AZO薄膜的91.3%降低至90.1%,电阻率由原始的7.1×10-1Ω·cm降到3.7×10-3Ω·cm;电解溶液为氯化锌时,沉积电压增大,薄膜表面吸附的锌增加,透光率逐渐下降,而电阻率由3.3×10-2Ω·cm降低到2.9×10-3Ω·cm。(3)磁控溅射中纯氩气制备的In2O3薄膜表面比较粗糙,其电阻率和透光率均小于氧氩比为1:10的In2O3薄膜;纯氩气制备的样品退火后,薄膜结晶度提高,透光率由84.31%升高到87.34%,电阻率由7.15×10-4Ω.cm升高到9.75×10-3Ω.cm;在氧分压相同条件下,退火态样品与制备态样品结晶度相似,但透光率升高,电阻率降低,综合光电性能更为优良;SnCl4溶液配合沉积电压为2V时In2O3薄膜光学性能变化不明显,电阻率明显下降。沉积Sn后氧化退火使In2O3薄膜电阻率增大,透光率提高。(4)构建了二维纳米薄膜加一维纳米棒的特殊三维ZnO光电极结构,薄膜层溅射功率增加,导致光学带隙减小;纳米棒中的Al若形成有效掺杂也能减小禁带宽度;薄膜层掺铝生长ZnO纳米棒并进行共退火能够更为有效的减小ZnO带隙宽度,实现集流层与光活化吸收层的良好匹配。