一种TCO薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种TCO（透明导电氧化物）薄膜及其制备方法。该TCO薄膜由下至上包括三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层，且每层氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例各不相同。该制备方法在薄膜生长过程中通过调节掺杂气体流量，形成中间和界面不同掺杂浓度的多层结构，调制TCO薄膜表面微观结构和光学性能。本发明专利技术在维持TCO膜层及其界面良好导电性的同时，可大大提高膜层的陷光效果，改善近红外光区域的光学透过率，其400-1100nm波段雾度平均值由27.3%提升至34.9%，700-2000nm近红外波段光学透过率由76%提升至77.7%，提高电池的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种TCO薄膜及其制备方法
本专利技术属于薄膜制备技术，尤其涉及一种薄膜太阳能电池的透明导电氧化物薄膜(TC0薄膜)及其制备方法。
技术介绍
以带绒面的TCO薄膜作为前、背电极被广泛的应用在薄膜太阳能电池行业中，在传导电流的同时可以在电池中形成光陷阱，从而延长光子在吸收层中的传播路径以增加光子利用率，提高电池效率。目前主要有两种工艺路线应用于大面积的TCO薄膜生产中，一种为采用化学气相沉积工艺生长出本身具有V型绒面结构的薄膜，另一种为通过后期处理的方式(如干法或湿法刻蚀)使原来不具备绒面结构或绒面结构较小的薄膜达到所需的绒面结构。在前一种工艺路线中，普遍采用单一掺杂气体和掺杂浓度制备TCO薄膜，该方法不足之处在于工艺窗口较窄，只能通过增加厚度来获得较高的雾度，既降低了 TCO膜层的光学透过率又增加了生产成本，且V型绒面结构容易导致后期沉积的微晶硅吸收层产生孔洞和间隙等结构缺陷。因此如何进一步优化TCO膜层的制备工艺，提升其光学性质，避免后期硅吸收层的结构缺陷并降低成本成为该领域内的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种TCO薄膜及其制备方法，该TCO薄膜优化吸收层微观结构和界面接触导电率，提高电池的光电转换效率。该制备方法利用梯度掺杂理念使得该TCO薄膜具有多层复合型结构，以实现良好的光学透过和陷光效果。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是:一种TCO薄膜，所述TCO薄膜由下至上包括三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层；所述TCO薄膜为前电极TCO薄膜或者背电极TCO薄膜，所述前电极TCO薄膜的三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例由下至上依次为0.35-0.50，0.01-0.10，0.35-0.50 ;所述背电极TCO薄膜的三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例由下至上依次为0.01-0.07，0.05-0.14，0.35-0.50。所述掺杂物优选为硼、铝和镓中的至少一种。所述三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层的厚度优选由下至上依次为:50nm-500nm,500nm-2400nm, 50nm-500nm,且所述 TCO 薄膜的膜层总厚度为 1500nm_2500nm。所述前电极TCO薄膜的最上层表面为U型绒面结构，如图5所示。所述TCO薄膜的制备方法，采用低压化学气相沉积法进行镀膜，将待镀膜基板放入低压化学气相沉积设备，控制沉积室气压0.4mbar-0.6mbar,基板温度160°C -220°C,通入反应气体二乙基锌和水蒸气，二乙基锌和水蒸气流量分别为650sccm - 700sccm和800sccm-850sccm ;设定掺杂气体流量，通过控制掺杂气体流量与二乙基锌气体流量的原子比来控制掺杂物质的掺杂量；沉积第一层氧化锌薄膜，镀膜时间由所需第一层氧化锌薄膜厚度决定；然后改变掺杂气体流量，沉积第二层氧化锌薄膜，镀膜时间由所需第二层氧化锌薄膜厚度决定；再次改变掺杂气体流量，沉积第三层氧化锌薄膜，镀膜时间由所需第三层氧化锌薄膜厚度决定，得到三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层。优选方案:所述掺杂气体为B2H6, Al (CH3)3, Ga(CH3)3中的至少一种；沉积过程中基板温度保持在高温160°C _220°C，掺杂气体之间的摩尔浓度比为:B:A1:Ga=l:0.3 - O:0.1 - 0，且复合掺杂浓度比通过调节B2H6, Al (CH3)3, Ga(CH3)3气体流量控制。当所述TCO薄膜为三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层的前电极TCO薄膜时，其制备方法优选为:第一层氧化锌薄膜为TCO与基片间的缓冲层，其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar，基板温度160 V -220 °C，二乙基锌和水蒸气的流量分别为650sccm - 700sccm和800sccm-850sccm,惨杂气体与二乙基锋气体原子比为0.35-0.50 ；第二层氧化锌薄膜为TCO中间层，其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar,基板温度 160°C _220°C，二乙基锋和水蒸气流量分别为 650sccm - 700sccm 和 800sccm-850sccm，掺杂气体与二乙基锌气体原子比为0.01-0.10 ;第三层氧化锌薄膜为与吸收层接触的接触层，其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar，基板温度160°C _220°C，二乙基锌和水蒸气的流量分别为650sccm - 700sccm和800sccm-850sccm,掺杂气体与二乙基锌原子比为0.35-0.50 ;所述三层氧化锌薄膜层的厚度由下至上依次为:50nm-500nm，500nm-2400nm，50nm-500nm,且所述TCO薄膜的膜层总厚度为1500nm-2500nm。进一步优选对第三层氧化锌薄膜层表面进行氢等离子体预处理，消除表面棱角，使其从V型表面变为U型表面，该预处理过程采用高频辉光放电产生H等离子体，其主要工艺参数为:反应压强:0.2mbar-0.8mbar,功率密度:30mW/m2-300mW/m2，辉光频率:13.56MHz-60MHz，基板温度:160°C _300°C，反应时间:5min_30min。当所述TCO薄膜为三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层的背电极TCO薄膜时，其制备方法优选为:第一层氧化锌薄膜为TCO与吸收层接触的缓冲层，其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar，基板温度160°C _220°C，二乙基锌和水蒸气的流量分别为650sccm - 700sccm和800sccm_850sccm,惨杂气体与二乙基锋原子比为0.01-0.07 ；第二层氧化锌薄膜为TCO中间层,其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar,基板温度160 °C _220°C，二乙基锋和水蒸气流量为 650sccm - 700sccm 和 800sccm-850sccm,惨杂气体与二乙基锌原子比为0.05-0.14 ;第三层氧化锌薄膜为重摻杂层，其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar，基板温度160°C _220°C，二乙基锌和水蒸气流量分别为650sccm -700sccm和800sccm-850sccm，掺杂气体与二乙基锌原子比为0.35-0.50 ;所述三层氧化锌薄膜层的厚度由下至上依次为:50nm-500nm, 500nm-2400nm, 50nm-500nm,且所述TCO薄膜的膜层总厚度为1500nm-2500nm。下面对本申请做进一步解释和说明:本申请所述TCO薄膜优选为硼，铝，镓掺杂的氧化锌(ZnO:B，Al，Ga)透明导电氧化物薄膜，在这里，硼，铝，镓仅为掺杂物，掺杂源为B2H6, Al (CH3) 3和Ga (CH3) 3。硼，铝，镓掺杂的氧化锌用低压化学气相沉积技术形成绒面结构，在ZnO:B，Al，Ga薄膜生长过程中采用梯度和复合掺杂技术，通过调节掺杂气体流量，形成中间和界面不同掺杂浓度的多层结构。并且在沉积吸收层之前对所制备的TCO前电极膜层进行H等离子体预处理。所述TCO薄膜的制备方法针对前、背电极。并对所制备前电极TCO薄膜在沉积吸收层之前进行H等离子体预处理，以增大与吸收层接触面积优化界面导电率。对第三层氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TCO薄膜，其特征是，所述TCO薄膜由下至上包括三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层；所述TCO薄膜为前电极TCO薄膜或者背电极TCO薄膜，所述前电极TCO薄膜的三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例由下至上依次为0.35?0.50，0.01?0.10，0.35?0.50；所述背电极TCO薄膜的三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例由下至上依次为0.01?0.07，0.05?0.14，0.35?0.50。

【技术特征摘要】
1.一种TCO薄膜，其特征是，所述TCO薄膜由下至上包括三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层；所述TCO薄膜为前电极TCO薄膜或者背电极TCO薄膜，所述前电极TCO薄膜的三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例由下至上依次为0.35-0.50，0.01-0.10，0.35-0.50 ;所述背电极TCO薄膜的三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层中掺杂物在氧化锌中的原子比例由下至上依次为0.01-0.07,0.05-0.14,0.35-0.50。2.根据权利要求1所述TCO薄膜，其特征是，所述掺杂物为硼、铝和镓中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述TCO薄膜，其特征是，所述三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层的厚度由下至上依次为:50nm-500nm, 500nm-2400nm, 50nm-500nm,且所述TCO薄膜的膜层总厚度为 1500nm_2500nm。4.根据权利要求1或2所述TCO薄膜，其特征是，所述前电极TCO薄膜的最上层表面为U型绒面结构。5.权利要求1-4之一所述TCO薄膜的制备方法，采用低压化学气相沉积法进行镀膜，其特征是，将待镀膜基板放`入低压化学气相沉积设备，控制沉积室气压0.4mbar-0.6mbar,基板温度160°C _220°C，通入反应气体二乙基锌和水蒸气，二乙基锌和水蒸气流量分别为650sccm - 700sccm和800sccm-850sccm ;设定掺杂气体流量，通过控制掺杂气体流量与二乙基锌气体流量的原子比来控制掺杂物质的掺杂量；沉积第一层氧化锌薄膜，镀膜时间由所需第一层氧化锌薄膜厚度决定；然后改变掺杂气体流量，沉积第二层氧化锌薄膜，镀膜时间由所需第二层氧化锌薄膜厚度决定；再次改变掺杂气体流量，沉积第三层氧化锌薄膜，镀膜时间由所需第三层氧化锌薄膜厚度决定，得到三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层。6.根据权利要求5所述TCO薄膜的制备方法，其特征是，所述掺杂气体为B2H6,Al(CH3)3, Ga(CH3)3中的至少一种；沉积过程中基板温度保持在高温160°C _220°C，掺杂气体之间的摩尔浓度比为:B:A1:Ga=l:0.3-0:0.1 _ 0，且复合掺杂浓度比通过调节B2H6,Al (CH3) 3，Ga (CH3) 3气体流量控制。7.根据权利要求6所述TCO薄膜的制备方法，其特征是，当所述TCO薄膜为三层含有掺杂物的氧化锌薄膜层的前电极TCO薄膜时，其制备方法为:第一层氧化锌薄膜为TCO与基片间的缓冲层，其工艺条件为:沉积室气压0.4mbar-0.6mbar，基板温度160°C -220°C,二乙基锋和水蒸气的流量分别为650sccm - 700sccm和800sccm-850sccm,惨杂气体与二...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒生，李廷凯，
申请(专利权)人：湖南共创光伏科技有限公司，
类型：发明
国别省市：