不同摻雜比例的IWO導(dǎo)電薄膜特性分析

青海黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司西寧太陽能電力分公司 劉 飛 郭永剛

青海黃河水電電池及組件研發(fā)實(shí)驗(yàn)室 張 敏

采用RPD技術(shù)進(jìn)行IWO導(dǎo)電薄膜的制備，研究分析不同WO3摻雜比例對IWO導(dǎo)電薄膜光學(xué)特性和電學(xué)特性的影響，隨著摻雜比例的升高，薄膜缺陷明顯增加，分子之間無法完全適配形成共價(jià)鍵，晶格的不完整性加大，薄膜結(jié)晶質(zhì)量變差，同時(shí)導(dǎo)致IWO薄膜的方塊電阻也隨之升高，薄膜的電導(dǎo)率隨之降低。在其他工工藝條件恒定條件下。當(dāng)WO3摻雜比例為1%時(shí)，薄膜方塊電阻最小為45Ω，電導(dǎo)率為2669.13s/m，導(dǎo)電性能優(yōu)良，薄膜透光率基本保持在85%以上。

HIT電池因?yàn)閮?yōu)異的電學(xué)性能被預(yù)測為成為最具有開發(fā)前景的高效晶硅太陽能電池。近日，邁為股份研制的異質(zhì)結(jié)太陽能電池片經(jīng)德國哈梅林太陽能研究所（ISFH）測試認(rèn)證的大面積異質(zhì)結(jié)電池的最高效率紀(jì)錄已經(jīng)達(dá)到25.05%（面積274.3cm2），理論上來說具備更高的效率提升潛力。然而由于HIT電池成本依舊相對較高。因此從工藝優(yōu)化方面提升異質(zhì)結(jié)電池光電轉(zhuǎn)換效率，降低異質(zhì)結(jié)電池的制造成本刻不容緩。透明導(dǎo)電膜作為異質(zhì)結(jié)電池中實(shí)現(xiàn)載流子的橫向傳輸及對外進(jìn)行電流輸運(yùn)的通道，高質(zhì)量的透明導(dǎo)電膜可以實(shí)現(xiàn)高的透光率和電導(dǎo)率，使得制備出的異質(zhì)結(jié)電池具有小的串聯(lián)電阻和高的填充因子，從而提升異質(zhì)結(jié)電池的轉(zhuǎn)換效率。目前透明導(dǎo)電薄膜（TCO）廣泛應(yīng)用于顯示器、太陽電池等等光電器件中，由于摻雜物的種類不同，可分為AZO、ITO、IWO等不同特性的透明薄膜。IWO薄膜由于具有低電阻率、高遷移率和寬光譜范圍的高透光率，受到越來越多的關(guān)注。本實(shí)驗(yàn)主要對針對不同摻雜比例的IWO透明導(dǎo)電薄膜的特性進(jìn)行分析研究，為HIT電池所需的高透光率、導(dǎo)電率的IWO導(dǎo)電薄膜提供工藝基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體準(zhǔn)備

本文采用RPD技術(shù)在玻璃襯底上制備IWO薄膜，玻璃襯底尺寸為10cmh10cm，厚度為1.1mm的玻璃作為沉積基底，清洗時(shí)分別經(jīng)過酒精、去離子水超聲20min，并用N2氣吹干，從而保證沉積襯底清潔干燥。目前評價(jià)薄膜質(zhì)量是否優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個(gè)方面，即薄膜的光學(xué)性能和電學(xué)性能，本文主要采用紫外分廣度計(jì)、四探針法方塊電阻測試儀、霍爾效應(yīng)測試儀分別對薄膜的光學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行評價(jià)。

1.2 IWO薄膜的制備

采用國產(chǎn)RPD真空設(shè)備進(jìn)行本次樣品的制備，首先將真空度抽至1.5h103Pa下，將氬氣槍頭調(diào)至180sccm保障足夠啟輝，正常啟輝之后，固定槍頭氬氣流量Ar2=80sccm，電子槍電流30A，沉積室氣壓維持在0.35Pa，實(shí)驗(yàn)以高純O2（純度為99.999%）作為反應(yīng)氣體，O2/Ar流量比例分別設(shè)定為0%、10%，襯底溫度設(shè)定為80℃，薄膜厚度設(shè)定值為90nm.選取WO3摻雜比例1%、2%、4%的IWO靶材，在玻璃基底上沉積薄膜樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 IWO薄膜結(jié)晶特性

由圖1的XRD圖譜可以看出，隨著摻雜比例的升高，IWO薄膜（2，2，2）方向上結(jié)晶特性顯著變差。但是WO3摻雜比例的變化對其他晶向上的生長沒有明顯變化。這主要是由于，WO3摻雜比例升高，在工藝條件沒有充分優(yōu)化的條件下，WO3比例上升，意味著靶材中雜質(zhì)比例較大，使同樣制備條件下，薄膜缺陷明顯增加，分子之間無法完全適配形成共價(jià)鍵，晶格的不完整性加大，所以結(jié)晶質(zhì)量變差。

圖1 靶材摻雜比例對IWO薄膜結(jié)晶特性的影響

2.2 IWO薄膜的光學(xué)特性

由2中的（a）圖可知，隨著摻雜比例的升高，透過率曲線向短波方向移動(dòng)，在加入氧氣后，WO3摻雜比例為1%時(shí)薄膜透過率，無論是可見光波段還是近紅外波段都有明顯優(yōu)勢，平均透過率明顯高于另外兩種摻雜比例，透光率基本維持在85%-90%。同時(shí)從圖2可以看出，通入氧氣提高了長波波段的薄膜透過，可見光波段透過率有所下降同時(shí)透過率曲線向短波方向移動(dòng)。從（b）圖可以看出，對于摻雜比例越低的IWO薄膜，氧氣對透過率的有利影響越明顯。隨著載流子濃度的增加，等離子振蕩波長減小，波長高于λ的波段表現(xiàn)為透射。載流子濃度越高截止波長λ越小，對近紅外區(qū)域光波段的透過就越小。雜質(zhì)的摻入使得光學(xué)吸收邊界向短波方向移動(dòng)帶隙展寬，符合Burstein-Moss效應(yīng)。

圖2 不同摻雜比的IWO的透光率

2.3 IWO薄膜的電學(xué)特性

由圖3可以看出，隨著WO3摻雜濃度的升高，相同工藝條件下制備的IWO薄膜方塊電阻也隨之升高。當(dāng)相同摻雜濃度的薄膜加入氧后，薄膜電阻有不同比例的升高，三種摻雜比例的薄膜上升比例分別為100%，90.7%，47.3%，WO3摻雜比例越低對氧氬比越“敏感”。其中摻雜比例為1%的薄膜方塊電阻最小為45Ω，電導(dǎo)率為2669.13s/m。

圖3 靶材摻雜比例對IWO薄膜方塊電阻的影響

結(jié)論：本文采用RPD的方法對不同WO3摻雜比例的IWO導(dǎo)電薄膜特性進(jìn)行了分析研究，隨著摻雜比例的升高，薄膜缺陷明顯增加，分子之間無法完全適配形成共價(jià)鍵，晶格的不完整性加大，所以結(jié)晶質(zhì)量變差，導(dǎo)致IWO薄膜的方塊電阻也隨之升高，進(jìn)行影響電導(dǎo)率降低。在其他工工藝條件恒定條件下。當(dāng)WO3摻雜比例為1%時(shí)，薄膜方塊電阻最小為45Ω導(dǎo)電性最好，薄膜透光率基本保持在了85%以上。