不同铝掺杂量ZnO薄膜性能的研究

　　以铝掺杂质量分数为1%、2%、3%的Zn/Al 合金为靶材，采用直流反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了不同铝含量ZnO:Al(AZO)透明导电薄膜。研究了衬底温度对AZO薄膜电学性能的影响；同时，研究铝掺杂量不同、电阻率相同的AZO 薄膜的载流子浓度与迁移率的关系。结果表明：随着Al 掺杂量的增加，薄膜最佳性能（透过率90%，电阻率6×10^{- 4} Ω·cm 左右）时的衬底温度值会降低；电阻率相同的样品，1%铝掺杂的薄膜迁移率和透光率均高于2%铝掺杂薄膜的。

　　透明导电氧化物（TCO）薄膜具有在可见光区域透明和电阻率低等优异的光电性能，被广泛应用于各种光伏器件中。ZnO:Al 薄膜是过对ZnO 薄膜适量的铝掺杂使铝离子或铝原子进入ZnO 晶格中，增加晶体中自由载流子浓度，从而提高ZnO 薄膜的导电性能。ZnO:Al 薄膜作为电极使用成为薄膜太阳能电池必不可少的一部分。

　　在光伏器件的应用中，若ZnO:Al 薄膜中载流子浓度过高，在近红外区域会导致自由载流子对光子的吸收，这将影响单结c- Si:H 薄膜电池和a- Si:H/μc- Si:H 叠层电池的光电转换效率。同时过高的Al 掺杂量会引起晶格散射，导致载流子迁移率降低。所以，在足够高载流子的前提下，降低掺杂浓度、提高载流子迁移率对提高薄膜电导率具有一定的实际意义。

1、实验

　　本实验仪器是CS- 300 型磁控溅射仪，分别用Al 掺杂质量分数为0%、1%、2%、3%的180 mm×80 mm×5 mm 矩形Zn/Al 合金靶材，采用直流反应磁控溅射在玻璃衬底上制备不同Al 含量的AZO 薄膜（注：以后所指的掺杂含量均指靶材中铝的含量）。靶和衬底间的距离为7 cm。衬底表面预先用丙酮、无水乙醇和去离子水做超声波处理，去除玻璃上的油渍和其它可溶有机物，反应室中本底真空优于2.0×10^{- 3} Pa. 薄膜正式沉积前，通入高纯氩气预溅射10 min 以去除靶表面的污染物及氧化物，然后通入高纯氧气。反应的工艺参数如下：衬底温度在150~280℃之间，氧氩比为1：3.2，反应气压为0.5 Pa，功率为180 W，沉积时间均为30 min。

　　利用XRD 研究AZO 薄膜的晶体结构。用传统四探针方法和UV- 3150 型IR- VIS- UV 分光光度计分别测量了薄膜的方块电阻和光学透过率。薄膜的厚度采用分光光度计自带膜厚计算的软件计算。

3、结论

　　以铝掺杂质量分数为1%、2%、3%的Zn/Al合金为靶材，采用直流反应磁控溅射技术在玻璃衬底上制备了不同Al 掺杂量AZO 透明导电薄膜。结果表明：随着Al 掺杂量的增加，1%、2%、3%掺杂的薄膜最佳性能（透过率90%，电阻率6×10^{- 4} Ω·cm 左右）时的衬底温度值逐渐减小， 分别在230℃、210℃、180℃时电阻率最低。从XRD 图、SEM 图可推断出：少量Al 掺杂有利于ZnO 薄膜的晶粒生长，增加其导电载流子浓度；过多量Al 掺杂使ZnO 晶粒尺寸减小，导致其载流子浓度及迁移率降低。最后从自由载流子对近红外波段光子吸收的角度，分析得出本实验制备的电阻率相同样品，1%掺杂AZO 薄膜的迁移率和透光率均高于2%AZO 薄膜。