透明導(dǎo)電薄膜

1、題目：透明導(dǎo)電薄膜的性能制備以及研究現(xiàn)狀院（部）系材料科學(xué)與工程學(xué)院所 學(xué) 專 業(yè)材料工程年級、班級2014級學(xué)號完成人姓名衛(wèi)明摘要 本文概述了ZnO的基本性質(zhì)。綜述了制備ZnO薄膜的各種制備方法及它們的優(yōu)點，并簡要介紹了幾種制備方法中不同因素對制成的ZnO薄膜性質(zhì)的影響。最后，介紹了ZnO薄膜的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。關(guān)鍵詞 ZnO ZnO：Al薄膜 薄膜太陽能電池 氣體傳感器Abstract This paper summarizes the basic properties of ZnO. Several preparation methods of ZnO film are

2、 briefly summarized including their advantages and different factors which influence ZnO thin film properties. Finally, the current situation of ZnO film applications is introduced, and its development trend was discussed in the end.Key words ： ZnO：Al film thin film solar cell gas sensor1 前言ZnO作為一種熱

3、穩(wěn)定性較好的N型半導(dǎo)體材料，有著許多優(yōu)點，在室溫下ZnO的激子束縛能為60meV，禁帶寬度3.37eV1。因此ZnO薄膜被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，可以用來制造短波長發(fā)光材料2，各種壓電、電聲與聲光器件3-5。ZnO 薄膜還可以用作表面型氣敏元件6，以及透明導(dǎo)電薄膜（主要用于太陽能電池）7。 在透明導(dǎo)電薄膜研究方面，摻雜Al的ZnO薄膜（AZO）可以用來替代ITO薄膜。ITO薄膜（Sn摻雜In2O3）和AZO薄膜同為氧化物透明薄膜，但是AZO薄膜有著更大的發(fā)展前景。因為ZnO在自然界的儲量豐富，價格低廉，而且具有的毒性較小8。2 透明導(dǎo)電薄膜的一些基本性質(zhì)ZnO是一種-族寬禁帶半導(dǎo)體材料，其晶體結(jié)構(gòu)

4、有3種：纖鋅礦型、閃鋅礦型和鹽巖礦型。一般情況下，ZnO 是六角纖鋅礦型，晶格常數(shù)a=0.325 0 nm，c=0.520 5 nm，熔點為1 975，壓電常數(shù)為11.9 pm/V9。3 制備方法 制備ZnO薄膜的方法有很多種, 幾乎所有制備薄膜的方法都可用于制備ZnO薄膜。制備方法主要有物理法和化學(xué)法。物理法包括磁控濺射法、真空蒸發(fā)法、離子增強沉積、激光脈沖沉積等?；瘜W(xué)法包括溶膠凝膠法、噴霧熱解法、化學(xué)氣相沉積法、均相沉淀法等。3.1磁控濺射法磁控濺射是制備各種功能涂層的基本技術(shù)之一, 其基本原理是低真空條件下的冷等離子體輝光放電。普通磁控濺射是在二極濺射的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的, 根據(jù)磁控靶的形

5、式可分為平面磁控濺射、圓柱靶磁控濺射以及槍磁控濺射10。磁控濺射法具有制備工藝簡單、生產(chǎn)成本低、沉積溫度低、重復(fù)性好、膜基結(jié)合力好等優(yōu)點, 是制備ZnO薄膜最常用的方法11。磁控濺射方法制備ZnO薄膜工藝中，很多因素會影響到最終生成的膜的性質(zhì)。歐陽紫靛等12研究了生長溫度和退火氣氛對ZnO：Al薄膜的結(jié)果與性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)隨著生長溫度的升高，ZnO:Al薄膜結(jié)晶質(zhì)量和取向性得到改善，生長溫度為400時達到最好。經(jīng)退火處理后，ZnO:Al薄膜的結(jié)晶性能有很大提高，表面粗糙度有所改善。退火氣氛對ZnO:Al薄膜的光學(xué)透過性能也有很大的影響，在Ar和真空退火下的ZnO:Al薄膜平均透過率最高能達

6、到91%，并且?guī)秾挾仍龃?；在O2、N2和空氣等氧化性氣氛下退火，薄膜的帶隙寬度會有所減小。3.2溶膠凝膠( SolGel)法溶膠是指微小的固體顆粒懸浮分散在液相中，并且不停地進行布朗運動的體系。溶膠凝膠法制備涂層的基本原理是：以金屬醇鹽或無機鹽為前驅(qū)體，溶于溶劑(水或有機溶劑)中形成均勻的溶液， 溶質(zhì)與溶劑產(chǎn)生水解或醇解反應(yīng)，反應(yīng)生成物聚集成幾個納米左右的粒子并形成溶膠，再以溶膠為原料對各種基材進行涂膜處理，溶膠膜經(jīng)凝膠化及干燥處理后得到干凝膠膜，最后在一定的溫度下燒結(jié)即得到所需的薄膜。SolGel法有很多優(yōu)點，可以制得一些用傳統(tǒng)方法難以制備的材料，而且制品均勻性好，均勻度可達分子或原子尺度

7、，可以大面積成膜。趙金博等人13研究了離子液體輔助SolGel法制ZnO：Al薄膜中各個因素對生成薄膜的性能的影響。在他們的研究結(jié)果中，Al摻雜濃度和退火氛圍對生成薄膜的性質(zhì)都有影響，當(dāng)Al 摻雜濃度為1 mol% 時，薄膜電阻率最低，空氣中退火達到1.4 102 cm。隨著Al 摻雜濃度增加，薄膜顆粒越小，透過率降低。NH3還原氣氛下退火能明顯降低薄膜的電阻率。當(dāng)Al摻雜濃度為1 mol%時，在NH3氣氛下550 退火，薄膜的電阻率最小為4.7 10-2 cm。3.3化學(xué)氣相沉積法( CVD ) 化學(xué)氣相沉積法( CVD)是一種或幾種氣態(tài)反應(yīng)物包括易蒸發(fā)的凝聚態(tài)物質(zhì)在蒸發(fā)后變成的氣態(tài)反應(yīng)物)

8、在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而沉積成膜的工藝。反應(yīng)物質(zhì)是由金屬載體化合物蒸氣和氣體載體所構(gòu)成，沉積在基體上形成金屬氧化物膜。CVD法具有沉積速率快、成膜質(zhì)量較好、成本低廉等優(yōu)點, 還可以實現(xiàn)在分子水平控制摻雜、溶劑選擇范圍更廣, 甚至可以用水作為溶劑, 這樣可以有效減少對人員及環(huán)境的毒害和污染。秦秀娟等14采用氣溶膠輔助化學(xué)氣相沉積法在玻璃襯底上制備了Al 摻雜ZnO(AZO)薄膜。研究了Al 摻雜對ZnO薄膜結(jié)構(gòu)及光電性能的影響。結(jié)果表明，制備的所有薄膜均具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，不具有沿c軸方向的擇優(yōu)取向,在可見光范圍內(nèi)，薄膜的平均透過率大于72%，光學(xué)禁帶寬度隨Al摻雜量的增加而變窄。 4 導(dǎo)電透明導(dǎo)電

9、薄膜的應(yīng)用現(xiàn)狀ZnO薄膜具有良好的光透過性和導(dǎo)電性，基于這種性質(zhì)使得它能與薄膜太陽能電池復(fù)合。ZnO薄膜可以優(yōu)化薄膜太陽能電池的表面結(jié)構(gòu)，提高光捕捉效率，從而提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率。Hupkes等7在近期的一項研究中將ZnO薄膜加載在各種不同類型的太陽能電池表面，發(fā)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化效率都有不同程度的提高。 薄膜太陽能電池特別是串聯(lián)的微晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率不穩(wěn)定，制約了薄膜太陽能電池的進一步發(fā)展。目前提出的一項解決方法是在串聯(lián)電池中加入ZnO中間反射層，Bugnon等15的研究結(jié)果表面ZnO中間反射層可以在一定程度上提高效率，加載后電池的效率提高了約7%。ZnO是一種多功能材料，除了能用于太陽能電

10、池領(lǐng)域外，還能用于氣體檢測。因為ZnO納米顆粒有很高的表面活性和靈敏的光電性質(zhì)，對周圍環(huán)境的靈敏度較高。用ZnO制成的氣體傳感器可以檢測三甲胺，氫氣，二氧化碳和氧氣的濃度。Yang等16的實驗表明ZnO傳感器對CO的靈敏度可以達到0.62Torr。5 導(dǎo)電透明薄膜薄膜發(fā)展趨勢 在太陽能電池發(fā)展方面，隨著太陽能電池向著第三代發(fā)展，太陽能電池的尺寸越來越小型化，但卻導(dǎo)致了轉(zhuǎn)化效率的下降。加載ZnO薄膜可以有效地解決這一問題，通過優(yōu)化ZnO的結(jié)構(gòu)可以為高效太陽能電池的發(fā)展鋪平道路。在氣體傳感器發(fā)展方面，未來的發(fā)展方向一定是多種氣體的復(fù)合傳感器。這就要求ZnO要有更好的復(fù)合性質(zhì)，能夠和其他的一些金屬化

11、合物傳感器如SnO2, ZnO,WO3,CuO和In2O3等更好的復(fù)合；或者可以對ZnO薄膜進行表面改性，摻雜一些過渡金屬或者是貴金屬元素。參考文獻1 1 Canyun Z. High-quality oriented ZnO films grown by solgel process assisted with ZnO seed layerJ. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2010, 71(3): 364-369.2 2 Chunga S M, Hanb S H, Songc K H, et al. Luminescent prop

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