[发明专利]籽晶层辅助的高性能TiO2基透明导电薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及籽晶层辅助的高结晶度高性能TiO₂:Nb透明导电薄膜及其制备方法，属于透明导电氧化物(TCO)薄膜技术领域。

背景技术

透明导电氧化物(TCO)薄膜是集高可见光透射率和高电导率于一体的功能材料，是太阳能电池、平板显示、发光二极管、特殊窗口涂层及其他光电器件的关键组成部分。以光伏电池为例，带有透明导电膜的玻璃基板占有非晶硅(a-Si)薄膜电池生产成本的40％、TiO₂染料敏化电池(DSCs)制造成本50％以上。当前产业界广泛应用的透明导电膜主要包括氧化铟锡(ITO)和氟掺杂氧化锡(FTO)两大类。ITO和FTO薄膜虽然具有优良的光电性能，但是却存在In或Sn扩散导致器件性能衰减、薄膜稳定性差、不耐腐蚀、在氢等离子中不稳定(如在a-Si:H中成分扩散很严重)等缺点，FTO薄膜还存在难以刻蚀的问题。即便是新一代的ZnO基TCO材料，也存在沉积温度高、化学性质不稳定等缺点。因此，具有更加优异性能的新型TCO材料成为全世界科学家研究的热点([1]D.S.Ginley，and C.Bright(Eds.)，(材料研究公报)Mater.Res.Bull.25(2000)15.[2]S.Stoute，(材料世界)Mater.World 11(2003)12.[3]M.Gretzel，(无机化学)Inorg.Chem.44(2005)6841.[4]J.H.Shin，S.H.Shin，et al.(应用物理杂志)J.Appl.Phys.89(2001)5199)。

2005年，日本人Furubayashi制备出一种“透明的金属”-掺Nb锐钛矿TiO₂(NTO)薄膜，发现NTO薄膜具有优异的透明导电性能，可见透光率为80％以上，导电率可达2×10^-4Ω.cm，载流子迁移率为22cm²/VS。([5]Y.Furubayashi，N.Yamada，et al.(物理应用杂志)J.Appl.Phys.101(2007)093705.[6]X.D.Liu，E.Y.Jiang，et al.(应用物理通信)Appl.Phys.Lett.92(2008)252104.[7]J.Osorio-Guillén，S.Lany，et al.(物理研究通信)Phys.Rev.Lett.100(2008)036601.[8]M.A.Gillispie，et al.(应用物理通信)Appl.Phys.Lett.101(2007)033125)。NTO薄膜原料廉价易得，具有高的热稳定性和化学稳定性，对环境无污染，在光电性能上不但能与ITO相媲美([9]Y.Furubayashi，T.Hitosugi，et al.(应用物理通信)Appl.Phys.Lett.86(2005)252101)，更能够满足新器件的多重要求(如高折射率、高红外透射率等)，是TCO家族里极具潜力的新成员。高性能NTO薄膜的研发将不仅促进无In的低成本TCO材料广泛应用于航空、航天、军事，而且更广泛适用于太阳能电池和半导体器件的透明电极。该材料的应用对保护环境、改善能源结构、应对能源危机、引领新产业和消费领域、以及保持经济的快速可持续发展有重要的现实意义。

NTO薄膜的优异性能在光电应用上有着巨大的潜力，科研人员目前采用较高温度下的脉冲激光沉积(PLD)或者溅射制备出了高性能的NTO薄膜。PLD的方法虽然比较简单，薄膜质量很高，但是成本较高，只能应用于小面积沉积，不适用于大规模生产。直接溅射法虽然能大范围制备薄膜，但高质量的薄膜对衬底有需求。在单晶SrTiO₃(STO)上沉积的NTO才具有高导电率(3.5-2.3×10^-4Ω.cm)和载流子迁移率(22cm²/VS)。在玻璃衬底等上的薄膜晶粒尺寸很小(＜5-10nm)，晶界效应的增加，导致薄膜表现出较多的缺陷和较强的晶格应力，抑制了载流子的传输，使载流子迁移率(3.8-7.6cm²/VS)，远小于外延的NTO薄膜(22cm²/VS)。

综上所述，本领域缺乏低成本、高性能的透明导电氧化物(TCO)薄膜光电器件，因此，本领域迫切需要开发低成本、高性能的TCO(也即透明导电氧化物)材料，特别是需大幅度提高TCO材料光电器件在廉价的衬底上(例如玻璃和熔融石英等)的电导率和载流子迁移率。

发明内容