PET柔性衬底上低温沉积ITO薄膜性能的研究

　　1　引　言

　　In2O3:Sn(ITO)薄膜具有高的电导率和可见光范围内高的透过率,是一种重要的透明导电氧化物薄膜,其制备工艺业成熟,并得到了广泛的应用[1~5]。目前应用的ITO薄膜,通常是在硬质材料衬底上制备获得的。与硬质衬底相比,塑料柔性衬底上制备的薄膜不但可以保留沉积薄膜的光电特性,而且具有可弯曲、重量轻、不易破碎、易于大面积生产和便于运输等独特优点,在柔性发光器件、塑料液晶显示器和塑料衬底的太阳电池等中有广泛的应用前景[6~9]。

　　在塑料衬底的太阳电池中,ITO可以作为电池的透明电极,使得电池获得更好的光学吸收和电流收集。目前,应用于太阳电池的塑料衬底材料主要有聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和聚酰亚胺(PI)等。其中,PET是一种饱和的热塑性聚合物,产量大、价格低廉和机械性能优良,在可见光范围内有很高的透过率,可以采用PIN型的电池结构,与传统的制备工艺相兼容,是良好的太阳电池的衬底材料,但是其耐温性较差[10],因此电池各层及ITO薄膜均要求在低温条件下制备获得。

　　本文采用反应热蒸发的方法在PET衬底上低温制备ITO薄膜,考察了不同衬底温度下薄膜的微观结构及光电特性的变化,并将优化获得的ITO薄膜应用于柔性非晶硅(a-Si)薄膜太阳电池中。

　　2　实验方法

　　采用ZZSX-700D型蒸发设备,在PET衬底上采用反应热蒸发法制备ITO薄膜。蒸发源材料采用In/Sn质量分数比为9∶1的合金(纯度:99.999%),高纯O2(纯度:99.999%)作为反应气体。蒸发过程中分别采用D07-7A/ZM型流量计和美国Maxtek公司生产的MDC-360C型膜厚监控仪控制O2的流量及薄膜的生长速率和厚度,调节衬底温度在100~160℃间。同时,保持相同的沉积条件,在普通浮法玻璃上制备一系列ITO薄膜,以观察PET衬底与玻璃衬底上沉积薄膜的各种性能区别。采用线列式七室连续RF-PECVD沉积系统,在低温条件下制备PIN型a-Si薄膜太阳电池,P、I和N 3层的衬底温度均为125℃,电池结构为PET/ITO/p-a-SiC:H/i-a-Si:H/n-a-Si:H/Al。

　　利用X射线衍射仪(XRD-D/max2500)观测薄膜的晶体结构。薄膜的电阻率、载流子浓度和迁移率用霍尔测试系统进行测量。采用UV-Vis-NIR分光光度计(Shimazu UV-3600)测量薄膜的透过率,波长范围为300~1600 nm。太阳电池的J-V特性在25℃、AM1.5和100 mW/cm2条件下测量。

　　3　结果与讨论

　　3.1　结构性能

　　图1给出了在不同衬底温度下沉积ITO薄膜的XRD谱图。从(a)明显观察到对应于PET的衍射宽峰,并且衍射峰的位置在小范围内发生了平移,这可能是由于PET本身在不同温度下内部应力的改变[11]。在低的衬底温度下沉积ITO薄膜为非晶结构,当衬底温度升高到140℃和150℃时,在XRD谱图中探测到了对应于In2O3立方铁锰矿结构的衍射峰位(如图中箭头所示),薄膜转化为多晶结构,呈(222)晶向择优生长,并伴随有较弱(400)、(440)和(622)晶向的衍射峰。这是因为,随着衬底温度的升高,沉积在衬底上的粒子能够获得更多的能量,从而有机会到达晶面择优取向一致性较高的位置,获得更好的晶体结构;但是当衬底温度为160℃时,ITO薄膜又转化为非晶结构,这可能是由以下因素造成的:首先,ITO薄膜与PET衬底的热膨胀系数的不匹配(分别为8.5×10-6/℃和18×10-6/℃[12]),会引起薄膜内部应力的改变,过高的温度使得应力增大,影响薄膜的生长结构;其次,在较高的温下,PFT衬底会出现放气现象,使得晶粒细化[13],促使薄膜向非晶结构转变,释放出的气体也有可能进入薄膜,伴随着PFT衬底的机械性能有可能发生的恶化,都会对ITO薄膜的沉积过程造成影响。[14]