PET柔性衬底上低温沉积ITO薄膜性能的研究
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・材料・PET柔性衬底上低温沉积IT O薄膜性能的研究3曹丽冉33,陈新亮,薛俊明,倪 牮,赵 鹏,张德坤,孙 建,赵 颖,耿新华(南开大学光电子薄膜器件与技术研究所,光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300071)摘要:采用反应热蒸发的方法,在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料衬底上制备In2O3:Sn(ITO)薄膜。
鉴于塑料对温度的敏感性,详细研究了衬底温度对其上沉积的ITO薄膜的微观结构及光电性能的影响,在低温条件下(T s=140℃)获得电阻率为7.52×10-4Ωcm,可见光范围内的透过率大于80%和结构特性良好的薄膜,并将其应用于PIN型太阳电池的前电极,获得了转换效率为4.41%的柔性非晶硅(a2S i)薄膜太阳电池。
关键词:柔性衬底;PET/ITO薄膜;低温沉积;太阳电池中图分类号:O484 文献标识码:A 文章编号:100520086(2009)0520628205P roperties of IT O films d eposited on PET substrate at low temp eratu reCAO Li2ran33,CHEN X in2liang,XUE J un2ming,NI Jian,ZHAO Peng,ZHANG De2kun,SUN Jian,ZHAO Y ing,GENG X in2hua(Institute of Photo2electronic Thin Film Devices and T echnology,Tianjin K ey Laboratory of Photo2electronic ThinFilm Devices and T echnology,K ey Laboratory of Opto2electronic Information Science and T echnology for Ministry of Education,Nankai University,Tianjin300071,China)Abstract:ITO films prepared by reactive thermal deposition technique are deposited on polyethylene tere2 phythalate(PET)substrate.Polymer is sensitive to the temperature,and the microstructural,optical andelectrical properties of the ITO films deposited on the polymer at different substrate temperature are in2vestigated in detail.ITO films with resistivity of7.52×10-4Ωcm,transmittance over80%are obtained,and solar cells of PIN type with ITO films as the front electrode are also deposited.As a result,a2S i thin film solar cells on soft substrate with the efficiency of4.41%are obtained.K ey w ords:flexible substrate;PET/ITO films;low temperature;solar cells1 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(a2S i)薄膜太阳电池中。
2 实验方法 采用ZZSX2700D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%)作为反光电子・激光第20卷第5期 2009年5月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.20No.5 May2009① 收稿日期:2008211218 修订日期:2008201208 3 基金项目:国家“973”重点基础研究资助项目(2006C B202602,2006C B202603);天津市科技发展规划资助项目(06YFGZGX02100);天津市国家科技 计划配套资助项目(07QTPT JC29500) 33E2m ail:caoliran1984@应气体。
蒸发过程中分别采用D0727A/ZM 型流量计和美国Maxtek 公司生产的MDC 2360C 型膜厚监控仪控制O 2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 2PECVD 沉积系统,在低温条件下制备PIN 型a 2S i 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 2a 2S iC:H/i 2a 2S i :H/n 2a 2S i :H/Al 。
利用X 射线衍射仪(XRD 2D/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 2Vis 2NIR 分光光度计(Shimazu UV 23600)测量薄膜的透过率,波长范围为300～1600nm 。
太阳电池的J 2V特性在25℃、AM1.5和100mW/cm 2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In 2O 3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]图1 不同衬底温度下薄膜的XR D 谱图Fig.1 XR D sp ectra o f th e films at different substrate temp eratu re 为了加以对比,同样分析了玻璃衬底上沉积的ITO 薄膜的结构,如(b )所示。
可以发现,在低的衬底温度下薄膜同样为非晶结构,当衬底温度升高到160℃时薄膜开始结晶,仍然呈(222)择优取向。
由于2种衬底的薄膜是在完全相同的条件下制备获得的,因此,可以认为具有一定结晶取向的PET 衬底更有利于薄膜的结晶。
为了进一步详细地观察薄膜的微观结构,研究衬底材料对薄膜结构特性的影响,表1列出了对应于(222)晶向计算得到的具有多晶结构的3个样品的晶格参数。
由于ITO 为体心立方结构,晶格常数a 可以用 n 2d 2=h 2+k 2+l 2a2(1)计算得到。
薄膜的晶粒大小D 可以由谢乐公式 D =kλβcosθ(2)计算获得。
其中:β为半高宽(FW H M );θ为衍射角,k =0.9;光源选取的是Cu Kα射线,波长λ=0.15414nm 。
表1 具有多晶结构的IT O 薄膜的晶格参数T ab.1 C rystal p aram eters of IT O films w ith polycrystalline stru ctu reSubstrate T s /℃2θ/(°)d/nm Δd/d/%FW H M A/nm D/nmPET 14030.900.2891510.10.3531.0016223.08915030.840.289708.220.3061.0035226.631G lass16030.660.291362.530.3291.0092724.759 首先,观察到PET 上沉积的ITO 薄膜的衍射峰位置相对于标准峰位发生了一定的平移,这与ITO 薄膜中的应力有关[15]。
由于玻璃的热膨胀系数为4.6×10-6/℃[16],与ITO 薄膜的热膨胀系数更为接近,由此引起的应力也会较小。
通常,用Δd/d 来表征晶格的畸变,对照表中的数据可以发现,PET 衬底上沉积的薄膜与玻璃衬底相比具有更大的晶格畸变。
另外,3个样品的晶格常数均小于JCPDS (joint committee on powder diffraction standard ′s )[17]对应的In 2O 3粉末的数值(10.・926・第5期 曹丽冉等:PET 柔性衬底上低温沉积ITO 薄膜性能的研究 118nm ),晶格呈压缩变形。
