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中国 发明 无效

一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法 【EN】A kind of preparation method of low-defect-density amorphous oxide molybdenum hole transmission layer

申请(专利)号:CN201711259294.X国省代码:天津 12
申请(专利权)人:【中文】河北工业大学【EN】Hebei University of Technology
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摘要:
【中文】本发明为一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法。该方法包括以下步骤:(1)将氧化钼陶瓷靶置于射频磁控溅射设备中;(2)再将太阳能电池衬底放入磁控溅射室,抽真空;(3)向磁控溅射室内通入混合气体,使磁控溅射室的工作压强为0‑2Pa;所述混合气体氧气和氩气;(4)给衬底加热,将衬底温度稳定到50‑250℃,沉积时间为20‑60min,得到非晶氧化钼空穴传输层。本发明步骤简单,生长速率可控,并且重复性好;通过调整氧气及氩气的流量比就可实现低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备,从而使其更好的应用在器件上。 【EN】Paragraph:The present invention is a kind of preparation method of low-defect-density amorphous oxide molybdenum hole transmission layer.This method comprises the following steps:(1) molybdenum oxide ceramic target is placed in rf magnetron sputtering equipment;(2) solar cell substrate is put into magnetron sputtering chamber again, vacuumized;(3) mixed gas is passed through into magnetron sputtering room, the operating pressure for making magnetron sputtering chamber is 0 2Pa;The mixed gas oxygen and argon gas;(4) silicon is given, underlayer temperature is stabilized to 50 250 DEG C, sedimentation time is 20 60min, obtains amorphous oxide molybdenum hole transmission layer.Step of the present invention is simple, and growth rate is controllable, and reproducible;The preparation of low-defect-density amorphous oxide molybdenum hole transmission layer is achieved that by adjusting the flow-rate ratio of oxygen and argon gas, so that it is preferably applied on device.Image:201711259294.GIF

主权项:
【中文】一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法,其特征为该方法包括以下步骤:(1)将氧化钼陶瓷靶置于射频磁控溅射设备中;(2)再将衬底放入磁控溅射室,抽真空;真空抽至为2×10‑4Pa‑3×10‑4Pa;所述的衬底为太阳能电池衬底;(3)向磁控溅射室内通入混合气体,使磁控溅射室的工作压强为1‑2Pa;所述混合气体氧气和氩气,混合气体中氩气与氧气的比例100:0.1‑100:1;(4)给衬底加热,将衬底温度稳定到50‑250℃,维持溅射功率为50‑150W,沉积时间为20‑60min,然后停止给衬底加热,当衬底温度降至50‑100℃时取出,得到低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层。 【EN】A kind of 1. preparation method of low-defect-density amorphous oxide molybdenum hole transmission layer, it is characterized in that this method includes following step Suddenly: (1) molybdenum oxide ceramic target is placed in rf magnetron sputtering equipment; (2) magnetron sputtering chamber is placed the substrate into again, is vacuumized;Vacuum is evacuated to as 2 × 10Pa-3×10Pa;The substrate is Solar cell substrate; (3) mixed gas is passed through into magnetron sputtering room, the operating pressure for making magnetron sputtering chamber is 1-2Pa; The mixed gas oxygen and argon gas, the ratio 100 of argon gas and oxygen in mixed gas:0.1-100:1; (4) silicon is given, underlayer temperature is stabilized to 50-250 DEG C, maintenance sputtering power is 50-150W, and sedimentation time is 20-60min, then stops to silicon, is taken out when underlayer temperature is down to 50-100 DEG C, obtains low-defect-density amorphous oxygen Change molybdenum hole transmission layer.


说明书

一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法

技术领域

本发明属于材料制备领域的技术领域,具体涉及一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴

传输层的制备方法。

背景技术

氧化钼是一种无毒、高功函数、高电导率的N型半导体材料,常被作为空穴传输层

应用在太阳能电池中,能够有效地减低背电子与空穴在界面层上电子给体和受体之间的本

征电子损耗,减少背电子与空穴的接触式复合阻挡电子从电子受体富勒烯传输,同时提高

空穴传输率。研究表明,低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层有助于改善器件的性能。目前制

备氧化钼空穴传输层通常会采用真空热蒸镀法和溶液制备法。Hou等采用溶液法制备了具

有少量氧空位的MoOx薄膜作为界面修饰层,该方法制备的MoOx器件空穴提取效果得到了改

善,但溶液法制备的薄膜的致密性较差,光学性能也不高,还易出现龟裂剥落等现象,工艺

参数也较难掌握,很难达到制备高性能器件的要求。但得到的膜不均匀且需要退火。Corsin

Battaglia等人采用真空热蒸发法制备出了具有一定缺陷态密度的非晶MoOx薄膜,采用该

方法制备的MoOx薄膜作为空穴传输层应用在太阳能电池上达到了接近20%的转换效率;但

真空热蒸发法速率及膜的成分很难控制,不便于工业化生产,实现连续化。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术难以控制氧化钼空穴传输层缺陷密度从而实现与

器件良好匹配的难题,提供一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法。该方法采

用磁控溅射法,使用氧化钼陶瓷靶来溅射氧化物,并通过调配混合气体中氧气的含量,实现

对缺陷态高低的调节。本发明步骤简单,生长速率可控,并且重复性好,可实现低缺陷密度

非晶氧化钼空穴传输层的制备。

本发明的技术方案为:

一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法,包括以下步骤:

(1)将氧化钼陶瓷靶置于射频磁控溅射设备中;

(2)再将衬底放入磁控溅射室,抽真空;真空抽至为2×10-4Pa-3×10-4Pa;所述的

衬底为太阳能电池衬底;

(3)向磁控溅射室内通入混合气体,使磁控溅射室的工作压强为1-2Pa;

所述混合气体氧气和氩气;混合气体中氩气与氧气的比例100:0.1-100:1;

(4)给衬底加热,将衬底温度稳定到50-250℃,维持溅射功率为50-150W,沉积时间

为20-60min,然后停止给衬底加热,当衬底温度降至50-100℃取出,得到低缺陷密度非晶氧

化钼空穴传输层。

所述步骤(1)中,氧化钼陶瓷靶为纯度99.99%的三氧化钼陶瓷靶。

所述步骤(2)中,所述的太阳能电池衬底具体为N型硅片。

所述步骤(4)中,在衬底沉积氧化钼空穴传输层之前,预先溅射3-5min。

所述步骤(4)中,溅射时衬底与靶材的距离为8-12cm。

本发明的有益效果为:

(1)本发明采用磁控溅射的方法,一方面,步骤简单,生长速率可控,并且重复性

好;另一方面低温工艺,通过调整氧气及氩气的流量比就可实现低缺陷密度非晶氧化钼空

穴传输层的制备,从而使其更好的应用在器件上;

(2)溅射靶材为纯度较高的三氧化钼陶瓷靶,氧化物更容易获得高纯度,这使本发

明的生产成本与相应纯度的金属靶以及其它制备方法相比会大大降低。

附图说明

图1是实施例1所得氧化钼空穴传输层的XRD谱图;

图2是实施例1所得氧化钼空穴传输层的XPS(X射线光电子能谱分析(XPS))能谱

图;

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明所述的低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方

法作进一步说明。

实施例1:一种低缺陷密度非晶氧化钼空穴传输层的制备方法,包含以下步骤:

(1)将氧化钼陶瓷靶置于磁控溅射室2号靶的位置上(该设备为多功能氧化物溅射

设备,型号:QHV-CGP450);所述磁控溅射为射频(RF)磁控溅射,氧化钼陶瓷靶为纯度

99.99%。

(2)将衬底放入磁控溅射室,抽真空;所述衬底为太阳能电池衬底(具体类型为N型

硅片,厚度180μm。该材料为公知材料,正面制绒且有热氧化层,该热氧化层的成分为SiO2

背面为离子注入形成的磷背场),真空抽至2.0×10-4Pa。

(3)向磁控溅射室内通入混合气体,调节磁控溅射时混合气体的比例及工作压强;

所述的混合气体得组成为氩气与氧气,体积比为:氩气:氧气=100:0.3,调节磁控溅射室的

压力为1Pa。

(4)设定溅射功率为50W,给衬底加热,将衬底温度稳定到150℃,维持溅射功率为

50W,预先溅射5min(由于氧化钼靶表面可能被污染不干净,或者被氧化,表面成分发生变

化,所以要有个预溅射过程,也称空溅射,预溅射时样品在1号靶对应的腔体里,等预溅射完

后把样品转到2号靶对应的腔体里开始溅射并计时),然后开始对衬底进行溅射沉积氧化钼

空穴传输层,沉积时间为13min,溅射完毕后,停止向溅射室通入气体和加热,待衬底温度降

至100℃取出,得到非晶氧化钼空穴传输层;其中,衬底与靶材的距离为9.6cm。

对实施例1制备的氧化钼空穴传输层分别进行XRD和XPS测试,分别如图1和图2所

示,结果表明,氧化钼空穴传输层不具有择优取向的衍射峰,为非晶态,同时氧化钼空穴传

输层存在较低的缺陷态。该条件下制备的氧化钼空穴传输层所对应电池的性能参数在表1

中列出;

实施例2

将实施例1中,将通入混合气体中氩气与氧气的比例100:0.3改为100:0.1,其他条

件同实施例1,沉积氧化钼空穴传输层。

对实施例2制备的氧化钼空穴传输层进行XRD和XPS测试,结果表明,氧化钼空穴传

输层不具有择优取向的衍射峰,为非晶态,同时氧化钼空穴传输层存在较低的缺陷态。该条

件下制备的氧化钼空穴传输层所对应电池的性能参数在表1中列出;

实施例3

将实施例1中,溅射功率改为80W,温度改100℃,其他条件同实施例1,沉积氧化钼

空穴传输层。

对实施例3制备的氧化钼空穴传输层进行XRD和XPS测试,结果表明,氧化钼空穴传

输层不具有择优取向的衍射峰,为非晶态,同时氧化钼空穴传输层存在较低的缺陷态。该条

件下制备的氧化钼空穴传输层所对应电池的性能参数在表1中列出;

实施例4(对比例)

将实施例1中,将通入混合气体中氩气与氧气的比例100:0.3改为100:0,其他条件

同实施例1,沉积氧化钼空穴传输层。

对实施例4制备的氧化钼空穴传输层进行XRD和XPS测试,结果表明,氧化钼空穴传

输层不具有择优取向的衍射峰,为非晶态,此时氧化钼空穴传输层存在较高的缺陷态。该条

件下制备的氧化钼空穴传输层所对应电池的性能参数在表1中列出;

实施例5(对比例)

将实施例1中,将通入混合气体中氩气与氧气的比例100:0.3改为50:50,由于在高

的氧分压情况下薄膜的沉积速率会下降,为了保持氧化钼空穴传输层膜厚的一致性,将实

施例1中的沉积时间改为37min,其他条件同实施例1,沉积氧化钼空穴传输层。

对实施例5制备的氧化钼空穴传输层进行XRD和XPS测试,结果表明,氧化钼空穴传

输层不具有择优取向的衍射峰,为非晶态,此时氧化钼空穴传输层不存在缺陷态。该条件下

制备的氧化钼空穴传输层所对应电池的性能参数在表1中列出;

通过对将比实施例4、5与实施例1、2、3对比可得,存在低缺陷态的氧化钼空穴传输

层有助于太阳能电池性能的改善。

表1是各实施例所制备氧化钼空穴传输层对应的太阳能电池性能参数,电池的大

小为1cm×1cm,正面所用导电层为ITO(85nm),背面为Ge背场(12nm),正面与背面电极均为

Ag电极(250nm、120nm),采用型号为光巨力科技XES-100S1太阳能模拟器在实验室室内恒温

条件(25℃),AM1.5G的大气因子,测试电压区间设为-0.2~1V,测试点数设为400,光强为

1000W/m2对太阳能电池进行测试。

表1



样品1、2、3、4、5是分别以实施例1、2、3、4、5中氧化钼空穴传输层所制备的太阳能

电池,所制备太阳能电池的各项性能参数,如开路电压(Voc)、短路电流密度(Jsc)、填充因

子(FF)、转换效率(η)均在表1中给出,实施例1、2、3中在制备氧化钼空穴传输层时分别保持

了氩气:氧气=100:0.3、100:0.1、100:0.3的微量氧气氛,在该气氛制备的氧化钼空穴传输

层具有低的缺陷态,对比实施例4、5则分别是在氩气:氧气=100:0、50:50的无氧和高氧的

气氛中制备的氧化钼空穴传输层,对此实施例4中制备的氧化钼空穴传输层由于没有通入

微量的氧而存在大量的缺陷态,对比实施例5中制备的氧化钼空穴传输层时通入了大量的

氧而不存在缺陷态,通过样品1、2、3、4、5电池性能...

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图1
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