不同掺杂比例的IWO导电薄膜特性分析

青海黄河上游水电开发有限责任公司西宁太阳能电力分公司 刘 飞 郭永刚

青海黄河水电电池及组件研发实验室 张 敏

采用RPD技术进行IWO导电薄膜的制备，研究分析不同WO3掺杂比例对IWO导电薄膜光学特性和电学特性的影响，随着掺杂比例的升高，薄膜缺陷明显增加，分子之间无法完全适配形成共价键，晶格的不完整性加大，薄膜结晶质量变差，同时导致IWO薄膜的方块电阻也随之升高，薄膜的电导率随之降低。在其他工工艺条件恒定条件下。当WO3掺杂比例为1%时，薄膜方块电阻最小为45Ω，电导率为2669.13s/m，导电性能优良，薄膜透光率基本保持在85%以上。

HIT电池因为优异的电学性能被预测为成为最具有开发前景的高效晶硅太阳能电池。近日，迈为股份研制的异质结太阳能电池片经德国哈梅林太阳能研究所（ISFH）测试认证的大面积异质结电池的最高效率纪录已经达到25.05%（面积274.3cm2），理论上来说具备更高的效率提升潜力。然而由于HIT电池成本依旧相对较高。因此从工艺优化方面提升异质结电池光电转换效率，降低异质结电池的制造成本刻不容缓。透明导电膜作为异质结电池中实现载流子的横向传输及对外进行电流输运的通道，高质量的透明导电膜可以实现高的透光率和电导率，使得制备出的异质结电池具有小的串联电阻和高的填充因子，从而提升异质结电池的转换效率。目前透明导电薄膜（TCO）广泛应用于显示器、太阳电池等等光电器件中，由于掺杂物的种类不同，可分为AZO、ITO、IWO等不同特性的透明薄膜。IWO薄膜由于具有低电阻率、高迁移率和宽光谱范围的高透光率，受到越来越多的关注。本实验主要对针对不同掺杂比例的IWO透明导电薄膜的特性进行分析研究，为HIT电池所需的高透光率、导电率的IWO导电薄膜提供工艺基础。

1 实验

1.1 基体准备

本文采用RPD技术在玻璃衬底上制备IWO薄膜，玻璃衬底尺寸为10cmh10cm，厚度为1.1mm的玻璃作为沉积基底，清洗时分别经过酒精、去离子水超声20min，并用N2气吹干，从而保证沉积衬底清洁干燥。目前评价薄膜质量是否优良的标准主要有两个方面，即薄膜的光学性能和电学性能，本文主要采用紫外分广度计、四探针法方块电阻测试仪、霍尔效应测试仪分别对薄膜的光学性能和电学性能进行评价。

1.2 IWO薄膜的制备

采用国产RPD真空设备进行本次样品的制备，首先将真空度抽至1.5h103Pa下，将氩气枪头调至180sccm保障足够启辉，正常启辉之后，固定枪头氩气流量Ar2=80sccm，电子枪电流30A，沉积室气压维持在0.35Pa，实验以高纯O2（纯度为99.999%）作为反应气体，O2/Ar流量比例分别设定为0%、10%，衬底温度设定为80℃，薄膜厚度设定值为90nm.选取WO3掺杂比例1%、2%、4%的IWO靶材，在玻璃基底上沉积薄膜样品。

2 结果与讨论

2.1 IWO薄膜结晶特性

由图1的XRD图谱可以看出，随着掺杂比例的升高，IWO薄膜（2，2，2）方向上结晶特性显著变差。但是WO3掺杂比例的变化对其他晶向上的生长没有明显变化。这主要是由于，WO3掺杂比例升高，在工艺条件没有充分优化的条件下，WO3比例上升，意味着靶材中杂质比例较大，使同样制备条件下，薄膜缺陷明显增加，分子之间无法完全适配形成共价键，晶格的不完整性加大，所以结晶质量变差。

图1 靶材掺杂比例对IWO薄膜结晶特性的影响

2.2 IWO薄膜的光学特性

由2中的（a）图可知，随着掺杂比例的升高，透过率曲线向短波方向移动，在加入氧气后，WO3掺杂比例为1%时薄膜透过率，无论是可见光波段还是近红外波段都有明显优势，平均透过率明显高于另外两种掺杂比例，透光率基本维持在85%-90%。同时从图2可以看出，通入氧气提高了长波波段的薄膜透过，可见光波段透过率有所下降同时透过率曲线向短波方向移动。从（b）图可以看出，对于掺杂比例越低的IWO薄膜，氧气对透过率的有利影响越明显。随着载流子浓度的增加，等离子振荡波长减小，波长高于λ的波段表现为透射。载流子浓度越高截止波长λ越小，对近红外区域光波段的透过就越小。杂质的掺入使得光学吸收边界向短波方向移动带隙展宽，符合Burstein-Moss效应。

图2 不同掺杂比的IWO的透光率

2.3 IWO薄膜的电学特性

由图3可以看出，随着WO3掺杂浓度的升高，相同工艺条件下制备的IWO薄膜方块电阻也随之升高。当相同掺杂浓度的薄膜加入氧后，薄膜电阻有不同比例的升高，三种掺杂比例的薄膜上升比例分别为100%，90.7%，47.3%，WO3掺杂比例越低对氧氩比越“敏感”。其中掺杂比例为1%的薄膜方块电阻最小为45Ω，电导率为2669.13s/m。

图3 靶材掺杂比例对IWO薄膜方块电阻的影响

结论：本文采用RPD的方法对不同WO3掺杂比例的IWO导电薄膜特性进行了分析研究，随着掺杂比例的升高，薄膜缺陷明显增加，分子之间无法完全适配形成共价键，晶格的不完整性加大，所以结晶质量变差，导致IWO薄膜的方块电阻也随之升高，进行影响电导率降低。在其他工工艺条件恒定条件下。当WO3掺杂比例为1%时，薄膜方块电阻最小为45Ω导电性最好，薄膜透光率基本保持在了85%以上。