新型透明导电氧化物薄膜Nb_TiO_2的研究进展

太阳能电池

84　　材料工程/2009年9期　

新型透明导电氧化物薄膜Nb2TiO2的研究进展

DevelopmentofNovelTransparentConducting

OxideNb2dopedTiO2Films

冯娴娴,赵小如,刘　凯,刘　波,赵　亮

(西北工业大学理学院应用物理系,西安710072)

FENGXian2xian,ZHAOXiao2ru,LIUKai,LIUBo,ZHAOLiang

(DepartmentofAppliedPhysics,SchoolofScience,

NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)

摘要:新型透明导电氧化物薄膜Nb2TiO2因其优异的光电性能成为当今研究的热门材料。本文详细阐述了Nb2TiO2薄膜的光电性能、影响Nb2TiO2光电特性的因素与机理以及目前的研究进展、前沿动态等,着重讨论了载流子浓度及其散射过程对光学透过率和导电性能的影响。关键词:Nb2TiO2;透明导电氧化物薄膜;光电机理

中图分类号:TN304　　文献标识码:A　　)2Abstract:Novelt2thinfilmsarecurrentlystudiedbyre2searchersastheiropticalandelectricalproperties.Theopticalandelec2tricalpropertiesofNb2dopedTiO2filmswereanalyzed.Meanwhile,theeffectfactorsontheopticalandelectricalcharacteristics,thecurrentresearchdevelopments,andthefutureworkweresummarized.Especially,theeffectofcarrierdensityandscatteringprocessonopticaltransmis2sionandconductivitywasdiscussed.

Keywords:Nb2TiO2;transparentconductingoxidethinfilm;opticalandelectricalmechanism

　　透明导电氧化物(TransparentConductingOx2

ide,TCO)薄膜主要包括In,Sb,Zn和Cd的氧化物及其复合多元氧化物薄膜材料,具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等共同光电特性,广泛应用于太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其他光电器件领域。TCO最早出现于20世纪初[1],1907年Badeker首次制成了CdO透明导电薄膜,1950年前后

元素,在自然界中贮存量少,价格较高,靶材的工艺要求较高,还需要进口;另外ITO应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定,高温下透过率迅速下降。

随着平面液晶显示(LiquidCrystalDisplayer,LCD)的人均年需求的增长以及太阳能电池应用的普及,迫切需要开发新的透明导电膜并投入到工业应用中。

ZAO薄膜具有丰富的地球储量,而且无毒、易于

出现了SnO2基和In2O3基薄膜;ZnO基薄膜则兴起

于20世纪80年代,目前研究较多的是ITO(In2O3∶Sn),FTO(SnO2∶F)和ZAO(ZnO∶Al)。这些氧化

制造、在等离子体中稳定性好,并且具有与ITO可比拟的光电性能,有可能成为ITO的替代产品[2]。但是当前,ZAO导电膜却还没有进入大规模的工业化生产,只是在太阳能电池上投入使用。主要的原因如下:大面积成膜的技术设备还不过关;工艺的可重复性和可靠性不好;薄膜的厚度和成分都不均匀,质量不好;最佳制作工艺还没有被完全掌握。因此,目前主要任务有两项:一是通过对ZAO导电膜制备技术和工艺的研究,分析工艺条件和薄膜光学、电学等物理性质之间的内在关系,以期获得最佳工艺条件,制备出性能优良的大面积ZAO导电膜,最终实现ZAO导电膜的大规模工业化生产;二是不断研究开发新的可用的透明导电薄膜材料或多元材料的组合,如开发了

物均为重掺杂、高简并半导体。半导化机理为化学计量比偏移和掺杂,其禁带宽度一般大于3.0eV,并随组分不同而变化。它们的光电性质依赖于金属的氧化状态以及掺杂剂的特性与数量,一般具有高载流子浓

度(1018～1021cm-3),电阻率可达10-4Ω cm量级,可见光透射率为80%～90%。

透明导电薄膜以掺锡氧化铟(简称ITO)为代表,研究与应用较为广泛、成熟,在美日等国已产业化生产。在国内,虽然年均生产量相对都有大幅度增长,但是由于起步较晚,远远落后于发达国家;而且铟为稀有

太阳能电池

　新型透明导电氧化物薄膜Nb2TiO2的研究进展85

Zn2SnO4,In4Sn3O,MgIn2O4,CdIn2O4等多元透明氧

钛离子后,多余的一个电子脱离束缚成为自由电子参与导电。因此,载流子浓度随着铌掺杂量的增加而增加。Furubayashi等人[3]具体研究了铌掺杂对薄膜导电性能的影响,当摩尔掺杂量x≈0时,薄膜的电阻率

约为10-1Ω cm;当x≈1%时,电阻率急剧降到了10-4Ω cm的数量级,而且载流子浓度增加了一个量

化物薄膜材料。

2005年,Furubayashi等人[3]首次报告了用铌掺杂的锐钛矿二氧化钛Nb2TiO2(简称TNO)具有高的光电特性,其电阻率为(2～3)×10-4Ω cm,而且它在可见光范围内的透光率达到了90%。其光电性能可与ITO,ZAO薄膜相比。之后,人们逐渐将目光集中在其应用方面的研究。目前,TNO同时亦被认为是最有发展潜力的材料之一,将有可能成为ITO薄膜的替代材料。

级以上。但是铌过多对光的散射作用会加强,影响薄膜的透光率,同时铌增加对载流子散射作用也会增加,导致霍尔迁移率降低,导电性变差。因此应当根据需求,适当选择铌的掺杂量。

TNO薄膜优于其他透明导电薄膜的一点就是铌

1　TNO薄膜的光电特性

1.1　TNO薄膜的电学特性

TNO薄膜的电阻率达到了≈10Ω cm,其载流子浓度非常高(≈1021cm-3),载流子的迁移率为3～

-4

的替代率非常高,少的掺杂就会得到高的载流子浓度。S.X.Zhang等人

[7]

通过卢瑟福背散射测试发现了

5%的Nb2TiO2锐钛矿中和Nb的元素含量为,即%。分析原因主要

浓度随温度的变化关系,时,载流子浓度从101.14×1021cm-3,相差≈7×1018-3两者之间的微小差别可以认为温度对载流子浓度没有影响,所以TNO薄膜与ITO,ZAO相同都为简并半导体。Zhang认为这个微小差别是由本征缺陷所产生的载流子带来的,公式为

(1)n=n0+{niexp[-Ed/(kBT)]}/2

式中:n0为铌掺杂的载流子浓度变化;ni为本征载流子浓度;kB为波尔兹曼常数;Ed为本征激活能。1.2　TNO薄膜的光学特性

Furubayashi等人[3]用脉冲激光沉积(PulseLaserDeposition,PLD)在SrTiO3(100)衬底上制备了外延TNO透明导电薄膜,在掺杂浓度x<3%时,在可见光

22cm2V-1S-1。S.X.Zhang等人

[4]

X.Zhang等人[4]在卢

minNb,得到了绝,通过铌的最小量χ

minNb,进而推出SNb与衬底温度的对替代数SNb=1-χ

倒数1/TS的关系,即阿列纽斯公式

SNb～exp(-EA/RTS)

(2)

式中:R为普适气体常数,且R=8.62×10-5eVK-1/原子;EA为原子的替代能,铌原子的替代能≈01068eV/原子。替代能之所以低是因为铌的离子半

径Nb5+(6.4nm)与钛的离子半径Ti4+(6.1nm)相差不大,替代不会引起晶格大的变化。2.2　氧空缺对光电性能的影响及机理分析

影响TNO薄膜导电的另一个因素是氧空缺,这是因为阴离子的增多容易形成VTi,Oi,这些被称为“电子杀手”,可以把替代产生的自由电子中和掉。T.Hitosugi等人[8]对TNO薄膜进行后退火处理,在氢

范围内的透光率非常高,达到了97%;随着铌掺杂量

的增加,在近红外区的透光率有所下降,这是因为随着载流子浓度的增加,等离子体的频率向高能量(短波)方向移动。除了外延的TNO薄膜具有高的光学透过率外,NaoomiYamada等人[5]利用磁控溅射在玻璃衬底上制备的多晶锐钛矿TNO薄膜在可见光范围内的平均透光率也达到了75%以上。

气或真空中退火,薄膜的电阻率达到了10-4Ω cm量级,但是在空气中退火时,薄膜却表现出了绝缘性,电阻率大于106Ω cm。因此,氧空缺对TNO薄膜导电性能的影响也是不可忽略的。

2.3　晶相及 …… 此处隐藏：10878字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……