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沉积在太阳能电池上的TiO2防反射薄膜的制备与特性
发表于：2012-04-21 16:59:49
来源：www.solarbe.com作者：solarbe
沉积在太阳能电池上的TiO2防反射薄膜的制备与特性
王贺权，巴德纯，沈辉，闻立时
摘要
非晶或微晶的TiO2薄膜由于在可见光与近红外光波段的不同折射率与透光性、高介电常数、宽带隙、高耐磨性与稳定性等性能，使其应用于多个领域，近年来已经引起极大的关注。本篇专门研究TiO2薄膜在用于硅太阳能电池时的防反射性能。

TiO2薄膜通过Ti靶材直流反应溅射制成。薄膜的反射率由UV

3101PC测量，折射率与消光系数由n&k Analyzer 1200测量，涂层与未涂层的太阳能电池的I-V 曲线I-V测量系统测量。

1、介绍
TiO2薄膜由于在可见光与近红外光波段的高折射率与高透光性、高介电常数、宽带隙、高耐磨性与稳定性等性能，近年来已经引起极大的关注。这些性能使其适用于太阳能电池、防反射薄膜、污水的光污染祛除、电化学装置、自清晰与抗结雾薄膜等领域。目前已有很多制膜技术，如：sol-gel、高温分解溅射、化学汽相沉积（CVD）、物理汽相沉积（PVD）。
但是溅射与sol-gel制备TiO2的方法容易引起膜厚不均匀，且涉及到持续生产的问题。化学汽相沉积的薄膜与基材结合强度低，容易剥离。直流反应溅射具有良好的薄膜结合性、大范围内厚度均匀等良好的特性。直流反应溅射具有更多的优点，如：（1）能够生产可控计量的复合薄膜、高沉积速率、可大规模生产。（2）所用靶材一般具有高纯度，所以可以制备出高纯度的薄膜。（3）金属靶材具有高的导电性，适用直流电即可。所以可以避免使用复杂昂贵的射频（RF）系统。（4）所用靶材易于加工和bond。（5）金属靶材容易导热，可以使散热效果更佳，所以可以加宽输入功率的范围，不必担心出现裂缝。（6）300℃以下即可成膜。
本篇希望通过直流反应溅射制备用于硅太阳能电池时的TiO2薄膜，并研究薄膜的反射系数（r）、折射率(n)与消光系数(k)。
2、实验
TiO2薄膜通过图1所示的直流反应溅射设备制成。每次沉积之前，使用串联的扩散泵与机械泵将不锈钢仓抽真空至低于10-3Pa。所用靶材为纯度3N的方形Ti靶，溅射环境为纯度4N的Ar与纯度4N的O2，O2/Ar的气流量比例由调节器控制。溅射前，太阳能电池分别浸入酒精与丙酮超声波清洗，Ti靶材进行10分钟的预溅射以便清除表面的氧化物。设计上使基座旋转，以便得到同性能的TiO2薄膜。

为了使硅片上的TiO2薄膜获得更低的反射率，我们选择O2/Ar的气流量比例保持在1/4，靶材距基座6cm，把电流固定为5A，环境气体压力为0.2Pa左右，溅射时间为120℃条件下1小时。薄膜的反射率由UV

3101PC测量，折射率（n）与消光系数(k)由n&k Analyzer 1200测量，涂层与未涂层的太阳能电池的I-V 曲线I-V测量系统测量。

图1：实验设备原理图
3、结果与讨论
3.1 TiO2制作中的滞后现象
在直流反应溅射中，在负电极表面与基材间存在的氧气，不但引起与基材上的冷凝材料的强相互作用，也引起与负电极表面的强相互作用。随着氧气流量的增加，绝缘化合物会包裹负电极表面，即所谓的靶中毒。在Ar与O2混合气体中使用的Ti靶材会导致众所周知的等离子阻抗滞的后现象。图2显示了我们的TiO2溅射过程的滞后现象
图2：TiO2溅射过程的滞后现象。
根据氧流量的不同，经常采用两种特定的靶材方式：金属方式（低氧分压，高溅射速率）与反应方式（高氧分压，低溅射速率）。综合考虑希望得到的计量与适当的特性，只有在两种方式的过渡区内才可以得到适度性溅射速率。
直流反应溅射TiO2中的滞后现象与文献中广泛描述的不同。在转换点，负电极电压增加，可能原因为TiO2（0.96）的溅射系数高于Ti（0.58）。所以，TiO2的溅射速率高于Ti，然后我们扣除TiO2可能具有的比Ti低的二次电子发射系数。由于反应舱内二次电子减少，则负电极电压增加以保持放电。
3.2 硅电池上的TiO2薄膜的光学特性
图3为太阳光AM1.5的光谱分布。此范围内最大的辐射强度在495nm至685nm，为得到好的防反射特性，此范围的反射率应该较低。
图3：太阳光AM1.5的光谱分布。

图4显示了由UV

3101PC测量的裸露的硅电池与涂上TiO2薄膜的硅电池的反射率曲线。在波长350nm至800nm范围内，裸露的硅电池的平均反射率Ra为31.5%，在波长770nm至800nm范围内最低值R为25.8%。在波长350nm至800nm范围内，涂上TiO2薄膜的硅电池的平均反射率Ra为11.18%，在波长520nm至540nm范围内最低值R为1.9%。最大的辐射强度的495nm至685nm范围内平均反射率Ra为4.8%。通过以上反射率的对比可知，涂上TiO2薄膜的硅电池的抗反射性能极佳。

图4：由UV

3101PC测量的反射率曲线

此外，薄膜还经n&k Analyzer 1200测量。n&k Analyzer是一种基于“n&k Method”专利的新型薄膜测量系统，n&k Analyzer可以测量半导体、电介质、透明导体、光阻材料、聚合物、滤光片与超薄金属膜的厚度（d）、折射率（n）、消光系数（k）、能带宽度（Eg）与内表面粗糙度（s）。折射率（n）与消光系数（k）与光的波长（λ）有关（如：n=n(λ) and k=kλ)）。折射率n(λ)描述了光如何被材料衍射。高折射率的材料与低折射率的材料相比更容易使光衍射。n(λ)随材料密度而改变。消光系数（k）与光的吸收有关。高消光系数的材料比低消光系数的材料吸收更多的光。透明材料在可见光范围内消光系数为零。
图5 显示了TiO2薄膜的n&k曲线。TiO2薄膜的折射率（n）基本保持不变。TiO2薄膜的消光系数（k）非常低，且在400nm至800nm范围内等于零，说明TiO2薄膜在400nm至800nm范围内吸收很少的光甚至不吸收。综上所述，由于具有低反射率以及接近零的消光系数（k），TiO2薄膜是一种很好的防反射材料，可广泛用于太阳能电池领域。
图5：TiO2薄膜的n&k曲线
图6显示了由AM1.5阳光模拟光源测量的裸露的太阳能电池与涂上TiO2薄膜的太阳能电池的IV曲线。可以看出当太阳能电池涂上TiO2薄膜后，所有的性能都被提高了。太阳能电池的效率提高了12%。
图6：裸露的硅电池与涂上TiO2薄膜的硅电池的IV曲线
4、结论
本文讨论了通过直流反应溅射制备的用于硅太阳能电池时的TiO2薄膜的光学性能。涂上TiO2薄膜的硅太阳能电池在可见光范围内具有更低的反射率。TiO2薄膜的消光系数（k）非常低，且在400nm至800nm范围内等于零，说明TiO2薄膜在可见光范围内吸收很少的光甚至不吸收，且太阳能电池的效率提高了12%。总体来说，以上提到的光学性能证明TiO2薄膜是太阳能电池防反射层的优良材料。待进一步验证。
5、感谢
感谢SUNYAT-SEN大学的Ing shenhui教授/博士。本项目有中国国家自然科学基金会赞助，补助号码：50376067。
6、参考文献
(1) B.ó,Regan,M.Gr tzel,Nature 353(1991)737
(2) A.Hagfeldt,N.Vlachopoulos,M. Gr    tzel,J. Electrochem. Soc. 141(1994)L82
(3) A.Hugot-Le,Goff, P.Falaras,J. Electrochem. Soc. 142 (1995) L38
(4) A.Hagfeldt, M.Gr    tzel, Chem.Rev.95(1995)49
(5) H.K. Pulker, Thin Film Science and Technology. Vol. 6.Elsevier. Amsterdam, 1984
(6) Y.-M. Gao, H.-S. Shen, K. Dwight,A. Wold, Mater. Res. Bull. 27(1992)1023
(7) H. Kuster, J.Ebert, Thin Solid Films 70(1980)43
(8) A.Fujishima,T.Rao,D.Tryk,J.Photochem.Photobiol.C:Photochem.Rev.1(2000)1
(9) K.Kohno,J.Mater.Sci.27(1992)658
(10) B. Orel, M.Macek,A. Surca, Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng. 2255(1994)803
(11) W. Kern, E. Tracy, RCA Rev.41(1980)132
(12) W.G.Lee, S. Woo, J.C. Kim, S.H. Choi, K.H. Oh, Thin Solid Films 237(1994)105
(13) P. Lbl, M. Huppertz, D. Mergel, Thin Solid Films 251 (1994)72
(14) L. Meng, M. dos Santos, Thin Solid Films 226(1993)22
(15) S. Schiller, G. Beister, W. Steber, Thin Solid Films 83 (1981)239
(16) I.Saf, Surface and Coatings Technology 127(2000) 203-219
(17) J. Musil, V. Valvoda, S. Kadlec, J. Vyskocil, IPAT 87, Proceeds of the 6th International Conference on Ion and Plasma Assisted Techniques, Brighton UK, 1987, pp. 184-189
(18) T. Larsson, H.O. Blom, C. Nender, S. Berg, J. Vac. Sci. Technol. A 6 (3) (1988) 1832-1836
(19) S. Schiller, U. Heisig, K. Steinfelder, J. Strumpfel, W. Sieber, Vakuumtechnik 30 (1981)1-21
(20) A. Rizk, S.B. Youssef, S.K. Habib, Vacuum 38 (2) (1988) 93-95
(21) J.L. Vossen, S. Krommenhoek, A.V. Koss, J. Vac. Sci. Technol.A 9 (3) (1991) 600-603
(22) A. Okamoto, T. Serikawa, Thin Solid Films 137 (1986) 143-151
(23) S. Maniv, W.D. Westwood, J. Appl. Phys. 51 (1) (1980) 718-725
关键词： 太阳能电池
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