一種高強度多層膜系光電玻璃及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高強度多層膜系光電玻璃及制備方法，多層膜系光電玻璃包括玻璃基片，在玻璃基片上依次設有二氧化硅層、氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層；制備方法按下述步驟進行：①對玻璃基片進行預清洗；②重復3-4遍步驟①，再在真空干燥箱中烘干；③在真空條件下對玻璃基片進行離子束濺射清洗；④在氬氣作為工作氣體的環境下，采用磁控濺射的方法將濺射靶材濺射到玻璃基片表面形成襯體，濺射靶材是二氧化硅、氧化鋁和AZO，襯體是二氧化硅層、氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層。本發明在氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層的共同作用下，實現對入射太陽光的反射、折射和散射，從而提高AZO薄膜的光電性能。
【專利說明】一種高強度多層膜系光電玻璃及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種光電玻璃及制備方法，特別是一種高強度多層膜系光電玻璃及其制備方法。
【背景技術】
[0002]世界范圍內，煤、石油、天然氣等常規能源都是有限的，且正走向日益枯竭，使用這些能源時所帶來的溫室效應、臭氧層破壞、酸雨等一系列環境污染問題，正威脅著人類的生存環境。太陽是一個取之不盡、用之不竭的巨大清潔能源庫，地球上每年所接受的輻射太陽能為1.8X1018kW*h，是人類每年消耗能量的1.2X104倍。因此，利用太陽能發電成為各國競相研究的重點，也是未來解決能源問題的途徑之一。與其它可再生能源相比，太陽能發電不受地域限制，發電過程中無任何廢物、廢氣排出，電池組件工作無任何運轉部件，無任何噪聲，壽命長、可靠性強，資本反饋時間短(I~5年)，而電池組件壽命長(>20年)。
[0003]透明導電薄膜是集光學透明性和導電性于一體的光電材料，具有高的載流子濃度(一般約1020/cm3)，是電的良導體，并且對不同波段的光波具有選擇性，主要表現為:透射可見光，吸收紫外光，反射紅外光。其質量主要體現在膜材的結構、表面形貌、電阻率及對可見光的透射率。透明導電薄膜己廣泛應用于太陽能電池、平板顯示器(包括液晶顯示器IXD、等離子顯示器PDP等)、觸摸屏、(有機)發光二極管(OLED)等器件的透明導電電極以及建筑節能玻璃窗、加熱窗等領域。目前光電器件中應用的透明導電薄膜一般都是透明導電氧化物材料(TCO)。目前，工業化生產的TCO薄膜材料主要是錫摻雜的氧化銦(ΙΤ0)薄膜。由于ITO材料中稀有金屬In的礦藏含量稀少、價格昂貴且具有毒 性，因此廣大學者致力于尋找替代ITO薄膜的新一代透明導電薄膜材料，包括FT0(Sn02:F)、AZ0、GZ0(ZnO: Gd)以及Zn、In、Sn材料的共摻雜體系等。
[0004]據估計地殼中的Zn的含量是132ppm,是金屬In含量(〈0.1ppm)的一千倍以上，同時Al是地殼中含量最高的金屬元素(約占7.54%)，所以AZO薄膜的原材料來源十分豐富。同時ΑΖ0(Ζη0:Α1)與其他透明導電材料體系相比，還具有原材料價格低廉、容易制備、無毒性等優點。摻雜ZnO特別是AZO是作為ITO替代材料的最佳選擇。目前，AZO透明導電薄膜已經在薄膜太陽能電池領域得到實際應用，表明AZO作為ITO的替代材料已經逐步邁入工業化生產階段。盡管目前AZO薄膜仍然無法完全取代ΙΤ0，但是相信隨著研究的深入以及金屬銦供需缺口的進一步加大，AZO薄膜材料將成為下一代透明導電薄膜材料的主力。
[0005]磁控濺射制備AZO薄膜的研究已經有近30年歷史，從最初的實驗室研究到作為薄膜太陽能電池透明電極的實際應用，己經取得了很大的進步。但是AZO薄膜在平板顯示以及觸摸板等應用領域的應用仍然面臨著一些問題，需要進一步的探索和實驗研究。AZO薄膜在實際生產應用中急需解決是AZO薄膜本身的力學性能與膜/基結合強度的問題，不同工藝參數下制備的ZnO薄膜其力學性能會表現出差異性，從而影響其產品性能。為了使AZO薄膜具有更廣闊的應用空間，進一步提高其納米力學性能顯得尤為重要。此外，太陽能薄膜電池要求透明電極具有高透過率、低電阻率等特性，在AZO薄膜表面制備各種凹凸起伏的納米結構，實現對入射太陽光的反射、折射和散射，經多次反射從而增大入射光在電池中的光程，制備適合于薄膜太陽電池應用的納米結構AZO薄膜也是研究和實現高性能薄膜太陽電池的重要前提。。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于，提供一種高強度多層膜系光電玻璃及其制備方法。本發明在氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層的共同作用下，實現對入射太陽光的反射、折射和散射，從而提高AZO薄膜的光電性能。
[0007]本發明的技術方案:一種高強度多層膜系光電玻璃，其特征在于:包括玻璃基片，在玻璃基片上依次設有二氧化硅層、氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層。
[0008]前述的高強度多層膜系光電玻璃中，所述的二氧化硅層2是高純度二氧化硅層。
[0009]實現前述高強度多層膜系光電玻璃的制備方法，其特征在于，按下述步驟進行:
①對玻璃基片進行預清洗；
②重復3-4遍步驟①，再在真空干燥箱中烘干；
③在真空條件下對玻璃基片進行離子束濺射清洗；
④在氬氣作為工作氣體的環境下，采用磁控濺射的方法將濺射靶材濺射到玻璃基片表面形成襯體，濺射靶材是二氧化硅、氧化鋁和ΑΖ0，襯體是二氧化硅層、氧化鋁薄膜層和AZO
薄膜層。
[0010]前述的制備方法中，所述的步驟①中的預清洗是，先用丙酮超聲清洗5分鐘，然后分別用去離子水和酒精超聲波清洗5分鐘。
[0011]前述的制備方法中，所述的步驟④中的濺射靶材置于玻璃基片6cm，在濺射過程中衍射壓強為IPa，衍射時間為120min，衍射功率為140w-300w，襯體溫度為500°C。
[0012]前述的制備方法中，所述的二氧化硅是純度為99.99%的高純度二氧化硅。
[0013]與現有技術相比，本發明最底層的玻璃基片為整個復合薄膜磁控濺射的基板，其上覆蓋一層高純度的二氧化硅薄膜(純度為99.99%)，以保證氧化鋁薄膜與基板的結合強度。然后再在氧化鋁薄膜上覆上一層AZO薄膜。普通玻璃的主要成分為Na2Si03、CaSi03、Si02或Na20*Ca0*6Si02，直接與氧化鋁薄膜結合強度較低，因此需要在玻璃基片上先覆上一層純的二氧化硅薄膜，以保證氧化鋁薄膜與基板的結合強度。氧化鋁薄膜的作用包括兩方面，一是作為AZO薄膜的背表面鈍化膜，加大薄膜的表面積，使得太陽光在AZO薄膜內發生多次反射以此提高太陽光的利 用率；二是為了讓太陽光在AZO薄膜中產生的電子及電動，可以安全的到達電路，而不是像其他技術般太陽光在薄膜中產生電子后雙雙結合掉、使得電路受阻，以此提升光電薄膜的的太陽能轉換效率。AZO薄膜為透明導電薄膜，用以吸收太陽能，并將太陽能轉化為電能。本發明還在沉積薄膜之前，還要在高真空條件下對襯底(玻璃基片)進行離子束濺射清洗，其首要作用是去掉襯底表面的雜質粒子，徹底裸露真實的襯底表面原子；離子轟擊可使襯底表面的原子活化，提高襯底表面原子的極化率，增強薄膜對襯底的附著強度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的結構示意圖；圖2是納米壓痕測試得到的不同濺射功率下AZO薄膜的楊氏模量；
圖3是用原子力顯微鏡掃描得到的功率為225W時AZO薄膜體系表面的三維形貌；
圖4是140w功率下薄膜體系劃痕測試的結果；
圖5是225w功率下薄膜體系劃痕測試的結果；
圖6是300w功率下薄膜體系劃痕測試的結果。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明，但并不作為對本發明限制的依據。
[0016]實施例一種高強度多層膜系光電玻璃，包括玻璃基片I，在玻璃基片I上依次設有二氧化硅層2、氧化鋁薄膜層3和AZO薄膜層4。所述的二氧化硅層2是高純度二氧化硅層。
[0017]實現前述高強度多層膜系光電玻璃的制備方法，按下述步驟進行:
①對玻璃基片進行預清洗；
②重復3-4遍步驟①，再在真空干燥箱中烘干； ③在真空條件下對玻璃基片進行離子束濺射清洗；
④在氬氣作為工作氣體的環境下，采用磁控濺射的方法依次將二氧化硅、氧化鋁和AZO濺射(總稱為濺射靶材)到玻璃基片表面形成二氧化硅層、氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層(襯體)。
[0018]所述的步驟①中的預清洗是，先用丙酮超聲清洗5分鐘，然后分別用去離子水和酒精超聲波清洗5分鐘。
[0019]所述的步驟④中的濺射靶材置于玻璃基片6cm，在濺射過程中衍射壓強為IPa，衍射時間為120min，衍射功率為140w_300w (可以是140w、225w或300w)，襯體溫度為500°C。
[0020]所述的二氧化硅是純度為99.99%的高純度二氧化硅。
[0021]所述AZO材料是鋁摻雜的氧化鋅(ZnO)透明導電玻璃的簡稱。
[0022]本發明還可通過以下方式制備氧化鋁薄膜表面納米結構:氧化鋁經磁控濺射的方法濺射形成的氧化鋁薄膜層浸入高濃度NH4Cl溶液(IOwt.%-15wt.%)2分鐘，然后浸入低濃度NH4C1溶液(2wt.%) 25分鐘可形成氧化鋁薄膜表面納米結構。
[0023]本發明實驗結果如下:
圖2為納米壓痕測試得到的不同濺射功率下AZO薄膜層的楊氏模量，可以看出不同濺射功率下實驗樣品的楊氏模量在25-76GPa之間，完全符合AZO薄膜的力學性能要求。尤其是濺射功率為225W時，薄膜的楊氏模量達到80GPa，具有比較強的抵抗形變能力。
[0024]圖3所示為用原子力顯微鏡掃描得到的功率為225W時AZO薄膜體系表面的三維形貌。可以看出在氧化鋁薄膜層和AZO濺射參數控制的共同作用下，AZO薄膜表面獲得了理想的納米結構。這種AZO薄膜表面凹凸起伏的納米結構實現對入射太陽光的反射、折射和散射，經多次反射增大了入射光在電池中的光程，從而提高AZO薄膜的光電性能。
[0025]圖4、5和6分別為不同功率下薄膜體系劃痕測試的結果。劃痕測試普遍地應用于材料科學和摩擦學領域來表征材料抵抗刻劃和切削的能力，同時直觀地反映出薄膜與基體材料之間的結合強度。可以看出，不同濺射功率下薄膜體系的結合強度在36-48N。在三種濺射功率下薄膜體系都體現出良好的界面結合性能，說明對薄膜體系的結構設計起到了重要的作用。
[0026]綜上所述，基于實驗結果可知，通過本發明提出的多層膜系光電玻璃結構及制備方法，可以制備出具有良好光電性能和力學性能的薄膜光電玻璃。在濺射功率為225W時，薄膜體系的綜合性能達到最優；而在濺射功率為300W時，薄膜體系的結合強度性能達到最優。·
【權利要求】
1.一種高強度多層膜系光電玻璃，其特征在于:包括玻璃基片(1)，在玻璃基片(I)上依次設有二氧化硅層(2 )、氧化鋁薄膜層(3 )和AZO薄膜層(4 )。
2.根據權利要求1所述的高強度多層膜系光電玻璃，其特征在于:所述的二氧化硅層(2)是高純度二氧化硅層。
3.實現前述高強度多層膜系光電玻璃的制備方法，其特征在于，按下述步驟進行: ①對玻璃基片進行預清洗； ②重復3-4遍步驟①，再在真空干燥箱中烘干； ③在真空條件下對玻璃基片進行離子束濺射清洗； ④在氬氣作為工作氣體的環境下，采用磁控濺射的方法將濺射靶材濺射到玻璃基片表面形成襯體，濺射靶材是二氧化硅、氧化鋁和ΑΖ0，襯體是二氧化硅層、氧化鋁薄膜層和AZO薄膜層。
4.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述的步驟①中的預清洗是，先用丙酮超聲清洗5分鐘，然后分別用去離子水和酒精超聲波清洗5分鐘。
5.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述的步驟④中的濺射靶材置于玻璃基片6cm，在濺射過程中衍射壓強為IPa，衍射時間為120min，衍射功率為140w-300w，襯體溫度為500°C。
6.根據權利要求3所述的制備方法，其特征在于:所述的二氧化硅是純度為99.99%的高純度二氧化硅。
【文檔編號】H01L31/052GK103590001SQ201310585460
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月20日 優先權日:2013年11月20日
【發明者】廖寧波, 陳鵬飛 申請人:溫州大學