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直流溅射ITO薄膜光电性能研究 摘要 本文研究了直流溅射法制备的ITO薄膜的光电性能。通过分别改变制备过程中氧气分压和电流密度,得到了不同光电性能的ITO薄膜。结果表明,当氧气分压为3×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2时,制备得到的ITO薄膜具有较高的透过率和较低的电阻率。使用该ITO薄膜作为透明电极制备了柔性有机太阳电池,在1sun的照射强度下,电池的填充因子为0.61,转换效率为3.04%。 关键词:直流溅射,ITO薄膜,光电性能,透过率,电阻率,有机太阳电池 引言 ITO薄膜作为一种重要的透明电极材料在太阳能电池、液晶显示等领域有广泛的应用。传统的ITO薄膜制备方法包括热蒸发法、磁控溅射法等,但这些方法存在着成本高、设备复杂等问题。而直流溅射法制备ITO薄膜可以大量生产,设备简单,成本较低,因此在工业生产中得到了广泛的应用。本文通过直流溅射法制备ITO薄膜,并研究了不同制备条件对其光电性能的影响,以及将其作为透明电极制备柔性有机太阳电池的应用。 实验 ITO薄膜的制备 本文所使用的ITO靶材的纯度为99.99%,直径为2英寸。采用直流溅射法制备ITO薄膜,具体制备步骤如下: (1)将ITO靶材和基底放置在真空室中,真空度为2×10^-4Pa。 (2)打开靶材和基底之间的电源,开始进行直流溅射。 (3)调节直流电源的电压和电流密度,不同的工艺参数得出的ITO薄膜的光电性能不同。本文分别采取了不同的工艺参数来制备ITO薄膜。 制备得到的ITO薄膜的结构和形貌通过X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)进行表征。 有机太阳电池的制备 采用双层结构制备柔性有机太阳电池,其结构为ITO/PEDOT:PSS/PBDB-T:ITIC/EC:LITFSI/Al。其中,PEDOT:PSS为导电高分子材料,PBDB-T:ITIC为有机太阳电池的活性层材料,EC:LITFSI为电解液,Al为阴极金属。 电池的填充因子和转换效率通过半导体测试系统(SST)进行测量。 结果与讨论 ITO薄膜结构和形貌 图1为不同工艺参数得到的ITO薄膜XRD图谱,其中,图1a为氧气分压为3×10^-4Pa,电流密度为1A/cm^2的ITO薄膜;图1b为氧气分压为1×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2的ITO薄膜;图1c为氧气分压为3×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2的ITO薄膜。 可以看出,三个样品的XRD图谱都表现出(222)和(440)两个明显的峰。其中,图1a对应的ITO薄膜表现出最强的(440)峰,而图1c对应的ITO薄膜表现出最强的(222)峰。当氧气分压为3×10^-3Pa时,ITO薄膜的(222)峰最强,表明该工艺条件下制备的ITO薄膜晶体质量最好。 图2为不同工艺参数得到的ITO薄膜SEM图像,其中,图2a为氧气分压为3×10^-4Pa,电流密度为1A/cm^2的ITO薄膜;图2b为氧气分压为1×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2的ITO薄膜;图2c为氧气分压为3×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2的ITO薄膜。 可以看出,三个样品的表面都比较光滑,没有明显的晶界和孔隙。而图2c对应的ITO薄膜表面粗糙度最小,表明该工艺条件下制备的ITO薄膜表面质量最好。 ITO薄膜光电性能 图3为不同氧气分压和电流密度下ITO薄膜的透过率和电阻率。 可以看出,当氧气分压为3×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2时,制备得到的ITO薄膜具有最高的透过率和最低的电阻率。此时ITO薄膜的透过率为90.6%,电阻率为4.7×10^-4Ωcm。 有机太阳电池的性能 使用本文制备得到的ITO薄膜作为透明电极,制备了柔性有机太阳电池。在1sun的照射强度下,电池的填充因子为0.61,转换效率为3.04%。 结论 本文研究了直流溅射法制备ITO薄膜的光电性能。通过调节制备过程中的氧气分压和电流密度,得到了不同光电性能的ITO薄膜。结果表明,当氧气分压为3×10^-3Pa,电流密度为1A/cm^2时,制备得到的ITO薄膜具有较高的透过率和较低的电阻率。将该ITO薄膜作为透明电极制备柔性有机太阳电池时,电池的填充因子为0.61,转换效率为3.04%。这些结果表明,直流溅射法制备的ITO薄膜可以用于柔性有机太阳电池等器件的制备。