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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。