氧化鋅透明導電薄膜及其應用（簡體書）

《氧化鋅透明導電薄膜及其應用》主要介紹了新型ＺｎＯ基透明導電薄膜和低成本、大面積濕化學法成膜技術；概述了透明導電氧化物薄膜的透明導電機理、材料體系、摻雜策略、制備技術、應用開發及發展趨勢；比較了氣相沉積法與濕化學沉積法的成膜機理；重點論述了溶膠凝膠法、噴霧熱分解法、電沉積法、化學浴沉積法等低成本、大面積制備ＺｎＯ基透明導電薄膜和ＺｎＯ納米線陣列膜的濕化學法可控生長及其應用于太陽能電池。 《氧化鋅透明導電薄膜及其應用》可供從事無機非金屬材料、透明導電氧化物（或透明氧化物半導體）、薄膜太陽能電池、新能源材料與器件等領域的科研人員和技術人員參考，也可供高等學校相關專業的師生參閱。

透明導電氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）薄膜是一類可見光透明的寬帶隙氧化物半導體通過摻雜或其他缺陷化學原理而制備的具有導電性的薄膜材料，主要包括以ZnO、SnO2、In2O3、CdO等為基體的摻雜型或多元氧化物復合的TCO材料體系。近年來，由于p型TCO、透明pn結等的發展，TCO的概念進一步擴展至透明氧化物半導體（Transparent Oxide Semiconductor，TOS），從而發展成為一個新的研究方向——透明電子學（Invisible Circuits），引起學術界和產業界的廣泛興趣。TCO薄膜具有可見光透過率高和電阻率低的特點，同時吸收紫外線，在近紅外區具有高反射率和對微波具有較強的衰減性，被廣泛應用于太陽能電池、平板顯示、特殊功能窗口鍍膜以及其他光電器件領域。目前，對ＴＣＯ薄膜的研究主要集中在以下幾方面：大面積成膜、低成本制備ＴＣＯ薄膜；柔性襯底TCO薄膜；開發新型ＴＣＯ薄膜材料及器件；研究ＴＣＯ薄膜應用中的技術問題。其中，ＺｎＯＴＣＯ薄膜因其具有應用于硅基薄膜太陽能電池中的獨特優勢而備受關注。 本書中主要論述溶膠凝膠法、噴霧熱分解法、電沉積法、化學浴沉積法等濕化學成膜工藝。依據成膜機理與特點，筆者將成膜技術分為氣相沉積法(包括物理氣相沉積法和化學氣相沉積法)與濕化學沉積法(溶膠凝膠法、噴霧熱分解法、電沉積法、化學浴沉積法等）兩大類。國內關于薄膜科學與技術的論著較多，但大多偏重于氣相沉積法鍍膜，而有關濕化學法成膜的論著卻很少。濕化學沉積法（或溶液化學法）鍍膜是一類以溶液為起始材料制備薄膜的技術。與氣相沉積法成膜相比，濕化學法成膜是廉價的方法，無需復雜的真空設備，合成溫度低；無需高純昂貴的靶材，且原材料利用率高；溶液組分容易調整，均勻性好；能夠實現低成本、大面積成膜，因而更有潛力實現規模化生產。缺點是薄膜的結晶性與組織致密化程度較差，因此對其工藝優化或改進也是本書討論的重點。另外，ZｎＯ納米線（或棒）陣列膜作為染料敏化太陽能電池（ＤＳＳＣ）的半導體材料也是近年來的研究熱點；濕化學法是生長ＺｎＯ納米線（或棒）陣列膜的主要方法，具有合成溫度低、易于大面積制備和成本低等優點，而且納米線（或棒）陣列的形貌、長徑比、尺寸和密度分布的可控性好，本書也對此做了較詳細的討論。 本書是編著者及其研究小組在ＴＣＯ薄膜、薄膜太陽能電池、新能源材料與器件等方面所做工作的基礎上，結合國內外關于ＴＣＯ薄膜的最新研究進展與產業化發展動態，主要論述了采用濕化學法制備ＺｎＯＴＣＯ薄膜的基本原理、工藝優化、摻雜策略以及產業化應用等問題，在一定程度上代表了編著者的學術思想和研究方法。

第1章透明導電氧化物薄膜概述1 1 1引言1 1 2太陽光譜基礎知識2 1 2 1太陽常數與大氣質量2 1 2 2太陽光譜分布3 1 3TCO薄膜的透明導電機理4 1 3 1TCO薄膜的透光性4 1 3 2TCO薄膜的導電性6 1 3 3導電性與透光性的關系14 1 4TCO薄膜的材料體系17 1 4 1n型摻雜TCO薄膜18 1 4 2p型摻雜TCO薄膜19 1 4 3多元氧化物復合TCO薄膜21 1 4 4非晶TCO薄膜22 1 5TCO薄膜的應用開發24 1 5 1太陽能電池24 1 5 2透明薄膜晶體管25 1 5 3其他方面的應用27 參考文獻28第2章ZnO TCO薄膜的結構、特性及制備技術31 2 1引言31 2 2ZnO的晶體結構及基本性質31 2 3ZnO的能帶結構34 2 4ZnO TCO薄膜的摻雜策略35 2 4 1化合價36 2 4 2離子半徑37 2 4 3電負性38 2 4 4氧化態、離子外層電子構型38 2 4 5溫度39 2 4 6Madelung能39 2 5ZnO TCO薄膜的制備技術40 2 5 1磁控濺射法41 2 5 2脈沖激光沉積法42 2 5 3電子束蒸發法43 2 5 4金屬有機物化學氣相沉積法44 2 5 5噴霧熱分解法44 2 5 6溶膠 凝膠法45 2 5 7電化學沉積法46 2 5 8水熱法46 2 5 9化學浴沉積法47 2 6ZnO納米線（或棒）陣列膜的可控生長47 2 7柔性襯底ZnO TCO薄膜的開發48 2 7 1柔性襯底材料48 2 7 2柔性 TCO 膜的制備技術49 2 7 3柔性襯底ZnO TCO膜的開發50 2 8絨面ZnO TCO薄膜的開發51 參考文獻52第3章氣相沉積法與濕化學沉積法的成膜機理59 3 1引言59 3 2氣相沉積法的成膜機理60 3 2 1薄膜生長的熱力學原理60 3 2 2氣相沉積法成膜的動力學過程62 3 3溶膠 凝膠法的成膜機理63 3 3 1成核與長大的熱力學原理63 3 3 2成核與長大的動力學解釋65 參考文獻68第4章溶膠 凝膠法制備ZnO基透明導電薄膜70 4 1引言70 4 2Sol gel法制備ZnO薄膜的化學反應原理70 4 3Sol gel法制備ZnO薄膜的工藝控制72 4 3 1溶膠體系72 4 3 2基片處理72 4 3 3鍍膜工藝73 4 3 4熱處理制度74 4 3 5工藝流程74 4 4Sol gel法制備ZnO薄膜的熱分解及晶化過程75 4 4 1TG DSC分析76 4 4 2晶相組成與結構表征79 4 5Al摻雜對ZnO薄膜結構及光電性能的影響83 4 5 1晶相組成與結構表征84 4 5 2光學性能89 4 5 3電學性能93 4 6Al Sc共摻雜對ZnO薄膜結構及光電性能的影響94 4 6 1工藝流程95 4 6 2晶相組成與結構表征96 4 6 3光學性能101 4 6 4電學性能103 4 6 5摻雜機制的解釋104 參考文獻107第5章噴霧熱分解法制備ZnO基透明導電薄膜112 5 1引言112 5 2噴霧熱分解成膜技術的簡介112 5 3噴霧熱分解成膜的原理113 5 4噴霧熱分解成膜的設備與工藝控制115 5 4 1前驅體溶液的配制116 5 4 2霧化過程116 5 4 3蒸發干燥過程121 5 4 4熱分解過程122 5 4 5薄膜的形核與長大過程122 5 5噴霧熱分解法制備致密ZnO基薄膜123 5 6噴霧熱分解法制備ZnO納米線（或棒）陣列膜133 參考文獻139第6章電沉積法制備ZnO基透明導電薄膜142 6 1引言142 6 2電沉積法制備半導體材料的簡介142 6 3陰極還原電沉積ZnO薄膜的原理145 6 3 1陰極還原的電沉積過程145 6 3 2電化學反應原理146 6 4電沉積法制備ZnO基薄膜的工藝控制147 6 4 1電流密度147 6 4 2電沉積溶液148 6 4 3電沉積溫度149 6 4 4攪拌作用149 6 4 5換向電流與電流波形149 6 5電沉積法制備致密ZnO基薄膜150 6 5 1ZnO薄膜的電沉積150 6 5 2摻雜型ZnO薄膜的電沉積158 6 6電沉積法生長ZnO納米線（或棒）陣列膜160 參考文獻169第7章化學浴沉積法制備ZnO基薄膜172 7 1引言172 7 2無電沉積法制備致密ZnO薄膜172 7 3化學浴沉積法生長ZnO納米線（或棒）陣列膜174 參考文獻182第8章染料敏化ZnO納米線（或棒）陣列太陽能電池184 8 1引言184 8 2基于半導體納米線（棒）陣列的太陽能電池184 8 2 1太陽能電池的發展趨勢184 8 2 2太陽能電池的性能表征186 8 2 3基于半導體納米線（或棒）陣列的太陽能電池189 8 3染料敏化ZnO納米線（棒）陣列太陽能電池192 8 3 1染料敏化納米晶太陽能電池的簡介192 8 3 2染料敏化納米晶ZnO太陽能電池的發展歷史195 8 3 3染料敏化納米晶ZnO太陽能電池的器件制作與輸出 特性196 參考文獻204