图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，是采用直流、射频反应磁控共溅射的方法，采用柔性基体；以高纯Ti靶作为磁控直流溅射的阴极，以Mn金属靶为反应磁控溅射射频端阴极，衬底作为阳极，O2为反应气体，Ar为溅射气体，通过调节反应温度、直流和射频端功率、氧气流量和反应时间等参数，来控制Ti和Mn的相对含量和薄膜的厚度，最后再对薄膜进行图案化处理。与现有技术相比，本发明的工艺简单，成本低廉、环境友好、易于实现；不但有效的提高了TiO2纳米薄膜的光吸收强度，而且进一步增强薄膜的光吸收效率，在太阳能电池、光电开关、光电转换以及光存储等方面具有广阔的应用前景。
【专利说明】
图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺
技术领域
[0001]本发明属于太阳能电池制备和环境保护技术领域，具体涉及图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺。
【背景技术】
[0002]据资料报导，传统能源煤、石油和木材等按目前的消耗速度只能维持五十年至一百年。此外，由传统能源的开采与供能所带来的各种污染，也正威胁着人类的生存环境。经济的快速发展和环境负荷日益增加，使开发新能源和治理环境污染成为协调经济社会可持续发展的趋势。自1972年发现氧化钛在紫外光照射下产生氧气和氢气以来，氧化钛作为一种新兴的功能材料，引起了人们的广泛关注，目前，在光催化，染料敏化太阳能电池，光伏发电，传感器等领域均被应用。但氧化钛是一种宽禁带半导体材料，其光学带隙为3.0?
3.2eV，对应太阳光谱中的紫外区(仅占太阳光谱的4% )，无法利用可见光及近红外光区(占太阳辐射总能量的50% )，另外，纯二氧化钛的电导率和迀移率都很低，不利于光生载流子的传输，从而大大限制了氧化钛器件的发展，因此，人们采取了诸如表面修饰、氢化、掺杂等方法来提高氧化钛对可见光的利用率；图案化技术对于现代科学和技术的发展有着重要的意义。据报道，图案化的打02薄膜制成太阳能电池后，其光电转换效率是非图案化薄膜的10倍。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的不足:提供图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0005]图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，制备步骤如下:
[0006]I)清洁柔性基体:将柔性基体分别放在浓度为99.7%的丙酮和无水乙醇中超声漂洗20分钟，吹干后，直接放入直流/射频磁控溅射镀膜设备真空室，在真空度3.0 X 10 3Pa下，离子轰击清洗10分钟，去除基体表面吸附的杂质。
[0007]2)安装靶材:将Ti靶安装于磁控溅射系统的直流靶位，Mn靶安装于磁控溅射系统的射频革E位，调节革E与柔性基体的距离为10?75mm ；
[0008]3)打开栗抽系统，当系统真空抽至1X10 5Pa后，将柔性基体加热至温度200?580°C,向腔室通入20sccm的氩气和8?15sccm的氧气，控制腔室压强为5?1mtorrJt靶材进行辉光清洗；
[0009]4)清洗完成后，调节直流Ti靶的功率为300?380W，射频Mn靶的功率为O?105W，持续溅射3?12小时；沉积完成后，随炉冷却，从真空室将样品取出。
[0010]5)图案化处理:将步骤(4)所制的样品放入含有硫酸铜、硫代硫酸钠、EDTA的前驱体溶液中，调节pH值为I?3，65?85°C沉积两次，每次0.5?Ih ;最后在200?300°C氮气保护下烧结处理，即得一种图案化锰掺杂二氧化钛薄膜。
[0011]所述柔性基体材料为聚酰亚胺基体。
[0012]所述直流/射频磁控溅射镀膜设备的离子源轰击功率为50?150W，工作气氛为Ar,工作真空度为1.0?5.0Pa ；
[0013]所述腔室气压调节至5mtorr，调节直流Ti靶的功率为378W，射频Mn靶的功率为105W，持续溅射3小时。
[0014]所述Ti靶的纯度为99.999%。
[0015]所述Mn靶的纯度为99.999%。
[0016]所述氩气和氧气的纯度均为99.9999%。
[0017]同现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0018]本发明的工艺简单，成本低廉、环境友好、易于实现；同时，柔性基体的使用，使得染料敏化太阳能电池具有可卷叠，重量轻、方便携带的特点，对纳米氧化钛进行Mn离子的掺杂改性及图案化，不但有效的提高了 1102纳米薄膜的光吸收强度，而且进一步增强薄膜的光吸收效率，在太阳能电池、光电开关、光电转换以及光存储等方面具有广阔的应用前景。
【具体实施方式】
[0019]本发明实施方式主要提供图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，为便于很好的理解，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于此。
[0020]实施例1
[0021]图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，制备步骤如下:
[0022]I)清洁柔性基体:将柔性基体分别放在浓度为99.7%的丙酮和无水乙醇中超声漂洗20分钟，吹干后，直接放入直流/射频磁控溅射镀膜设备真空室，在真空度3.0 X 10 3Pa下，离子轰击清洗10分钟，去除基体表面吸附的杂质。
[0023]2)安装靶材:将Ti靶安装于磁控溅射系统的直流靶位，Mn靶安装于磁控溅射系统的射频革E位，调节革E与柔性基体的距离为45mm ；
[0024]3)打开栗抽系统，当系统真空抽至I X 10 5Pa后，将柔性基体加热至温度200°C，向腔室通入20sccm的氩气和8sccm的氧气，控制腔室压强为lOmtorr，对革E材进行辉光清洗；
[0025]4)清洗完成后，调节直流Ti靶的功率为300W，射频Mn靶的功率为105W，持续溅射3小时；沉积完成后，随炉冷却，从真空室将样品取出。
[0026]5)图案化处理:将步骤(4)所制的样品放入含有硫酸铜、硫代硫酸钠、EDTA的前驱体溶液中，调节PH值为1，65°C沉积两次，每次0.5h ;最后在200°C氮气保护下烧结处理，即得一种图案化锰掺杂二氧化钛薄膜。
[0027]所述柔性基体材料为聚酰亚胺基体。
[0028]所述直流/射频磁控溅射镀膜设备的离子源轰击功率为50W，工作气氛为Ar，工作真空度为1.0Pa ;
[0029]所述腔室气压调节至5mtorr，调节直流Ti靶的功率为378W，射频Mn靶的功率为105W，持续溅射3小时。
[0030]所述Ti靶的纯度为99.999% ;所述Mn靶的纯度为99.999% ;所述氩气和氧气的纯度均为99.9999%。
[0031]实施例2
[0032]图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，制备步骤如下:
[0033]I)清洁柔性基体:将柔性基体分别放在浓度为99.7%的丙酮和无水乙醇中超声漂洗20分钟，吹干后，直接放入直流/射频磁控溅射镀膜设备真空室，在真空度3.0 X 10 3Pa下，离子轰击清洗10分钟，去除基体表面吸附的杂质。
[0034]2)安装靶材:将Ti靶安装于磁控溅射系统的直流靶位，Mn靶安装于磁控溅射系统的射频革E位，调节革E与柔性基体的距离为75_ ；
[0035]3)打开栗抽系统，当系统真空抽至IX 10 5Pa后，将柔性基体加热至温度580°C，向腔室通入20sccm的氩气和15sccm的氧气，控制腔室压强为lOmtorr，对革E材进行辉光清洗；
[0036]4)清洗完成后，调节直流Ti靶的功率为380W，射频Mn靶的功率为105W，持续溅射12小时；沉积完成后，随炉冷却，从真空室将样品取出。
[0037]5)图案化处理:将步骤(4)所制的样品放入含有硫酸铜、硫代硫酸钠、EDTA的前驱体溶液中，调节PH值为3，85°C沉积两次，每次Ih ;最后在300°C氮气保护下烧结处理，即得一种图案化锰掺杂二氧化钛薄膜。
[0038]所述柔性基体材料为聚酰亚胺基体。
[0039]所述直流/射频磁控溅射镀膜设备的离子源轰击功率为150W，工作气氛为Ar，工作真空度为5.0Pa ;
[0040]所述腔室气压调节至5mtorr，调节直流Ti靶的功率为378W，射频Mn靶的功率为105W，持续溅射3小时。
[0041]所述Ti靶的纯度为99.999% ;所述Mn靶的纯度为99.999% ;所述氩气和氧气的纯度均为99.9999%。
[0042]与现有技术相比，本发明的工艺简单，成本低廉、环境友好、易于实现；同时，柔性基体的使用，使得染料敏化太阳能电池具有可卷叠，重量轻、方便携带的特点，对纳米氧化钛进行Mn离子的掺杂改性及图案化，不但有效的提高了 T12纳米薄膜的光吸收强度，而且进一步增强薄膜的光吸收效率，在太阳能电池、光电开关、光电转换以及光存储等方面具有广阔的应用前景。
【主权项】
1.图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:制备步骤如下: 1)清洁柔性基体:将柔性基体分别放在浓度为99.7%的丙酮和无水乙醇中超声漂洗20分钟，吹干后，直接放入直流/射频磁控溅射镀膜设备真空室，在真空度3.0X 10 3Pa下，离子轰击清洗10分钟，去除基体表面吸附的杂质； 2)安装靶材:将Ti靶安装于磁控溅射系统的直流靶位，Mn靶安装于磁控溅射系统的射频革El位，调节革E与柔性基体的距离为10?75mm ； 3)打开栗抽系统，当系统真空抽至IX10 5Pa后，将柔性基体加热至温度200?580°C，向腔室通入20sccm的氩气和8?15sccm的氧气，控制腔室压强为5?lOmtorr，对革E材进行辉光清洗； 4)清洗完成后，调节直流Ti靶的功率为300?380W，射频Mn靶的功率为O?105W，持续溅射3?12小时；沉积完成后，随炉冷却，从真空室将样品取出； 5)图案化处理:将步骤(4)所制的样品放入含有硫酸铜、硫代硫酸钠、EDTA的前驱体溶液中，调节pH值为I?3，65?85°C沉积两次，每次0.5?Ih ;最后在200?300°C氮气保护下烧结处理，即得一种图案化锰掺杂二氧化钛薄膜。2.如权利要求1所述图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:所述柔性基体材料为聚酰亚胺基体。3.如权利要求1所述图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:所述直流/射频磁控溅射镀膜设备的离子源轰击功率为50?150W，工作气氛为Ar，工作真空度为1.0 ?5.0Pa04.如权利要求1所述图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:所述腔室气压调节至5mtorr，调节直流Ti靶的功率为378W，射频Mn靶的功率为105W，持续溅射3小时。5.如权利要求1所述图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:所述Ti靶的纯度为99.999%。6.如权利要求1所述图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:所述Mn靶的纯度为99.999%。7.如权利要求1所述图案化锰掺杂二氧化钛薄膜的制备工艺，其特征在于:所述氩气和氧气的纯度均为99.9999%。
【文档编号】C23C14/58GK106065463SQ201410608451
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2014年10月31日 公开号201410608451.3, CN 106065463 A, CN 106065463A, CN 201410608451, CN-A-106065463, CN106065463 A, CN106065463A, CN201410608451, CN201410608451.3
【发明人】张晨光
【申请人】西安伟琪环保科技有限责任公司