一种高强度多层膜系光电玻璃的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种高强度多层膜系光电玻璃，构成包括玻璃基片（1），在玻璃基片（1）上依次设有二氧化硅层（2）、氧化铝薄膜层（3）和AZO薄膜层（4）。本实用新型在氧化铝薄膜层和AZO薄膜层的共同作用下，实现对入射太阳光的反射、折射和散射，从而提高AZO薄膜的光电性能。
【专利说明】一种高强度多层膜系光电玻璃
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种光电玻璃，特别是一种高强度多层膜系光电玻璃。
【背景技术】
[0002]世界范围内，煤、石油、天然气等常规能源都是有限的，且正走向日益枯竭，使用这些能源时所带来的温室效应、臭氧层破坏、酸雨等一系列环境污染问题，正威胁着人类的生存环境。太阳是一个取之不尽、用之不竭的巨大清洁能源库，地球上每年所接受的辐射太阳能为1.8X1018kW*h，是人类每年消耗能量的1.2X104倍。因此，利用太阳能发电成为各国竞相研究的重点，也是未来解决能源问题的途径之一。与其它可再生能源相比，太阳能发电不受地域限制，发电过程中无任何废物、废气排出，电池组件工作无任何运转部件，无任何噪声，寿命长、可靠性强，资本反馈时间短（I?5年），而电池组件寿命长（>20年）。
[0003]透明导电薄膜是集光学透明性和导电性于一体的光电材料，具有高的载流子浓度(一般约1020/cm3)，是电的良导体，并且对不同波段的光波具有选择性，主要表现为：透射可见光，吸收紫外光，反射红外光。其质量主要体现在膜材的结构、表面形貌、电阻率及对可见光的透射率。透明导电薄膜己广泛应用于太阳能电池、平板显示器（包括液晶显示器IXD、等离子显示器PDP等）、触摸屏、（有机）发光二极管（OLED)等器件的透明导电电极以及建筑节能玻璃窗、加热窗等领域。目前光电器件中应用的透明导电薄膜一般都是透明导电氧化物材料（TCO)。目前，工业化生产的TCO薄膜材料主要是锡掺杂的氧化铟（ΙΤ0)薄膜。由于ITO材料中稀有金属In的矿藏含量稀少、价格昂贵且具有毒性，因此广大学者致力于寻找替代ITO薄膜的新一代透明导电薄膜材料，包括FT0(Sn02:F)、AZ0、GZ0(ZnO: Gd)以及Zn、In、Sn材料的共掺杂体系等。
[0004]据估计地壳中的Zn的含量是132ppm,是金属In含量（〈O. Ippm)的一千倍以上，同时Al是地壳中含量最高的金属元素（约占7. 54%)，所以AZO薄膜的原材料来源十分丰富。同时ΑΖ0(Ζη0:Α1)与其他透明导电材料体系相比，还具有原材料价格低廉、容易制备、无毒性等优点。掺杂ZnO特别是AZO是作为ITO替代材料的最佳选择。目前，AZO透明导电薄膜已经在薄膜太阳能电池领域得到实际应用，表明AZO作为ITO的替代材料已经逐步迈入工业化生产阶段。尽管目前AZO薄膜仍然无法完全取代ΙΤ0，但是相信随着研究的深入以及金属铟供需缺口的进一步加大，AZO薄膜材料将成为下一代透明导电薄膜材料的主力。
[0005]磁控溅射制备AZO薄膜的研究已经有近30年历史，从最初的实验室研究到作为薄膜太阳能电池透明电极的实际应用，己经取得了很大的进步。但是AZO薄膜在平板显示以及触摸板等应用领域的应用仍然面临着一些问题，需要进一步的探索和实验研究。AZO薄膜在实际生产应用中急需解决是AZO薄膜本身的力学性能与膜/基结合强度的问题，不同工艺参数下制备的ZnO薄膜其力学性能会表现出差异性，从而影响其产品性能。为了使AZO薄膜具有更广阔的应用空间，进一步提高其纳米力学性能显得尤为重要。此外，太阳能薄膜电池要求透明电极具有高透过率、低电阻率等特性，在AZO薄膜表面制备各种凹凸起伏的纳米结构，实现对入射太阳光的反射、折射和散射，经多次反射从而增大入射光在电池中的光程，制备适合于薄膜太阳电池应用的纳米结构AZO薄膜也是研究和实现高性能薄膜太阳电池的重要前提。
实用新型内容
[0006]本实用新型的目的在于，提供一种高强度多层膜系光电玻璃。本实用新型在氧化铝薄膜层和AZO薄膜层的共同作用下，实现对入射太阳光的反射、折射和散射，从而提高AZO薄膜的光电性能。
[0007]本实用新型的技术方案：一种高强度多层膜系光电玻璃，其特征在于：包括玻璃基片，在玻璃基片上依次设有二氧化硅层、氧化铝薄膜层和AZO薄膜层。
[0008]前述的高强度多层膜系光电玻璃中，所述的二氧化硅层是高纯度二氧化硅层。
[0009]前述的制备方法中，所述的高纯度二氧化硅是纯度为99. 99%的高纯度二氧化硅。
[0010]实现前述高强度多层膜系光电玻璃的制备方法，其特征在于，按下述步骤进行：[0011 ] ①对玻璃基片进行预清洗；
[0012]②重复3-4遍步骤①，再在真空干燥箱中烘干；
[0013]③在真空条件下对玻璃基片进行离子束溅射清洗；
[0014]④在氩气作为工作气体的环境下，采用磁控溅射的方法将溅射靶材溅射到玻璃基片表面形成衬体，溅射靶材是二氧化硅、氧化铝和ΑΖ0，衬体是二氧化硅层、氧化铝薄膜层和AZO薄膜层。
[0015]前述的制备方法中，所述的步骤①中的预清洗是，先用丙酮超声清洗5分钟，然后分别用去离子水和酒精超声波清洗5分钟。
[0016]前述的制备方法中，所述的步骤④中的溅射靶材置于玻璃基片6cm，在溅射过程中衍射压强为IPa，衍射时间为120min，衍射功率为140w-300w，衬体温度为500°C。
[0017]与现有技术相比，本实用新型最底层的玻璃基片为整个复合薄膜磁控溅射的基板，其上覆盖一层高纯度的二氧化硅薄膜(纯度为99. 99%)，以保证氧化铝薄膜与基板的结合强度。然后再在氧化铝薄膜上覆上一层AZO薄膜。普通玻璃的主要成分为Na2Si03、CaSi03、Si02或Na20*Ca0*6Si02，直接与氧化铝薄膜结合强度较低，因此需要在玻璃基片上先覆上一层纯的二氧化硅薄膜，以保证氧化铝薄膜与基板的结合强度。氧化铝薄膜的作用包括两方面，一是作为AZO薄膜的背表面钝化膜，加大薄膜的表面积，使得太阳光在AZO薄膜内发生多次反射以此提高太阳光的利用率；二是为了让太阳光在AZO薄膜中产生的电子及电动，可以安全的到达电路，而不是像其他技术般太阳光在薄膜中产生电子后双双结合掉、使得电路受阻，以此提升光电薄膜的的太阳能转换效率。AZO薄膜为透明导电薄膜，用以吸收太阳能，并将太阳能转化为电能。本实用新型还在沉积薄膜之前，还要在高真空条件下对衬底(玻璃基片）进行离子束溅射清洗，其首要作用是去掉衬底表面的杂质粒子，彻底裸露真实的衬底表面原子；离子轰击可使衬底表面的原子活化，提高衬底表面原子的极化率，增强薄膜对衬底的附着强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图I是本实用新型的结构示意图；
[0019]图2是纳米压痕测试得到的不同溅射功率下AZO薄膜的杨氏模量；[0020]图3是用原子力显微镜扫描得到的功率为225W时AZO薄膜体系表面的三维形貌；
[0021]图4是140w功率下薄膜体系划痕测试的结果；
[0022]图5是225w功率下薄膜体系划痕测试的结果；
[0023]图6是300w功率下薄膜体系划痕测试的结果。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
[0025]实施例。一种高强度多层膜系光电玻璃，包括玻璃基片I，在玻璃基片I上依次设有二氧化硅层2、氧化铝薄膜层3和AZO薄膜层4。所述的二氧化硅层2是高纯度二氧化硅层。所述的高纯度二氧化硅是纯度为99. 99%的高纯度二氧化硅。
[0026]实现前述高强度多层膜系光电玻璃的制备方法，按下述步骤进行：
[0027]①对玻璃基片进行预清洗；
[0028]②重复3-4遍步骤①，再在真空干燥箱中烘干；
[0029]③在真空条件下对玻璃基片进行离子束溅射清洗；
[0030]④在氩气作为工作气体的环境下，采用磁控溅射的方法依次将二氧化硅、氧化铝和AZO溅射（总称为溅射靶材）到玻璃基片表面形成二氧化硅层、氧化铝薄膜层和AZO薄膜层(衬体)。
[0031]所述的步骤①中的预清洗是，先用丙酮超声清洗5分钟，然后分别用去离子水和酒精超声波清洗5分钟。
[0032]所述的步骤④中的溅射靶材置于玻璃基片6cm，在溅射过程中衍射压强为IPa，衍射时间为120min，衍射功率为140w_300w (可以是140w、225w或300w)，衬体温度为500°C。
[0033]所述的二氧化硅是纯度为99. 99%的高纯度二氧化硅。
[0034]所述AZO材料是铝掺杂的氧化锌（ZnO)透明导电玻璃的简称。
[0035]本实用新型还可通过以下方式制备氧化铝薄膜表面纳米结构：氧化铝经磁控溅射的方法溅射形成的氧化铝薄膜层浸入高浓度NH4Cl溶液（IOwt. %-15wt. %)2分钟，然后浸入低浓度NH4C1溶液（2wt. %) 25分钟可形成氧化铝薄膜表面纳米结构。
[0036]本实用新型实验结果如下：
[0037]图2为纳米压痕测试得到的不同溅射功率下AZO薄膜层的杨氏模量，可以看出不同派射功率下实验样品的杨氏模量在25-76GPa之间，完全符合AZO薄膜的力学性能要求。尤其是溅射功率为225W时，薄膜的杨氏模量达到80GPa，具有比较强的抵抗形变能力。
[0038]图3所示为用原子力显微镜扫描得到的功率为225W时AZO薄膜体系表面的三维形貌。可以看出在氧化铝薄膜层和AZO溅射参数控制的共同作用下，AZO薄膜表面获得了理想的纳米结构。这种AZO薄膜表面凹凸起伏的纳米结构实现对入射太阳光的反射、折射和散射，经多次反射增大了入射光在电池中的光程，从而提高AZO薄膜的光电性能。
[0039]图4、5和6分别为不同功率下薄膜体系划痕测试的结果。划痕测试普遍地应用于材料科学和摩擦学领域来表征材料抵抗刻划和切削的能力，同时直观地反映出薄膜与基体材料之间的结合强度。可以看出，不同溅射功率下薄膜体系的结合强度在36-48N。在三种溅射功率下薄膜体系都体现出良好的界面结合性能，说明对薄膜体系的结构设计起到了重要的作用。
[0040]综上所述，基于实验结果可知，通过本实用新型提出的多层膜系光电玻璃结构及制备方法，可以制备出具有良好光电性能和力学性能的薄膜光电玻璃。在溅射功率为225W时，薄膜体系的综合性能达到最优；而在溅射功率为300W时，薄膜体系的结合强度性能达到最优。
【权利要求】
1.一种高强度多层膜系光电玻璃，其特征在于：包括玻璃基片（1)，在玻璃基片（I)上依次设有二氧化硅层（2 )、氧化铝薄膜层（3 )和AZO薄膜层（4 )。
2.根据权利要求I所述的高强度多层膜系光电玻璃，其特征在于：所述的二氧化硅层.(2)是高纯度二氧化硅层。
【文档编号】H01L31/048GK203553189SQ201320735909
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2013年11月20日
【发明者】陈鹏飞, 廖宁波 申请人:温州大学