一種飛秒雷射提高摻鋁氧化鋅薄膜光電性能的方法與流程

2024-03-30 18:41:05

本發明屬於功能材料技術領域，具體而言，涉及一種基於電子動態調控飛秒雷射提高摻鋁氧化鋅薄膜光電性能的方法。

背景技術：

隨著光電器件的發展，透明導電氧化物薄膜因其具有良好的導電性,以及在可見光區具有較高的透光性等優點，被廣泛應用於太陽能電池、顯示器、led等光電器件中。目前應用最多的是氧化銦錫(ito)，但是銦元素是稀有元素，存儲量較低，且造價昂貴，摻鋁氧化鋅(azo)由於其原材料容易獲得、製造成本廉價且無毒、在氫等離子體中的穩定性優於ito在氫等離子體中的穩定性等優點，逐漸成為ito的替代品成為新型的透明導電氧化物。

但是通過磁控濺射、原子層沉積、脈衝沉積等手段獲得的摻鋁氧化鋅薄膜存在著晶格缺陷，其晶格距離過大的缺點極大影響了材料的導電性能。針對以上問題，一般的做法是增加薄膜的厚度，但是增加薄膜厚度的同時也會增加材料的方塊電阻，並且隨著薄膜厚度的增加，薄膜表面的反射現象也會增強。

在太陽能電池中，摻鋁氧化鋅表面反射增強會導致過多的光反射，從而降低了光電轉換效率；在led中，由於發光二極體產生的光會首先通過摻鋁氧化鋅薄膜材料，摻鋁氧化鋅材料遠大於空氣折射率，對於未封裝的led裸晶片，其內部產生的光在出射時會在界面處發生全反射現象，從而造成大量的光無法出射，強烈的晶片內全反射導致晶片的外量子效率非常低。

因此，如何解決摻鋁氧化鋅方塊電阻較大、表面反射過強的問題正嚴重困擾著功能材料領域技術人員。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決摻鋁氧化鋅方塊電阻較大、表面反射的問題，提供了一種基於電子動態調控的飛秒雷射提高摻鋁氧化鋅薄膜光電性能的方法，通過實施該方法得到的摻鋁氧化鋅薄膜的材料性質穩定。

本發明的原理是利用飛秒雷射加工系統在摻鋁氧化鋅表面加工出凹坑的表面形貌，凹坑狀的表面形貌可以降低反射率，同時增加光的吸收。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基於電子動態調控的飛秒雷射提高摻鋁氧化鋅薄膜光電性能的方法，基於飛秒雷射微納加工系統，包括以下步驟：

步驟1，將自己製備或市場上可買到的鍍有摻鋁氧化鋅薄膜的材料進行清洗預處理；

步驟2，將鍍有摻鋁氧化鋅薄膜的材料置於飛秒雷射加工系統中，飛秒雷射通過物鏡聚焦到材料表面；

步驟3，調節飛秒雷射的能量、重複頻率以控制摻鋁氧化鋅表面的加工形貌；

步驟4，調節鍍有摻鋁氧化鋅薄膜的材料位移速度，控制相鄰加工區域之間的間距。

有益效果

對比現有技術，本發明具有如下特點：

1.可以修復摻鋁氧化鋅表面缺陷，有效的降低材料方塊電阻，提高其導電性能；

2.本發明中飛秒雷射加工後的區域呈現凹陷形狀，該微納結構可以增加光程差，增強光的吸收，在太陽能電池中可以提高太陽能的光電轉換效率；

3.本發明中的表面凹凸不平的微納結構可以有效的降低薄膜表面的反射率。

附圖說明

構成

本技術：
的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是飛秒雷射加工微納結構的電子顯微鏡圖片。

圖2是飛秒雷射加工微納結構的原子力顯微鏡圖片；

圖3是飛秒雷射加工系統結構組成示意圖。

具體實施方式

下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本發明。下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規方法。

下述實施例中所用的材料均可從商業途徑得到。

實施例：在鍍有600nm厚摻鋁氧化鋅薄膜的玻璃上利用飛秒雷射提高摻鋁氧化鋅薄膜光電性能的方法，基於如圖3所示的飛秒雷射加工系統，該系統包括飛秒雷射器、反射鏡、半波片、衰減片、光快門、物鏡、六維移動平臺、分束鏡、成像裝置和照明燈，加工光路：飛秒雷射器發出的雷射經兩個反射鏡反射後依次經過半波片、衰減片、光快門，然後由分束鏡反射後經物鏡聚焦到材料表面，照明燈發出的照明光經過分束鏡和物鏡照射到材料表面，被材料表面反射後經過物鏡、分束鏡進入成像ccd，包括以下步驟：

一、將選用的摻鋁氧化鋅材料進行預處理，在無水乙醇中分別超聲清洗5分鐘使得材料表面乾淨清潔。

二、將清洗過的摻鋁氧化鋅放置在中心波長為800nm，脈寬為50fs，重複頻率為大於100hz的飛秒雷射加工系統中，飛秒雷射通過10倍物鏡聚焦到材料表面。

三、控制飛秒雷射的能量為0.2μj/脈衝，重複頻率為100hz，平移臺移動速度為500μm/s，在薄膜表面加工出凹坑陣列。

上述製備方法中，在步驟三加工過程中調節飛秒雷射的單脈衝能量和加工脈衝數，可以控制加工出凹坑的孔徑和深度，通過控制平移臺的速度可以控制陣列周期間距。具體而言，單脈衝能量在0.2uj時，微孔的平均孔徑會為5μm；移動速度為500μm/s時加工的微納結構陣列的周期為5μm。

上述製備方法中，在步驟三中同時根據凹坑孔徑的大小修改平移臺移動速度可以製備出緊密無間距的微納結構陣列。

如圖1所示，上述加工後的區域在電子顯微鏡下可以明顯的看到相比未加工區域樣品表面變的光滑，疏鬆的顆粒狀表面消失不見；而旁邊未加工區域表面明顯的可以看到顆粒呈現疏鬆的狀態。同時在原子力顯微鏡下可以看到加工區域呈現出凹坑狀，如圖2所示，將加工的微納結構用傅立葉光譜儀測試其反射率，得到的反射率相比未加工前得到的明顯的降低；通過四探針法測量其方塊電阻，相比未加工前降低了3倍。之所以電阻降低原因在於飛秒雷射與摻鋁氧化鋅作用使其熔化再凝結修復表面晶格缺陷，使表面更光滑，降低電阻。通過改變飛秒雷射能量、脈衝數等參數可以控制摻鋁氧化性表面的修復程度，從而不同程度的降低電阻。

另外，把加工出的微納結構用以製備簡易的太陽能電池，通過測量得到其光電流密度為10.08ma/cm2，相比未加工的平面結構在太陽能電池中產生的光電流密度7.03ma/cm2，大幅提高。通過控制飛秒雷射與摻鋁氧化鋅凹坑之間的間距可以控制電阻和反射率。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。