大面積FTO透明導電薄膜制備技術研究進展*

李建生，劉炳光，王少杰，盧俊鋒，田 茂

（1.天津職業大學生物與環境工程學院，天津300410；2.天津中科化工有限公司）

綜述與專論

大面積FTO透明導電薄膜制備技術研究進展*

李建生1，劉炳光1，王少杰1，盧俊鋒2，田 茂2

（1.天津職業大學生物與環境工程學院，天津300410；2.天津中科化工有限公司）

摻氟氧化錫透明導電（FTO）薄膜由于性價比優勢，已成為薄膜太陽電池的重要原材料，但其導電性能不佳導致商用大面積薄膜太陽電池光電轉換效率只有實驗室小面積薄膜太陽電池效率的40%~60%，提高大面積FTO薄膜的導電性能和降低生產成本成為其廣泛應用的關鍵。介紹了化學氣相沉積法、噴霧熱分解法、磁控濺射法和溶膠-凝膠法制備FTO薄膜的工藝和技術進展。對改進大面積FTO薄膜導電性能的新途徑和國內外研究進展做了綜述。建議重點研究銻磷摻雜FTO薄膜制備技術和重點研究納米銀復合FTO薄膜制備技術，以克服FTO薄膜電阻較大的缺陷，同時保持導電薄膜良好透光性能。

摻氟氧化錫；透明導電薄膜；太陽能電池

透明導電氧化物（TCO）是具有光學透明性和導電性的無機氧化物材料，目前主要用作薄膜太陽電池的透明電極，還應用于液晶顯示屏、光催化和建筑節能等領域，市場需求增長迅速。常見的TCO材料包括氧化銦基、氧化錫基和氧化鋅基3類，其中摻錫氧化銦透明導電薄膜（ITO）和摻氟氧化錫透明導電薄膜（FTO）已商業化應用，其他類型的透明導電材料還處在研究開發階段［1］。通過物理或者化學方法在玻璃基體上均勻鍍上一層TCO薄膜可生產透明導電玻璃；在透明的柔性高分子材料基體上均勻鍍上一層TCO薄膜可生產柔性透明導電薄膜，其市場應用才剛剛起步，在可穿戴電子設備中具有廣泛用途。

ITO透明導電玻璃透光率為90%，導電性能好，表面方塊電阻為1~10 Ω，鍍膜層的附著力、硬度和耐磨性高，激光刻蝕性能良好，缺點是產品價格高和穩定性差，經過高溫處理后表面方塊電阻迅速增大，不適合作為薄膜太陽電池材料推廣應用。FTO透明導電玻璃透光率達80%以上，導電性能較好，因為原料來源廣、生產成本較低、熱穩定性和化學穩定性好、激光刻蝕較容易等特點，有望成為ITO透明導電玻璃的替代產品。

FTO薄膜制備方法主要有化學氣相沉積法、噴霧熱分解法、磁控濺射法和溶膠-凝膠法等，采用不同方法制備的FTO薄膜的微觀結構和光電性質存在很大差異，共同的缺點是導電性能相對較差，表面方塊電阻為10~100 Ω，生產工藝還不成熟。

FTO薄膜成本約占薄膜太陽電池成本的1/3，過高的原材料成本嚴重影響了薄膜太陽電池的應用推廣。FTO薄膜導電性能不理想嚴重影響薄膜太陽電池光電轉換效率，FTO薄膜的內阻效應導致商用大面積薄膜太陽電池光電轉換效率只有實驗室小面積薄膜太陽電池效率的40%~60%。提高FTO薄膜的導電性能和降低生產成本是其應用推廣的關鍵。

鈣鈦礦太陽電池的技術突破將顛覆太陽電池新興產業，刺激和帶動薄膜太陽電池重要原材料的市場發展［2］。筆者綜述了FTO薄膜制備的技術進展，并從理論上總結和分析了改善FTO薄膜導電性能的方法和措施。

1 FTO薄膜制備過程和工藝優化進展

1.1 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法（CVD）是先在超白玻璃基體表面沉積一層納米SiO2薄膜過渡層，以阻滯鈉鈣玻璃基體中的鈉鈣離子在后續高溫熱處理時向導電膜層中遷移，并形成表面減反射結構，再使SnCl4與H2O和O2在高溫下氣相反應生成SnO2氣溶膠，納米SnO2氣溶膠沉積在超白玻璃基體表面，形成氧化錫透明薄膜。因為SnO2透明薄膜本身不導電，所以在SnO2沉積的過程中還需同時通入含氟化合物氣體，使氟原子摻雜到SnO2晶格中，降低氧化錫薄膜表面方塊電阻和增加氧化錫薄膜的透光率。采用CVD法制備FTO薄膜首先需要獲得氣態反應前驅物，在實際生產過程中，錫源和氟源的氣態前驅物制備成本較高，導致FTO薄膜生產成本偏高。

對CVD法的優化改進方法是采用丁基三氯化錫或氧化二丁基錫等有機錫化合物代替四氯化錫作為錫源；采用三氟乙酸、氟代三乙基胺或氟代烷烴等有機氟化合物代替氟化氫作為氟源，從而改善氧化錫透明導電薄膜的摻氟效果。日本旭硝子公司采用分步沉積不摻氟氧化錫和摻氟氧化錫薄膜，免除了沉積SiO2薄膜的前處理過程，改善了FTO透明導電玻璃的綜合性能［3］。

為進一步優化FTO薄膜制備工藝，郎文靜［4］研究了熱處理對FTO薄膜結構和光電性質的影響，研究發現當退火溫度為300℃時，得到了具有最低電阻率和最高可見光透過率的透明導電薄膜樣品，而通常認為450~500℃是最佳退火溫度。為提高薄膜太陽電池的轉換效率和制備高霧度、高透過率的透明導電薄膜玻璃，陳峰等［5］研究了不同水用量對FTO薄膜霧度的影響，通過水用量的調節有效解決了霧度和透過率之間相互影響的難題。N.Noor等［6］研究用異丙醇作為溶劑和空氣作載氣，以氣相沉積法在玻璃上獲得導電性能優異的FTO透明導電薄膜。

1.2 磁控濺射法

磁控濺射法（MP）是先將SnO2和SnF2粉體按一定比例混合，在高溫、高壓下燒結制成濺射靶材，將高真空度磁控濺射室中的玻璃基體預熱到700℃，以高純度氬氣和氧氣作為濺射氣體，用其產生的等離子體轟擊SnO2-SnF2靶材，靶材中分子逃逸出來沉積到玻璃基底表面形成FTO薄膜［7］。MP法能在較低溫下合成性能優良的大面積薄膜，具有良好的工藝穩定性和可重復性，但磁控濺射必需的高溫和高真空制備條件導致生產過程的高能耗和高成本，限制了FTO薄膜產品成本的降低和產業化應用。

1.3 噴霧熱分解法

噴霧熱分解法（SP）首先對超白玻璃基底加溫，在350~600℃的預熱爐中，向玻璃基體表面噴射SnCl4和含氟化合物溶液形成的液霧，隨著溶劑的蒸發，SnCl4和含氟化合物在玻璃基體上進行熱分解反應形成FTO透明導電薄膜。

SP法工藝和設備比較簡單，開展實驗室研究比較容易，能夠獲得低電阻的FTO薄膜，近年來相關研究報道比較多［8-9］?；瘜W噴霧熱分解的反應過程比較復雜，玻璃基體表面溫度、噴霧溫度、載氣流速和噴涂時間是主要控制參數，如果控制不當容易導致玻璃基體的變形和內應力開裂。SP法制備的大面積FTO薄膜性能不夠穩定，生產安全和環境保護問題比較突出，實現產業化應用比較困難。

1.4 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠（sol-sel）法將無機錫鹽或錫酸酯水解形成氧化錫納米溶膠，再加入氟化氫、氟化銨或氟硅酸等含氟化合物形成摻氟氧化錫納米溶膠，將其涂布在超白玻璃基體表面形成凝膠薄膜，經過高溫熱處理使氟原子進入SnO2晶格中，形成FTO薄膜［10］。也可以將含氟氧化錫納米溶膠在100~200℃下進行長時間水熱處理［11］，使氟原子摻雜進入SnO2納米粒子晶格中，再將納米溶膠涂布在玻璃基體表面，加熱固化形成FTO薄膜，從而避免采用高溫反應摻氟，以便能在柔性高分子材料基體上形成透明導電薄膜。溶膠-凝膠法可采用簡單成熟的輥涂鍍膜設備涂布大面積FTO薄膜，該薄膜的熱處理過程和玻璃基體的鋼化過程可同時完成，其生產成本很低，容易實現大批量工業化生產。

采用溶膠-凝膠法制備FTO薄膜，可在較低溫度和溫和條件下操作，能夠方便地調控薄膜的組成和微觀結構，并獲得其他方法無法得到的薄膜結構［12］。該工藝的缺點是形成薄膜的孔隙率高和表面方塊電阻較大，一般為30~100 Ω，不能完全滿足薄膜太陽電池對透明導電薄膜低電阻的要求。Y.C. Goswami等［13］采用超聲波處理摻氟氧化錫納米溶膠結構，形成中空納米管結構，隨著氟摻雜量增加，納米管長度增加，更適合在薄膜太陽能電池中應用。史曉慧等［14］研究發現，采用溶膠-凝膠法制備的摻氟氧化錫粒徑比采用化學氣相沉積法制備的摻氟氧化錫粒徑大2倍，而表面平整、規則和致密的FTO薄膜導電性能更好，FTO薄膜的結構、納米顆粒形狀和大小等均影響導電性能。

2 改進FTO薄膜導電性能的新途徑研究

FTO薄膜具有透明性和導電性兩大基本特性，但其導電性能仍需改進才能滿足大面積太陽能電池不斷提高的技術要求。除了對現有制備工藝條件優化改進外，國內外主要從3條新途徑降低FTO透明導電薄膜方塊電阻。

2.1 多元素摻雜增加FTO薄膜中的載流子濃度

雖然高純度的SnO2薄膜的導電性很差，但可以通過錫元素或氧元素替代方式在其寬禁帶內形成雜質能級而實現良好的導電性。以氟元素部分替代SnO2晶格中的氧元素，O2-被F-取代后，相當于引入額外的電子，中和了一部分空穴，在禁帶中形成施主能級，使得錫的表觀價態下降，成為N型半導體，從而增大了電子載流子濃度。銻元素常見價態為Sb3+和Sb5+，用銻原子部分替代SnO2晶格中的錫原子形成摻銻氧化錫（ATO）。通常Sb5+替代錫原子引入電子載流子實現N型摻雜，當Sb3+替代錫原子后，相當于引入空穴載流子，空穴摻雜在SnO2中可以提高其導電性。

采用氟和銻元素對氧化錫進行共摻雜，可能存在摻雜原子的協同效應，理論上能夠同時增加氧化錫薄膜的電子和空穴載流子濃度，從而大大降低氧化錫薄膜方塊電阻［15］，摻銻FTO導電薄膜方塊電阻只有10~50 Ω。

張衛華等［16］以三氟化銻為摻雜劑、三氟乙酸為酸度調節劑，采用噴霧分解法對氧化錫薄膜進行氟-銻共摻雜，得到了比ATO透明導電薄膜或FTO薄膜擁有更好導電性和透光性的導電薄膜，原因歸結于其具有更高的載流子濃度。

吳紹航等［17］研究氟-鍶共摻雜SnO2薄膜，雖然未能改善FTO薄膜的導電性能，但將摻雜溫度降至300℃，可望實現在柔性高分子材料上制備FTO薄膜。G.Turgut等［18］研究采用噴霧熱分解法制備氟-鎢和氟-釩摻雜氧化錫薄膜，發現在鎢元素摻雜量為2%（物質的量分數）時導電薄膜方塊電阻達到1.12 Ω的最低值，550 nm處的透光率達到94.5%；而釩摻雜FTO薄膜方塊電阻最低為5.15 Ω，摻雜量對薄膜方塊電阻影響很大。

李建生等［19］采用溶膠-凝膠法研究制備氟-銻-磷多元素摻雜氧化錫透明導電薄膜，首先制備了磷摻雜氧化錫鍍膜納米溶膠，將其涂布在玻璃基體表面形成凝膠膜，再在多孔氧化錫薄膜中填充氟化銻溶液，高溫燒結得到氟-銻-磷多元素摻雜的低電阻透明導電薄膜，具有制備工藝簡便和成本低的優點。該方法降低薄膜方塊電阻的技術原理：1）通過降低摻雜氧化錫凝膠薄膜孔隙率形成致密的結晶薄膜；2）發揮氟、銻、磷多元素摻雜的協同效應，進一步增加氧化錫薄膜中的載流子濃度；3）摻雜的磷元素能結合過飽和摻雜的氟元素形成氟磷酸鹽玻璃，使摻雜元素量維持在最佳摻雜濃度范圍內。

2.2 與低電阻金屬納米材料形成復合透明導電薄膜

金、銀、銅、鎳等金屬具有良好的導電性，其電阻率比透明導電氧化物低2個數量級，但只有在金屬薄膜厚度小于20 nm時才具有良好的透光性能，而過薄的金屬納米膜層又往往以島狀形式存在，導致金屬納米薄膜具有很高的電阻和光反射率。將FTO薄膜與低電阻金屬納米薄膜復合是一種降低FTO薄膜方塊電阻的有效途徑。

陳宇等［20］研究在厚度為10~20 nm的銀納米薄膜上涂覆FTO薄膜，得到了低電阻的復合透明導電薄膜，可提高薄膜太陽電池的光電轉換效率。馬輝等［21］針對薄膜太陽電池擴大時FTO透明電極方塊電阻過大問題，采取在FTO薄膜上電鍍金屬鎳網格的方式，使復合導電薄膜表面電阻大大降低，同時保持復合透明導電薄膜的高透光率。

李建生等［22-23］利用銀納米粒子可以在較低溫度下燒結形成導電網絡的特點，在FTO薄膜的孔隙中分別填充可溶性銀鹽溶液和還原劑溶液，原位形成銀納米粒子，進一步燒結形成低電阻的納米銀網，大大降低了復合透明導電膜方塊電阻，具有產業化應用前景。其技術原理：1）FTO薄膜中填充的銀納米粒子自身連成網狀結構，可與FTO透明導電薄膜電阻并聯降低復合導電薄膜電阻；2）FTO薄膜孔隙中形成的納米銀是網格結構，對復合透明導電薄膜的透光性能影響不大。

2.3 與非金屬納米材料形成復合透明導電薄膜

FTO薄膜可與摻錫氧化銦或摻鋁氧化鋅等低電阻透明導電材料形成復合透明導電薄膜，在降低膜層方塊電阻的同時保持高透光率。胡志強等［24］研究制備了低電阻和高透光性的FTO/ITO復合透明導電薄膜，復合透明導電薄膜具有FTO薄膜和ITO薄膜所具有的優異性能，并克服了FTO薄膜電阻較大的缺陷。FTO薄膜在制備過程中還可以摻雜納米碳管和納米導電聚合物形成復合透明導電膜［25］，在降低方塊電阻的同時保持高透光率。

筆者項目組還研究將FTO透明導電材料與透明不導電氧化物Al2O3、ZrO2或SiO2納米粒子燒結，用于制備透明導電多孔薄膜，用作鈣鈦礦太陽電池光吸收層骨架薄膜，可以方便地調控多孔骨架薄膜的孔隙率、透光率和表面方塊電阻。

3 結論和建議

采用溶膠-凝膠法制備FTO薄膜具有工藝和設備簡便、生產成本低、容易擴大和安全環保的優勢，可與現有鍍膜玻璃生產裝置兼容，應加強基礎性研究和應用技術開發工作。多元素摻雜FTO薄膜的導電性能優于未摻雜FTO薄膜，建議重點研究銻、磷多元素填充摻雜FTO薄膜制備技術。

FTO薄膜與低電阻透明材料復合能夠克服FTO薄膜電阻較大缺陷，同時保持導電薄膜良好透光性能。在FTO薄膜中填充低電阻納米銀是降低FTO薄膜電阻簡便易行的技術措施，具有產業化應用前景，值得重點研究開發。

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Research progress on preparation technique of large area FTO transparent conductive films

Li Jiansheng1，Liu Bingguang1，Wang Shaojie1，Lu Junfeng2，Tian Mao2
（1.College of Biological and Environmental Engineering，Tianjin V ocational Institute，Tianjin 300410，China；2.Tianjin Zhongke Chemical Industry Co.，Ltd.）

F-doped tin oxide transparent conductive films（FTO films）have become the important raw materials of thin-film solar cells because of its competitive performance-price ratio.However，the efficiency of energy conversion for commercial large area film solar cells was only 40%~60%value of laboratory small area film solar cells due to poor conductivity of FTO films.Therefore，increasing conductivity and decreasing production cost of FTO transparent conductive films are keys to widely application.The preparation technique and research progress of FTO transparent conductive films with chemical vapor deposition method，spray pyrolysis deposition method，magnetron sputtering method，and sol-gel method was introduced.New routes and progresses at home and abroad to improve conductivity of FTO films were summarized.It was also suggested to mainly study preparation techniques of Sb-P-doped and nano-Ag complex FTO films to solve conductivity problem of FTO films and maintain the good light transmittance.

F-doped tin oxide；transparent conductive film；solar cell

TQ134.32

A

1006-4990（2017）08-0001-04

2017-02-12

李建生（1964— ），碩士，教授級高工，主要從事新能源材料開發與應用，已發表研究論文50多篇，獲得發明專利授權20多項。

天津市科技計劃項目（14JCTPJC00533）。

聯系方式：lijiansheng2001@tom.com