铝掺锌氧化物（AZO）薄膜是薄膜电池中重要的透明导电氧化物（TCO）材料。本文探讨了使用超声波喷涂技术制备AZO薄膜的实验过程，并详细介绍了关键的沉积参数和优化条件。通过调整雾化功率、前驱体流量、载气流量等参数，研究发现可以显著改善AZO薄膜的电气和光学特性。最终，优化的AZO薄膜在透光率和电导率方面表现出色，适合用作薄膜太阳能电池的导电层。
随着对可再生能源需求的增加，薄膜电池因其材料利用率高和制造成本低而备受关注。在众多TCO材料中，铝掺锌氧化物（AZO）因其优良的电学和光学特性，成为替代传统锡掺铟氧化物（ITO）的理想选择。超声波喷涂技术（USP）作为一种低成本、高效率的薄膜沉积方法，为AZO薄膜的制备提供了新的思路。
实验过程
超声波喷涂系统
超声波喷涂系统放置在一个独立的外壳中，配备了抽气装置。喷雾系统的简化如下图所示，该系统由喷嘴、前驱体溶液、用于液体输送的注射泵、超声波发生器和带有温度控制器的基板加热器组成。加热器固定在沿 x 轴移动的工作台上，而喷嘴沿 y 轴移动，以覆盖基板的整个区域。x-y 运动通过使用步进电机驱动器进行控制。首先将溶液雾化，然后将形成的液滴输送到基材上，将其放置在受控温度下的加热器上。氮气用作载气，将液滴直接输送到基材上，工作频率为 120kHz。
前驱体溶液
采用铝氯化物和醋酸锌作为AZO的前驱体，溶剂包括甲醇和水，浓度范围从0.05 M到0.2 M，以获得最佳的沉积速率和材料质量。掺杂比从0%（本征材料）变化到8%，通过调节铝相对于锌的原子百分比以优化薄膜性能。
沉积参数
实验中调整的沉积参数包括：
- 雾化功率：在1.3–1.4 W的狭窄范围内，形成细腻、低粘度的雾。功率过低导致雾化效率低，过高则可能导致气蚀现象。
- 前驱体流量：流量设置在0.05–0.1 ml/s，影响沉积厚度和薄膜质量。
- 载气流量：载气流量设定为6 L/min，以确保液滴有效输送到基底表面。
- 沉积温度：控制在400–500°C，以优化薄膜的电导性，但温度过高 (>500°C) 会导致喷嘴堵塞。
- 退火处理：部分样品在退火过程中使用氩气或氩氢流，以改善薄膜的晶体质量。
实验结果
电气特性
通过对不同沉积参数的优化，研究了薄膜的电气特性。结果表明：
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- 雾化功率：在1.3–1.4 W范围内的雾化功率可以有效提高薄膜质量，低于此范围时雾化不完全，超过此范围则易出现气蚀，导致电气特性变差。
- 掺杂水平：最佳掺杂比为2%。增加掺杂会提高电导率，但掺杂过多会导致杂质散射增加，从而降低载流子迁移率。具体对比显示，掺杂2%的薄膜电阻率为2.5×10-2 Ω·cm，而掺杂4%时电阻率上升至4.0×10-2 Ω·cm。
- 载气流量：通过实验发现，当载气流量为6 L/min时，薄膜的电导率达到最佳状态；而在5 L/min或7 L/min时，薄膜的电导率分别降低了15%和10%。
- 前驱体流量：前驱体流量的优化显示，当流量为0.05 ml/s时，薄膜厚度约为300 nm，电阻率最低；而流量增加到0.1 ml/s时，电阻率升高至3.0×10-2 Ω·cm。
- 温度：在沉积温度为500°C时，薄膜的电导率最高，随着温度降低至400°C，电阻率显著增加。表明高温有助于提高薄膜的电学性能。
光学特性
尽管光学特性未随沉积参数变化显著变化，但透射率与样品厚度直接相关。优化的AZO薄膜在可见光范围内透光率达到80%，而在使用纳米颗粒作为种子层的样品中，透光率提高至85%。此外，使用等离子体处理的样品透光率也显著提高，显示出基底处理对光学特性的影响。
结构特性
薄膜的结构特性通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析。XRD图谱验证了薄膜的六方晶体结构，符合ICDD参考模式。SEM图像显示出在裸玻璃上沉积的AZO样品的晶粒大小约为310 nm，而在种子层上的薄膜则显示出更大的晶粒和更好的表面形态。
实验总结
超声波喷涂技术为AZO薄膜的制备提供了一种有效的方法。通过优化沉积参数，如雾化功率、掺杂水平和沉积温度，可以制备出具有优良电学和光学特性的AZO薄膜，这使其成为薄膜太阳能电池中透明导电层的理想选择。未来的研究将进一步探索其他前驱体和处理工艺，以提升薄膜性能，并实现更大规模的应用。