超声雾化热解喷涂制备SnO2基复合膜及其光电性能研究

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透明导电氧化物(Transparent Conducting Oxides,TCO)薄膜因同时具有可见光波段透明性和导电性而被广泛应用于低辐射玻璃、光伏太阳能电池组件、薄膜电阻、透明电热转化膜和平板显示器等领域。在TCO薄膜中,氟掺杂二氧化锡(Sn O2:F,简称FTO))薄膜具有化学稳定性好、硬度高、良好的导电性能、成本低等众多优点,得到了广泛研究与应用。需要指出的是,FTO薄膜的导电性能和可见光透过性之间是相互抑制的,而在应用于许多光电器件时,良好的光电性能是迫切需要的。如何实现FTO薄膜综合光电性能的提升,在保证FTO薄膜高可见光透过率的同时尽可能的降低其方块电阻,是一项重要的课题。FTO薄膜常见制备方法包括真空蒸镀法、磁控溅射法、脉冲激光沉积法、溶胶凝胶法、原子层外延法、超声雾化热解(USP)法等。相较于其他方法,USP法因其具有装置简单、无需真空环境、工艺参数调控性好、可实现大面积范围沉积、成本低廉等独特优势,引起了研究者广泛关注。如何利用USP法的优势,以更低成本制备出高质量薄膜,是另一项重要课题。本论文采用自制USP薄膜制备系统,开展FTO薄膜生长参数的探索,FTO基双层复合薄膜的复合机理探索及优化制备,并将其应用于电热转化膜领域。具体内容如下:(1)基于USP法制备薄膜沉积原理,设计、装配和调试了一套适合Sn O2基薄膜生长的USP薄膜制备系统。主要解决了雾化片受前驱体溶液污染、雾化输出不稳定、温度控制不精确以及薄膜均匀性差等问题。由该系统所制备的Sn O2基薄膜具有良好的结晶性能和表面平整度,并沿(200)晶面择优高度取向生长。(2)为探索FTO薄膜生长的最佳工艺参数。以Sn Cl4·5H2O和NH4F为混合溶液为前驱体在石英玻璃成功制备多晶FTO薄膜,并研究F掺杂浓度,衬底温度对FTO薄膜结构、形貌以及光电性能的影响,最终我们发现,当n(F):n(Sn)=20 at%,衬底温度为425℃时,薄膜具有最优综合光电性能,其可见光透过率为74.56%,方块电阻为11.03Ω·□-1,性能指数为4.84×10-3Ω-1。(3)采用USP法在FTO膜上制备锑掺杂氧化锡(Sn O2:Sb,简称ATO薄膜),获得了ATO/FTO复合膜。研究ATO膜层厚度对ATO/FTO双层复合膜结构、表面形貌以及光电性能的影响,探讨复合膜复合机理。结果表明,随着顶膜ATO薄膜厚度增加,复合膜结晶性能增强,晶粒增大,分布也更加均匀,方块电阻先减小后逐渐趋于平缓,可见光平均透过率则先增大后减小。综合来看,当顶膜ATO膜层厚度为860nm时,复合膜具有最佳光电性能,其透过率为76.2%,方块电阻为4.75Ω·□-1,性能指数达到8.56×10-3Ω-1。(4)为研究FTO与ATO/FTO复合膜的电热性能,对薄膜进行0-20 V电加热实验。结果显示,FTO薄膜的平均升温时间为108.50s,发热效率为3.66×10-4 W/(℃·mm~2),20 V外加电压下达到的最高发热温度为265.7℃。当ATO膜层厚度为860 nm时,复合膜的升温时间缩短至74.32 s,发热效率提升为3.04×10-4 W/(℃·mm~2),20 V电压下最高平衡温度达到440℃。(5)为探究薄膜的高温热稳定性,对FTO与ATO/FTO复合膜在20 V外加电压下进行15次热循环测试实验。FTO薄膜在循环测试后出现“老化”现象,所能达到的最高平衡温度为265.7℃,最低平衡温度为239.0℃,温度变化幅度超过10.05%。对于复合膜而言,顶层ATO薄膜具有很好的高温热稳定性,可以对复合膜起到较好的保护作用,对顶膜ATO膜层厚度为860 nm的ATO/FTO复合膜样品进行相同条件下的热循环测试,结果表明,复合膜在热循环测试过程中最高平衡温度443.6℃,最低平衡温度为429.3℃,温度变化幅度保持在3.3%以内,具有更好的电热稳定性能。
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