掺氟二氧化锡薄膜光电性能优化的激光表面处理方法及其机理研究

Fluorine-doped tin oxide (FTO) thin films are widely used in thin-film solar cells to meet the requirements of good conductivity, high tansparency and excellent light scattering capacity. Being prepared just by traditional preparation processes of thin films, optimization of photoelectric property of the films is restricted by the process conditions and material properties, which can greatly influenced the applications of FTO films. Since improvement in overall photoelectric property of FTO films that are prepared by traditional preparation processes is limited, advanced laser micro-nano processing technology (including scanning with a mask or a transparent film, controlling by rotation angle or high frequency vibration, and laser annealing) will be adopted to achieve surface treatment of the FTO films. The correlation between surface damage caused by the laser and the formation of the textured structures will be investigated. It is expected to summarize the forming condition, key influence factors and evolution rule of the textured structures, based on which the formation mechanism of the textured structures will be proposed. By measuring and analyzing experimental data, the variation rule of the photoelectric property of the FTO films with processing parameters will be obtained, so as to improve overall photoelectric property of FTO films and lay a solid foundation for their wide applications.

掺氟二氧化锡（FTO）薄膜广泛应用于薄膜太阳能电池领域，主要要求其具有良好导电性、高透光率以及强光散射能力。在传统制薄膜制备工艺中，受工艺条件和薄膜材料自身属性影响，薄膜光电性能的综合优化受到制约，这将极大地影响FTO薄膜的实际应用。本项目针对传统制膜工艺得到的FTO薄膜综合光电性能提升有限的问题，采用先进的激光微纳加工技术（包括掩模扫描法、贴膜扫描法、旋转角度控制法、高频振动控制法及激光退火）对FTO薄膜进行表面处理，探讨激光作用下薄膜表面损伤与微纳绒面结构形成之间的关联，总结归纳FTO薄膜表面绒面结构的形成条件、关键影响因素和演变规律，提出薄膜表面绒面结构的形成机理；通过性能测试和对比分析获得FTO薄膜光电性能随加工参数变化的规律性描述，为提高FTO薄膜综合光电性能、促进其广泛应用奠定基础。

掺氟二氧化锡(FTO)薄膜广泛应用于薄膜太阳能电池领域，但受制于传统制备工艺和材料属性，其存在光电性能有限、难以满足实际应用需要的问题。本项目以商售FTO玻璃为对象，应用先进的激光技术，以解决FTO薄膜表面制绒和退火处理的一些关键问题，获得FTO薄膜光电性能综合优化的技术条件。主要的研究成果包括：（1）搭建了纳秒脉冲激光制绒与表面处理系统，改进了基于实验参数控制的FTO薄膜表面激光直接扫描处理方法，研究了激光作用下薄膜表面吸收特性和烧蚀损伤机理，获得了优化的工艺参数，使薄膜的可见光平均透光率提高7.3%，方块电阻降低1.37 Ω/sq。（2）发展了FTO薄膜表面绒面结构的激光掩模扫描制备方法，获得了微米级凹孔状绒面结构，基于激光烧蚀金属掩模材料的作用还实现了亚微米高分辨率光栅状绒面结构的一步选择性制备，使薄膜的可见光平均透光率提高6.0%，雾度提高6.3%，方块电阻保持稳定。（3）提出了FTO薄膜表面激光贴膜扫描处理方法，利用PET贴膜的缓冲、约束和隔绝空气作用在避免膜层损伤和去除的基础上增强激光退火效果，使薄膜的可见光平均透光率提高5.04%，电阻率降低1.49×10–4 Ω·cm。（4）发展了基于旋转角度的FTO薄膜表面绒面结构控制方法，结合金属Ag层复合和两次激光扫描，实现了栅格状绒面结构的制备，使薄膜的可见光平均透光率提高3.3%，雾度提高5.4%，方块电阻降低3.4 Ω/sq。（5）提出了基于高频振动控制的FTO薄膜表面激光扫描处理方法，研制了相应的实验装置，优化了工艺参数，利用高频振动和激光退火作用提高了薄膜的致密度和晶体质量，使其可见光平均透光率提高4.2%，方块电阻降低0.5 Ω/sq。（6）提出了基于磁场辅助控制的FTO薄膜表面激光扫描处理方法，结合金属Ni层复合和激光直接扫描，同时实现了光栅状绒面结构制备和激光退火处理，利用磁场作用还提高了金属Ni层的致密度，使薄膜的可见光平均透光率提高1.9%，方块电阻降低2.3 Ω/sq。研究结果为透明导电薄膜性能优化及其在太阳能电池产业中的应用奠定了一定的理论和实验基础。

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