叠层透明导电薄膜的制备及其性能研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
透明导电薄膜由于具有高透过率和高导电性而被广泛应用于当代科学与技术的各个领域[1,2]，并成为物理电子学、材料学、半导体光电子学等各种新兴交叉学科的材料基础。但是，在没有发现透明导电氧化物之前，人们认为在自然界中所有导电的物质都是不透明的。直到 1907 年，Badeker[3]打破了人们对导电物质的透明性的传统认识，他发现 CdO 这个材料不仅导电同时还是半透明的。而最初这种透明导电氧化物只是用在飞机的挡风玻璃上。之后，薄膜科学与技术飞速发展，在二十世纪五十年代，人们先后制备出了SnO2基[4]透明导电薄膜和In2O3基透明导电薄膜。为了降低薄膜的成本，在 20 世纪 80 年代，人们开始关注 ZnO基透明导电薄膜。[5]目前，掺杂型的透明导电薄膜的主体材料主要有 In2O3、ZnO、SnO2、Ga2O3、CdO。其中，应用比较广泛的掺杂体系有 ZnO:Al (AZO)、SnO2:F、SnO2:Sb、In2O3:SnO2(ITO)。[6-13]而透明导电薄膜的制备方法可以分为化学镀膜法和物理镀膜法。化学镀膜法主要有等溶胶-凝胶，喷涂热分解，以及各种化学气相沉积；物理镀膜法主要有各种溅射镀膜技术，各种真空蒸发镀膜技术，其中包括离子源辅助的电子束热蒸发镀膜技术。
不同的制备方法各有利弊，比如说喷涂热分解法的制备成本低，但制备出的薄膜的性能不够理想；而目前公认的最佳制备透明导电薄膜的磁控溅射法，虽然其工艺已经非常成熟，并且可以生产商业化的 ITO，但是也存在着成本高，效率低等缺点。目前，除了建筑和节能窗户外，透明导电薄膜主要应用在显示和太阳能电池方面。[1]作为有机光电器件中的电极材料，透明导电薄膜在市场上也有着巨大的需求量。迄今为止，应用最广泛的是 ITO 透明导电薄膜，同时它也是最早应用在有机光电器件当中的透明导电薄膜。[29]但 ITO 中的铟是一种稀有元素，随着对薄膜需求量的增加，铟价格上涨的同时还面临着耗尽的威胁。而且随着科技的快速发展，ITO 透明导电薄膜作为透明电极已经不能满足日新月异的光电器件的发展需求，比如人们希望透明导电薄膜的制备成本可以更低，在作为光电器件的载流子注入电极时，它的功函数是可控的等等。这些要求 ITO 已经不能够满足，因此，研发新型高性能实用化的透明导电薄膜有着重要的意义和价值。近年来报道了一些可作为 ITO 替代品的电极，例如碳纳米管[30-33]、石墨烯[34-37]、导电聚合物[38-40]、金属薄膜[41]、金属纳米线[42-44]，以及金属网格[45]等等。这些电极都有各自的优点和缺点，在光电性质及其稳定性、生产工艺等方面仍面临不少问题需要解决，相信随着研究的不断深入，若干种材料的性能将逐渐完善，并进入实用化阶段。而现阶段研制出新型具有良好光电性能的透明导电薄膜仍是一项巨大的挑战。
二、研究目的和意义
介质/金属/介质(Dielectric/Metal/Dielectric, DMD)叠层透明导电薄膜是新型无铟透明导电薄膜之一，这种导电薄膜可以通过调节金属两侧介质的厚度来调节薄膜的透过率，使其在获得高电导率的同时在可见光区域具有高透过率。而且，这种薄膜的制备工艺简单，不需要加高温，可选择的材料范围也很广，并不仅仅限制于几种材料。[2,46-48]DMD 薄膜虽然有很多优点，但也存在一些需要解决的问题，比如它的导电机理尚不明确，作为电极和相邻的有机层之间还存在一定的界面问题等。这些方面都需要相关研究者做进一步的研究工作。
三、本文研究涉及的主要理论
随着透明导电薄膜的飞速发展，越来越多的新型的透明导电薄膜出现在人们面前，按照薄膜的组成成分和组成结构，我们将透明导电薄膜大致可分为以下几类：透明导电金属薄膜、透明导电氧化物薄膜、叠层透明导电薄膜、聚合物导电薄膜、导电性粒子分散介电体、透明导电化合物薄膜、新型纳米结构导电薄膜。
金属薄膜(如 Au、Cu、Ag、Al 等)由于自由载流子浓度高(1020cm-3以上)，所以它具有很好的导电性。但同时也因为载流子浓度高，金属薄膜是红外光和可见光的反射体，等离子体频率分布在近紫外光区，所以它在可见光区域内透过率不是很好。如果想提高可见光区域的透过率，就需要将金属薄膜做得很薄(<20nm)。金属薄膜厚度在 10 nm 左右时光电性能最好，但薄膜是岛状结构，为了提高薄膜的成膜性，人们在基底上镀一层氧化物，比如 SiO2、Al2O3等，但这样受到杂质和表面效应的影响薄膜的电阻率变大了。因此很难制备出连续的且光电性能良好的金属薄膜。除此之外，金属薄膜易受外界环境的影响，且强度低。总之，金属薄膜的缺点很多，但最突出的优点就是电阻率小。表 1.2 为常见的金属膜的材料性能。
氧化铟是一种白色或淡黄色的物质，它的晶体结构如图 1.1 所示，是立方锰铁矿结构，又叫做稀土氧化物结构，它是由四个 In 原子和六个 O 原子组成的原胞，图中紫色的球代表 In 原子，红色的球代表 O 原子，六个 O 原子位于立方体的顶角，留下两个氧空位，而氧空位是一种点缺陷。一个完整的氧化铟晶胞是由80 个原子组成的，它的结构特别复杂。通过光学实验测量了氧化铟的直接跃迁禁带宽度是在 3.55 eV-3.75 eV，在可见光区域的透过率在 85%左右，此外，In2O3具有较高的施主杂质浓度(>1019cm-3)和霍尔迁移率(>50 cm2·V-1·s-1)。氧化铟光电性能可以通过用高价阳离子或者低价阴离子替位的方法来提高。常见的掺杂元素有 Sn、Mo、F、Ti 等，其中 In2O3: Sn (ITO)的性能最好，已经成为应用最广泛的透明导电薄膜。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
研制出具有良好光电性能的柔性低成本的新型透明电极是一项巨大的挑战。本论文针对这一难题展开了研究，分别用叠层透明导电薄膜制备了高功函数的阳极和低功函数的阴极，并分别以它们为电极成功制备了有机太阳能电池，具体的工作内容如下：
(1) 首次用 NiO 这一材料制备 DMD 叠层结构的透明导电薄膜，研究 Ag 两侧的NiO 厚度对 NiO/Ag/NiO (NAN)薄膜光电性能的影响，同时研究 NAN 薄膜的环境稳定性和温湿度稳定性。此外，用 NAN 作为阳极，PEDOT:PSS 作为阳极界面缓冲层，制备正置结构有机太阳能电池。
(2) 在 PET 上制备高柔韧性、高稳定性的 PET/NAN 柔性电极，并进一步采用紫外臭氧（UVO）辐照方式，显著提高 NAN 电极的功函数。除此之外，分别用 NAN 和 ITO 为阳极，制备柔性太阳能电池，研究以 NAN 和 ITO 为电极的柔性太阳能电池的稳定性。
(3) 用末端离子源辅助的电子束热蒸发方法制备 SnOx/Ag/SnOx(SAS)叠层结构的透明导电薄膜，研究 Ag 两侧的 SnOx厚度对 SAS 薄膜光电性能的影响。除此之外，用 SAS 作为阴极，ZnO 作为阴极界面缓冲层，制备倒置结构的有机太阳能电池。
(4) 首次用超薄 Bi2O3修饰 SAS，制备高性能低功函数叠层透明导电薄膜SnOx/Ag/SnOx/Bi2O3(SASB)。最后，以 SASB 为阴极制备倒置结构的有机太阳能电池。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 4-6
Abstract 6-7
目录 8-11
第1章 绪论 11-37
1.1 课题研究背景及意义 11-12
1.2 透明导电薄膜的分类及特性 12-20
1.2.1 单层透明导电薄膜 13-19
1.2.2 叠层透明导电薄膜 19-20
1.3 界面对叠层透明导电薄膜性能的影响 20-22
1.3.1 界面对叠层透明导电薄膜稳定性的影响 21-22
1.3.2 界面对叠层透明导电薄膜光电性能的影响 22
1.4 透明导电薄膜的应用 22-30
1.5 叠层透明导电薄膜的研究现状 30-34
1.6 本论文的主要工作及创新点 34-37
第2章 新型高性能NiO/Ag/NiO叠层透明导电薄膜的制备及其在有机太阳能电池上的应用 37-65
2.1 引言 37-39
2.2 实验方法 39-41
2.2.1 NAN叠层透明导电薄膜的制备与性能测试 39
2.2.2 以NAN和ITO为阳极的太阳能电池的制备方法与性能测试 39-41
2.3 结果与讨论 41-51
2.3.1 NAN薄膜的光学性能 41-45
2.3.2 NAN薄膜的电学性能及其稳定性 45-48
2.3.3 NAN薄膜的表面形貌 48-49
2.3.4 NAN薄膜在有机太阳能电池中的应用 49-51
2.4 本章小结 51-52
2.5 引言 52-53
2.6 实验方法 53-54
2.7 结果与讨论 54-63
2.8 本章小结 63-65
第3章 叠层透明导电薄膜SnO_x/Ag/SnO_x的制备及其在有机太阳能电池中的应用 65-96
3.1 引言 65
3.2 实验方法 65-67
3.2.1 SAS叠层透明导电薄膜的制备与性能测试 66
3.2.2 以SAS和ITO为阴极的太阳能电池的制备方法与性能测试 66-67
3.3 结果与讨论 67-77
3.3.1 SAS薄膜的光学性能 67-70
3.3.2 SAS薄膜的电学性能 70-72
3.3.3 SAS薄膜的表面形貌 72-73
3.3.4 SAS薄膜在有机太阳能电池中的应用 73-77
3.4 本章小结 77-78
3.5 引言 78-79
3.6 实验方法 79-80
3.6.1 Bi_2O_3界面层以及SASB电极的制备过程及测试方法 79-80
3.6.2 倒置太阳能电池的制备过程 80
3.7 结果与讨论 80-92
3.7.1 Bi_O_3作为阴极界面层在有机太阳能电池中的应用 80-82
3.7.2 SASB 薄膜的光电性能 82-84
3.7.3 SASB的表面形貌 84-86
3.7.4 低功函SASB电极在有机太阳能电池中的应用 86-92
3.8 本章小结 92-93
3.9 总结 93-94
3.10 展望 94-96
参考文献 96-111
在学期间学术成果情况 111-112
指导教师及作者简介 112-113
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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