原子層沉積是一種基于氣相前驅(qū)體與襯底表面基團(tuán)間化學(xué)反應(yīng)的薄膜制備技術(shù),其前驅(qū)體交替通入的生長(zhǎng)方式使得產(chǎn)物以原子級(jí)別的厚度被逐層化學(xué)吸附在襯底上。原子層沉積制備的薄膜因此具有致密無(wú)針孔、保型性高、厚度高度可控、成分高度可控等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),原子層沉積制備的封裝薄膜成為解決鈣鈦礦太陽(yáng)能電池在空氣中穩(wěn)定性問(wèn)題的重要方法之一。然而,金屬鹵化物鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的熱解溫度和化學(xué)穩(wěn)定性極低,封裝鈣鈦礦太陽(yáng)能電池過(guò)程中過(guò)高的溫度或活性前驅(qū)體的使用會(huì)導(dǎo)致器件損傷,使性能大幅下降。所以在低溫下通過(guò)原子層沉積制備高性能封裝薄膜至關(guān)重要。本文主要圍繞基于低溫原子層沉積的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池薄膜封裝展開(kāi)研究,從低溫原子層沉積中的反應(yīng)機(jī)制和位阻效應(yīng)著手,提高制備薄膜的封裝性能。最后,在高質(zhì)量低溫原子層沉積薄膜的基礎(chǔ)上,針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)了獨(dú)特的無(wú)損封裝結(jié)構(gòu),首次將等離子增強(qiáng)原子層沉積應(yīng)用于鈣鈦礦電池的薄膜封裝,成功的解決了鈣鈦礦電池的高性能封裝薄膜制備問(wèn)題,未來(lái)有望大幅提高鈣鈦礦光伏器件在空氣中的穩(wěn)定性。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果概括如下:1、基于原位四極桿質(zhì)譜儀測(cè)試與分析,總結(jié)低溫下三甲基鋁和活性前驅(qū)體（氧氣等離子體... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

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有機(jī)發(fā)光器件在60℃/85%RH下隨時(shí)間變化照片[12]。

在傳統(tǒng)光電器件中,玻璃基板與封裝的玻璃蓋板占據(jù)了整體厚度的90%以上。近年來(lái),隨著超薄柔性器件的普及,玻璃蓋板封裝的方法不再適用。在柔性光電器件中,除了有機(jī)成分的使用對(duì)封裝方法的水汽透過(guò)率(water vapor transmittance rate,WVTR)有著很高的需求外,不同的柔性應(yīng)用也需要封裝材料具有相應(yīng)的彎曲半徑[13](如圖1.5(a)所示)。為了解決玻璃蓋板本征彎曲性不足的問(wèn)題,康寧等公司持續(xù)進(jìn)行著超薄柔性玻璃的研發(fā)。但除了彎曲性能難以提升以外,粘連玻璃蓋板時(shí)使用的固化膠也會(huì)成為水汽從側(cè)方滲透的路徑,限制了整個(gè)封裝體系的WVTR(如圖1.5(b)所示)。與之相比,直接在器件上沉積封裝材料避免了固化膠的使用,彎曲半徑與WVTR取決于所生長(zhǎng)材料的性能,當(dāng)前可在微米級(jí)別實(shí)現(xiàn)高性能柔性封裝(如圖1.5(c)所示),因此薄膜封裝逐漸成為柔性光電子器件阻擋水氧侵蝕的首選方案。2011年底,韓國(guó)三星公司收購(gòu)了Vitex System,并購(gòu)買(mǎi)了該公司的Barix薄膜封裝專(zhuān)利,將薄膜封裝技術(shù)率先用于有機(jī)發(fā)光器件(organic light-emitting devices,OLEDs)的屏幕封裝上。如圖1.6所示,Barix薄膜為有機(jī)/無(wú)機(jī)薄膜交疊的封裝結(jié)構(gòu),其中無(wú)機(jī)阻擋層為濺射法生長(zhǎng)的Al2O3薄膜,為封裝的核心層,外界的水汽滲透主要通過(guò)該層阻擋[15]。但無(wú)機(jī)層厚度較薄,當(dāng)薄膜存在針孔,微粒等缺陷時(shí),空氣中的水氧會(huì)通過(guò)缺陷向器件迅速滲透,因此加入有機(jī)層平坦缺陷,將無(wú)機(jī)層做成缺陷去耦合的多個(gè)疊層。Barix薄膜中的有機(jī)層制備流程如下:蒸發(fā)有機(jī)材料前驅(qū)體,通入沉積腔體后在未加熱的襯底上冷凝成均勻膠體,隨后使用紫外光照射膠體,使其固化交聯(lián)形成聚合物薄膜。隨著OLEDs顯示技術(shù)的成熟,Barix薄膜由于工藝復(fù)雜,阻擋性能有限等原因被三星棄用,但其有機(jī)/無(wú)機(jī)薄膜疊層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻成為了薄膜封裝的經(jīng)典結(jié)構(gòu),在工業(yè)和科研領(lǐng)域的后續(xù)研發(fā)中被廣泛使用。

2011年底,韓國(guó)三星公司收購(gòu)了Vitex System,并購(gòu)買(mǎi)了該公司的Barix薄膜封裝專(zhuān)利,將薄膜封裝技術(shù)率先用于有機(jī)發(fā)光器件(organic light-emitting devices,OLEDs)的屏幕封裝上。如圖1.6所示,Barix薄膜為有機(jī)/無(wú)機(jī)薄膜交疊的封裝結(jié)構(gòu),其中無(wú)機(jī)阻擋層為濺射法生長(zhǎng)的Al2O3薄膜,為封裝的核心層,外界的水汽滲透主要通過(guò)該層阻擋[15]。但無(wú)機(jī)層厚度較薄,當(dāng)薄膜存在針孔,微粒等缺陷時(shí),空氣中的水氧會(huì)通過(guò)缺陷向器件迅速滲透,因此加入有機(jī)層平坦缺陷,將無(wú)機(jī)層做成缺陷去耦合的多個(gè)疊層。Barix薄膜中的有機(jī)層制備流程如下:蒸發(fā)有機(jī)材料前驅(qū)體,通入沉積腔體后在未加熱的襯底上冷凝成均勻膠體,隨后使用紫外光照射膠體,使其固化交聯(lián)形成聚合物薄膜。隨著OLEDs顯示技術(shù)的成熟,Barix薄膜由于工藝復(fù)雜,阻擋性能有限等原因被三星棄用,但其有機(jī)/無(wú)機(jī)薄膜疊層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)卻成為了薄膜封裝的經(jīng)典結(jié)構(gòu),在工業(yè)和科研領(lǐng)域的后續(xù)研發(fā)中被廣泛使用。實(shí)驗(yàn)室中有機(jī)層的制備方式主要有旋涂固化,氣相沉積和噴墨打印幾種,通常以性能作為優(yōu)先考慮因素。對(duì)于工業(yè)規(guī)模生產(chǎn),美國(guó)kateeva公司在2014年推出基于噴墨打印的封裝設(shè)備YIELDJet Flex,其原理為在封裝器件上均勻的打印有機(jī)墨滴,在有機(jī)墨滴擴(kuò)散融合后通過(guò)紫外光照射固化成膜,如圖1.7所示。Kateeva的這種噴墨打印封裝設(shè)備實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模均勻制備有機(jī)封裝層,極大的降低了封裝所需時(shí)間和成本,很快得到各屏幕生產(chǎn)公司的認(rèn)可和推廣。


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