射频磁控溅射沉积氧化锌薄膜的激光辐照改性研究及其在光伏器件中的应用

为解决传统热退火工艺效率低、成本高且易造成环境污染等问题，研究人员采用CO2激光辐照技术对射频磁控溅射（RF magnetron sputtering）制备的氧化锌（ZnO）薄膜进行改性。研究发现，激光处理可诱导薄膜形成(002)晶面择优取向的纤锌矿结构，降低表面粗糙度并激活B1high-B1low拉曼模式，同时将可见光区透过率提升至3.25-3.28 eV带隙范围。该研究为太阳能电池窗口层材料提供了一种高效环保的制备新策略。

　　

在太阳能电池技术领域，氧化锌（ZnO）薄膜因其宽禁带（3.3 eV）和高激子结合能（60 meV）特性成为理想的窗口层材料。然而，传统热退火工艺需高温长时处理，易导致薄膜剥离、氧化及透光率下降，且掺杂改性常伴随毒性与高成本问题。针对这些挑战，墨西哥国家材料研究中心（CIMAV）的研究团队创新性地采用连续波CO₂激光辐照技术，在常温常压下对射频磁控溅射制备的ZnO薄膜进行快速改性，相关成果发表于《Thin Solid Films》。

研究团队通过X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）等技术系统分析了激光功率（4W，266 W/cm²）和扫描速度（2.5 mm/s）对薄膜性能的影响。关键技术包括：射频磁控溅射沉积ZnO薄膜、CO₂激光辐照处理（波长10.6 μm）、XRD晶体结构分析、表面形貌表征（SEM/AFM）及紫外-可见光谱测试。

晶体结构（XRD）
激光处理使多晶ZnO薄膜转变为(002)晶面择优取向的纤锌矿结构，晶粒尺寸从26.4 nm增大至35.2 nm，微观应变降低0.15%，表明激光诱导了晶格重组。

表面形貌与光学性能
AFM显示激光辐照形成微凸起结构，表面粗糙度从3.21 nm降至1.89 nm；透过率测试表明薄膜在可见光区保持高透明性，带隙值稳定在3.25-3.28 eV。

光电响应机制
拉曼光谱首次观察到B1_high-B1_low振动模式激活，证实激光通过激发晶格振动（非紫外吸收）实现局部加热，避免了传统退火的整体热应力问题。

该研究证实CO₂激光辐照可在30秒内完成ZnO薄膜改性，较传统退火效率提升120倍。通过精准控制功率密度（<2225 W/cm²）避免薄膜损伤，为光伏器件窗口层提供了一种低成本、环保的制备方案。第一作者A. Collado-Hernández指出，该方法可扩展至其他透明导电氧化物（TCO）薄膜的加工领域，对推动绿色能源技术发展具有重要意义。