日本神奈川科學技術學院(KAST)的長谷川哲也研究團隊，最近發表了利用磊晶原理製作的低電阻TNO(TiO2摻雜Nb)與SnO2透明導電膜，其中TNO的電阻率可到達與ITO同等級的3.6×10-4 Ω-cm，而SnO2的載子遷移率則高達84 cm2/V-s。
一、低電阻TNO薄膜
TNO是在二氧化鈦(TiO2)中摻雜微量的鈮(Nb)，可寫成TiO2:Nb；它的特徵是和氮化物半導體的折射率匹配良好，也具有優良的抗還原性。通常在玻璃基板上以PVD製成的多晶TNO薄膜，其電阻率為5×10-4 ~ 1×10-3Ω-cm，與具有c軸(001)指向的TNO磊晶薄膜(約3×10-4 Ω-cm)相比，有明顯的差異，其原因來自TNO載子(導電電子)的結晶異向性。TNO的導帶是由Ti的異向性軌域3d所構成，與c軸平行方向的載子有效質量約為3.5 m0，大約是與a軸平行方向(約0.6 m0)的6倍大。玻璃基板上的TNO多晶薄膜晶粒為隨機雜亂的指向，因此與(001)指向的磊晶薄膜相比，其載子有效質量非常大，也就是遷移率很低，導致極高的電阻。
反之，如果在玻璃基板上也能做出(001)指向的TNO薄膜，就能大幅降低電阻，研究團隊是以無機奈米薄片(nanosheet)種子層來完成。所謂無機奈米薄片，是在溶液中用陽離子交換將層狀的氧化物膨潤、剝離而獲得的奈米材料，其厚度為1~2 nm，大小為數百nm到數 μm，屬於二維的單晶。如果選擇和TNO晶格(001)面匹配的奈米薄片，當成薄膜成長的種子層，就可以得到磊晶效果，做出(001)指向的低電阻TNO薄膜。這裡選用的種子層是Ca2Nb3O10的奈米薄片，在上面用濺鍍製作TNO薄膜；結果如預期的一樣，得到(001)指向的低電阻TNO薄膜，其電阻率為4×10-4 Ω-cm。
這個方法雖然有效，但是從實用的觀點來看，最好能先在大面積基板上做出緻密堆積的(001)指向奈米薄片，以盡量減少雜亂排列的結晶種子。為了達到這個目的，研究人員採用了三個步驟：(1)在玻璃基板上，以高溫形成局部區域的Anatase型結晶奈米薄片，做為結晶種子，(2)冷卻到室溫後，在表面沉積非晶型的前驅體薄膜，(3)進行後熱處理(post-anneal)，這時奈米薄片結晶種會產生側向成長，使非晶型薄膜轉變為(001)指向的奈米薄片。利用這種方法，最後可以得到極低電阻率(3.6×10-4 Ω-cm)的TNO薄膜，接近磊晶(約3×10-4 Ω-cm)的結果。側向成長的奈米薄片使TNO薄膜有很大的(001)晶粒，降低了載子的晶界散射，因而造就了最後的低電阻。
二、具有高載子遷移率的SnO2薄膜
薄膜太陽電池經常以SnO2薄膜為透明電極。增加電池效率的一個方法，是增加其透明電極的光穿透波長範圍，讓陽光中的紅外光也具有很高的穿透率；將透明電極的載子濃度降低，可以達到這個效果。然而，在不增加透明電極電阻的前提下，由「電阻率反比於載子濃度乘以遷移率之乘積」的關係式可知，這時透明電極必須具有較高的載子遷移率。計算結果顯示，如果要有效利用到1400 nm的紅外光，遷移率必須在80 cm2/V-s以上，而玻璃基板上的SnO2多晶薄膜通常只能到30 cm2/V-s左右。
因為SnO2單晶薄膜的載子遷移率比多晶薄膜高得多，由先前利用奈米薄片種子層製作低電阻TNO薄膜的經驗，研究人員嘗試找出最適合SnO2單晶的種子層材料，最後發現Anatase型TiO2的效果最好。在玻璃基板上形成10 nm厚的Anatase型TiO2種子層之後，以鉭(Ta)或鎢(W)為SnO2的摻雜元素，利用脈衝雷射鍍膜(PLD)的結果，發現SnO2薄膜的載子遷移率比多晶薄膜戲劇性地提高到2~3倍，達到84 cm2/V-s，滿足了前述的要求。
這種高遷移率SnO2薄膜與典型ITO薄膜(遷移率40 cm2/V-s)的穿透光譜比較，如圖所示，其中片電阻值是太陽電池電極要求的10Ω/口，穿透率是包含基板的值。可以看出SnO2在紅外光區的穿透率遠高於ITO，一直到1850 nm都還有70%以上。這個結果顯示，高遷移率SnO2薄膜相當有潛力成為太陽電池電極的新材料。
圖：高遷移率SnO2薄膜與典型ITO薄膜的穿透光譜比較
雖然實用上的大面積成膜是用濺鍍而不是PLD，但是由前面的敘述可以知道，利用種子層的濺鍍是可以改善載子遷移率的。今後的課題是如何像CVD那樣，做出具有凹凸紋理的表面結構以獲得光捕捉(light trapping)的效果。