离子注入ZnTe：O中间带光伏材料研究

【摘要】：由于中间带太阳电池因具有结构简单、成本低且理论效率非常高等优点,因此具有很好的发展前景。实现中间带的方法一般有量子点、杂质掺杂和高失配合金三种。基于Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ的高失配合金体系是目前中间带光伏材料研究的重点,理论和实验都已经证明了ZnTe:O和GaAs:N中间带的存在,然而相应的光电转换效率仍然较低,且材料制备成本较高,中间带电子能带结构及其载流子动力学过程仍不清楚。本文通过离子注入在ZnTe单晶中引入氧,重点研究了离子注入对样品结构和光学性质的影响,揭示不同退火工艺对中间带形成的促进作用,并初步解释了中间带载流子的动力学过程。论文取得的主要研究成果如下：(1)研究了不同剂量离子注入对材料微观结构和光学特性的影响。研究发现,适量的氧离子浓度2.5x1018 cm-3会导致晶格常数变大,减弱电子-LO声子耦合强度,同时在导带以下～0.45eV(即～1.8eV)处形成以氧等电子陷阱为主的中间能带,与能带非交叉模型计算的结果非常一致。较高的氧离子浓度2.5×1020 cm-3则使得注入层非晶化,晶体质量变差并且中间能带辐射复合发光湮灭,同时增强与本征空位复合体相关的深能级发光。此外,瞬态光谱研究表明,中间带载流子复合动力学过程呈现扩展性指数衰减特征,主要与晶格紊乱和合金无序引起的局域态有关。(2)采用不同激光能量对注入的ZnTe:O样品进行激光退火处理,重点研究了退火前后材料结构和光学特性的变化。通过双光子吸收、透射谱及时间分辨光致发光谱等多种方法证明了离子注入氧成功引入中间带,并深入分析了中间带的复合发光机制。XRD和XPS的结果表明,激光退火能够激活注入杂质,使氧离子从间隙迁移到晶格位置,形成ZnTe:O高失配合金。PL谱中在1.8eV附近出现很强的发光峰,与BAC模型的结果非常一致。双光子吸收实验直接证明了中间带的作用,为中间带的存在提供了有力的证据。瞬态光谱分析表明,中间带载流子复合过程比较复杂,部分电子态处于扩展态而大多数仍处于局域态。 【关键词】：离子注入 ZnTe:O高失配合金 中间带 激光退火 能带非交叉模型
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 中间带太阳能电池的概念和研究进展10-14
• 1.2 高失配合金太阳电池14-20
• 1.2.1 能带非交叉模型(Band Anticrossing model)14-17
• 1.2.2 GaAs：N中间带太阳电池的研究17-19
• 1.2.3 ZnTe：O中间带太阳电池的研究19-20
• 1.3 论文选题思路和主要内容20-22
• 第二章 材料制备及表征方法22-30
• 2.1 离子注入(Ion Implantation)22-23
• 2.2 退火(Annealing)23-24
• 2.3 X射线衍射谱(X-ray diffraction,XRD)24-25
• 2.4 拉曼散射谱(Raman Scattering)25-26
• 2.5 光致发光谱(Photoluminescence,PL)26-28
• 2.6 X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectrum,XPS)28-29
• 2.7 小结29-30
• 第三章 离子注入ZnTe：O高失配合金的结构和光学性质30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 离子注入制备ZnTe：O高失配合金30-31
• 3.3 离子注入对ZnTe：O微观结构的影响31-35
• 3.4 离子注入对ZnTe：O发光特性的影响35-39
• 3.5 中间带载流子动力学过程39-40
• 3.6 小结40-42
• 第四章 ZnTe：O中间带光伏材料退火研究42-58
• 4.1 引言42
• 4.2 激光退火对ZnTe：O晶体微观结构的影响42-45
• 4.3 激光退火对ZnTe：O化学组成和能带结构的影响45-48
• 4.4 激光退火对ZnTe：O中间带形成的促进作用48-54
• 4.5 双光子吸收能量上转换和载流子动力学过程54-56
• 4.6 小结56-58
• 第五章 总结与展望58-60
• 致谢60-62
• 参考文献62-68
• 攻读硕士期间发表学术论文68-69

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