Zn_(1-x)Mg_xO薄膜和ZnO：Al/Si异质结的制备及光伏特性的研究

【摘要】：ZnO是一种II-Ⅳ族直接带隙宽禁带半导体,掺入Mg形成三元合金Zn1-xMgxO,其禁带宽度会随着Mg含量的变化从3.37eV连续调制到4.0eV。从而可以调节ZnO的发光特性,提高紫外光的发光效率,在半导体激光器、光学带隙工程和薄膜太阳能电池中具有较大的应用潜力。Al掺杂ZnO薄膜是一种新型透明导电薄膜,具有优良的光电特性,来源丰富,无毒,价格低廉,同时具有很高的热稳定性和化学稳定性,是理想的ITO替代材料。广泛应用于气敏传感器、平板显示器以及太阳能电池中。在太阳能电池中的主要应用是作为窗口透明电极,而在硅衬底上直接沉积ZnO:Al薄膜制备ZnO:Al/Si异质结太阳能电池的研究较少,其具有优良的光伏效应,且制作工艺简单,制备温度较低,具有一定的潜在应用价值。 本文采用射频磁控溅射法制备了不同Mg含量的Zn1-xMgxO薄膜,并对Zn0.88Mg0.12O薄膜进行了退火,研究了薄膜样品的结构、形貌和光学性能。此外,在制绒硅衬底上射频溅射ZnO:Al薄膜,制备了ZnO:Al/Si异质结太阳能电池,考察了衬底温度、氧氩比、溅射功率对ZnO:Al薄膜结构、形貌的影响以及对ZnO:Al/Si异质结电池性能的影响,实验过程和结论如下： 1）.ZnO靶材上放置高纯Mg片,运用射频磁控溅射法在普通玻璃上制备了Zn1-xMgxO(x=0.1,0.16,0.18,0.24)薄膜。所有样品均呈ZnO的六角纤锌矿结构,Mg2+有效地替代了Zn2+；样品表面颗粒均匀致密,可见光范围内光透过率达90%左右；随着Mg含量增多,Zn1-xMgxO薄膜的吸收边和紫外发光峰均出现蓝移,实现了对禁带宽度的调节。 2). Zn0.88Mg0.12O薄膜在空气中退火一小时,随退火温度升高,样品晶面间距减小,晶粒长大,结晶质量提高；样品吸收边稍向短波长方向移动,禁带宽度有所增大；紫外发射峰增强,可见光发射峰相对减弱。 3）.在NaOH与无水乙醇摩尔比为1：7,无水乙醇与去离子水的体积比为1：4的混合溶液中,反应温度维持在90℃,反应时间为30min时,制备出的金字塔均匀致密,相邻金字塔之间没有空隙,且单个金字塔的尺寸均在2-10μm之间,绒面结构比较理想。 4）.溅射气体为纯氩气,功率120W,衬底温度分别为室温、200℃.300℃、400℃.500℃时：ZnO:Al薄膜在400℃时C轴择优取向性最好,(002)晶面衍射峰的半高宽最小,表面颗粒均匀致密,大小均在100nm左右,结晶质量最好。随衬底温度升高,Zn0:Al/Si异质结电池的Voc增大,400℃时达最大,500℃时基本保持不变；Isc先增大后减小,500℃时Isc急剧减小。即,400℃时电池性能较优。 5).衬底温度400℃,功率120W,氧氩比分别为：0：20,3：17,5：15,7：13时：ZnO:Al薄膜在纯氩气时的C轴择优取向性最好,(002)品面衍射峰的半高宽最小,表面颗粒较大且均匀致密,结晶质量最好。氧氩比不同,对ZnO:Al/Si异质结电池的Voc影响不大；而随氧氩比增大,Isc迅速变小。即,纯氩气时电池性能较优。 6).衬底温度400℃,溅射气体为纯氩气,功率分别为80W,120W,150W,180W时：ZnO:Al薄膜在120W时的C轴择优取向性最好,表面颗粒均匀致密,结晶质量最好。随溅射功率增大,ZnO:Al/Si异质结电池的Voc变化不大；Isc先增大后减小,120W时达最大。即,120W时电池性能较优。 7).衬底温度为400℃,溅射气体为纯氩气,功率为120W时,ZnO:Al薄膜的结晶质量最好；制备出的ZnO:Al/Si异质结电池的性能也较优。此条件下制备出的最好的电池性能为：开路电压Voc=0.152V；短路电流lsc=2.155mA；最大输出功率为108.8μW；填充因子FF=0.331；转换效率约为1.1%。 【关键词】：Zn_(1-x)Mg_xO ZnO Al/Si异质结 磁控溅射 光伏特性
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN304.055
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-12
• CONTENT12-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 ZnO的结构和性质15-21
• 1.1.1 ZnO的晶体结构15-16
• 1.1.2 ZnO的能带结构16-17
• 1.1.3 ZnO的缺陷及掺杂17-19
• 1.1.4 ZnO的基本性质19-21
• 1.2 太阳能电池概述21-24
• 1.2.1 太阳能电池发展现状21-23
• 1.2.2 太阳能电池分类23-24
• 1.3 本文研究的目的与内容24-26
• 第二章 磁控溅射法制备薄膜及其检测26-35
• 2.1 薄膜的制备26-31
• 2.1.1 磁控溅射法的原理及特点26-29
• 2.1.2 薄膜的制备29-31
• 2.2 薄膜的表征方法31-35
• 2.2.1 X射线衍射(XRD)31-32
• 2.2.2 扫描电子显微镜(SEM)32-33
• 2.2.3 荧光光谱仪33
• 2.2.4 紫外-可见-分光光度计33-35
• 第三章 磁控溅射法制备Zn_(1-x)Mg_xO薄膜及其结构性能的研究35-45
• 3.1 Zn_(1-x)Mg_xO薄膜的制备35
• 3.2 Zn_(1-x)Mg_xO薄膜结构和性能的分析35-40
• 3.2.1 XRD谱及分析35-37
• 3.2.2 SEM图及分析37-38
• 3.2.3 透射光谱及分析38-39
• 3.2.4 光致发光谱及分析39-40
• 3.3 退火对Zn_(1-x)Mg_xO薄膜结构和性能的影响40-44
• 3.3.1 XRD谱及分析40-41
• 3.3.2 SEM图及分析41-42
• 3.3.3 透射光谱及分析42-43
• 3.3.4 光致发光谱及分析43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 ZAO/Si异质结电池的制备45-56
• 4.1 太阳能电池转换机理45-48
• 4.2 太阳能电池性能表征48-51
• 4.3 ZAO/Si异质结电池的制备51-55
• 4.3.1 Si基片绒而的制备51-53
• 4.3.2 溅射n型ZAO薄膜形成p-n结53
• 4.3.3 金属电极的制备53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 ZAO/Si异质结生长条件的优化56-71
• 5.1 衬底温度56-63
• 5.1.1 XRD谱及分析56-57
• 5.1.2 SEM图及分析57-59
• 5.1.3 电池性能分析59-63
• 5.2 氧氩比63-66
• 5.2.1 XRD谱及分析63-64
• 5.2.2 SEM图及分析64-65
• 5.2.3 电池性能分析65-66
• 5.3 溅射功率66-70
• 5.3.1 XRD谱及分析67
• 5.3.2 SEM图及分析67-68
• 5.3.3 电池性能分析68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-74
• 论文创新点73
• 有待进一步开展的工作73-74
• 参考文献74-79
• 攻读硕士期间发表的论文79-81
• 致谢81

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