離子注入ZnTe：O中間帶光伏材料研究

【摘要】：由于中間帶太陽電池因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低且理論效率非常高等優(yōu)點,因此具有很好的發(fā)展前景。實現(xiàn)中間帶的方法一般有量子點、雜質(zhì)摻雜和高失配合金三種?；冖?Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ的高失配合金體系是目前中間帶光伏材料研究的重點,理論和實驗都已經(jīng)證明了ZnTe:O和GaAs:N中間帶的存在,然而相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效率仍然較低,且材料制備成本較高,中間帶電子能帶結(jié)構(gòu)及其載流子動力學過程仍不清楚。本文通過離子注入在ZnTe單晶中引入氧,重點研究了離子注入對樣品結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)的影響,揭示不同退火工藝對中間帶形成的促進作用,并初步解釋了中間帶載流子的動力學過程。論文取得的主要研究成果如下：(1)研究了不同劑量離子注入對材料微觀結(jié)構(gòu)和光學特性的影響。研究發(fā)現(xiàn),適量的氧離子濃度2.5x1018 cm-3會導致晶格常數(shù)變大,減弱電子-LO聲子耦合強度,同時在導帶以下～0.45eV(即～1.8eV)處形成以氧等電子陷阱為主的中間能帶,與能帶非交叉模型計算的結(jié)果非常一致。較高的氧離子濃度2.5×1020 cm-3則使得注入層非晶化,晶體質(zhì)量變差并且中間能帶輻射復合發(fā)光湮滅,同時增強與本征空位復合體相關(guān)的深能級發(fā)光。此外,瞬態(tài)光譜研究表明,中間帶載流子復合動力學過程呈現(xiàn)擴展性指數(shù)衰減特征,主要與晶格紊亂和合金無序引起的局域態(tài)有關(guān)。(2)采用不同激光能量對注入的ZnTe:O樣品進行激光退火處理,重點研究了退火前后材料結(jié)構(gòu)和光學特性的變化。通過雙光子吸收、透射譜及時間分辨光致發(fā)光譜等多種方法證明了離子注入氧成功引入中間帶,并深入分析了中間帶的復合發(fā)光機制。XRD和XPS的結(jié)果表明,激光退火能夠激活注入雜質(zhì),使氧離子從間隙遷移到晶格位置,形成ZnTe:O高失配合金。PL譜中在1.8eV附近出現(xiàn)很強的發(fā)光峰,與BAC模型的結(jié)果非常一致。雙光子吸收實驗直接證明了中間帶的作用,為中間帶的存在提供了有力的證據(jù)。瞬態(tài)光譜分析表明,中間帶載流子復合過程比較復雜,部分電子態(tài)處于擴展態(tài)而大多數(shù)仍處于局域態(tài)。 【關(guān)鍵詞】：離子注入 ZnTe:O高失配合金 中間帶 激光退火 能帶非交叉模型
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TM914.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 中間帶太陽能電池的概念和研究進展10-14
• 1.2 高失配合金太陽電池14-20
• 1.2.1 能帶非交叉模型(Band Anticrossing model)14-17
• 1.2.2 GaAs：N中間帶太陽電池的研究17-19
• 1.2.3 ZnTe：O中間帶太陽電池的研究19-20
• 1.3 論文選題思路和主要內(nèi)容20-22
• 第二章 材料制備及表征方法22-30
• 2.1 離子注入(Ion Implantation)22-23
• 2.2 退火(Annealing)23-24
• 2.3 X射線衍射譜(X-ray diffraction,XRD)24-25
• 2.4 拉曼散射譜(Raman Scattering)25-26
• 2.5 光致發(fā)光譜(Photoluminescence,PL)26-28
• 2.6 X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectrum,XPS)28-29
• 2.7 小結(jié)29-30
• 第三章 離子注入ZnTe：O高失配合金的結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)30-42
• 3.1 引言30
• 3.2 離子注入制備ZnTe：O高失配合金30-31
• 3.3 離子注入對ZnTe：O微觀結(jié)構(gòu)的影響31-35
• 3.4 離子注入對ZnTe：O發(fā)光特性的影響35-39
• 3.5 中間帶載流子動力學過程39-40
• 3.6 小結(jié)40-42
• 第四章 ZnTe：O中間帶光伏材料退火研究42-58
• 4.1 引言42
• 4.2 激光退火對ZnTe：O晶體微觀結(jié)構(gòu)的影響42-45
• 4.3 激光退火對ZnTe：O化學組成和能帶結(jié)構(gòu)的影響45-48
• 4.4 激光退火對ZnTe：O中間帶形成的促進作用48-54
• 4.5 雙光子吸收能量上轉(zhuǎn)換和載流子動力學過程54-56
• 4.6 小結(jié)56-58
• 第五章 總結(jié)與展望58-60
• 致謝60-62
• 參考文獻62-68
• 攻讀碩士期間發(fā)表學術(shù)論文68-69

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