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Zn_(1-x)Mg_xO薄膜和ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)的制備及光伏特性的研究

來源:論文學(xué)術(shù)網(wǎng)
時間:2024-08-19 04:22:45
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Zn_(1-x)Mg_xO薄膜和ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)的制備及光伏特性的研究【摘要】:ZnO是一種II-Ⅳ族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體,摻入Mg形成三元合金Zn1-xMgxO,其禁帶寬

【摘要】:ZnO是一種II-Ⅳ族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體,摻入Mg形成三元合金Zn1-xMgxO,其禁帶寬度會隨著Mg含量的變化從3.37eV連續(xù)調(diào)制到4.0eV。從而可以調(diào)節(jié)ZnO的發(fā)光特性,提高紫外光的發(fā)光效率,在半導(dǎo)體激光器、光學(xué)帶隙工程和薄膜太陽能電池中具有較大的應(yīng)用潛力。Al摻雜ZnO薄膜是一種新型透明導(dǎo)電薄膜,具有優(yōu)良的光電特性,來源豐富,無毒,價格低廉,同時具有很高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,是理想的ITO替代材料。廣泛應(yīng)用于氣敏傳感器、平板顯示器以及太陽能電池中。在太陽能電池中的主要應(yīng)用是作為窗口透明電極,而在硅襯底上直接沉積ZnO:Al薄膜制備ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池的研究較少,其具有優(yōu)良的光伏效應(yīng),且制作工藝簡單,制備溫度較低,具有一定的潛在應(yīng)用價值。 本文采用射頻磁控濺射法制備了不同Mg含量的Zn1-xMgxO薄膜,并對Zn0.88Mg0.12O薄膜進行了退火,研究了薄膜樣品的結(jié)構(gòu)、形貌和光學(xué)性能。此外,在制絨硅襯底上射頻濺射ZnO:Al薄膜,制備了ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)太陽能電池,考察了襯底溫度、氧氬比、濺射功率對ZnO:Al薄膜結(jié)構(gòu)、形貌的影響以及對ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)電池性能的影響,實驗過程和結(jié)論如下: 1).ZnO靶材上放置高純Mg片,運用射頻磁控濺射法在普通玻璃上制備了Zn1-xMgxO(x=0.1,0.16,0.18,0.24)薄膜。所有樣品均呈ZnO的六角纖鋅礦結(jié)構(gòu),Mg2+有效地替代了Zn2+;樣品表面顆粒均勻致密,可見光范圍內(nèi)光透過率達90%左右;隨著Mg含量增多,Zn1-xMgxO薄膜的吸收邊和紫外發(fā)光峰均出現(xiàn)藍移,實現(xiàn)了對禁帶寬度的調(diào)節(jié)。 2). Zn0.88Mg0.12O薄膜在空氣中退火一小時,隨退火溫度升高,樣品晶面間距減小,晶粒長大,結(jié)晶質(zhì)量提高;樣品吸收邊稍向短波長方向移動,禁帶寬度有所增大;紫外發(fā)射峰增強,可見光發(fā)射峰相對減弱。 3).在NaOH與無水乙醇摩爾比為1:7,無水乙醇與去離子水的體積比為1:4的混合溶液中,反應(yīng)溫度維持在90℃,反應(yīng)時間為30min時,制備出的金字塔均勻致密,相鄰金字塔之間沒有空隙,且單個金字塔的尺寸均在2-10μm之間,絨面結(jié)構(gòu)比較理想。 4).濺射氣體為純氬氣,功率120W,襯底溫度分別為室溫、200℃.300℃、400℃.500℃時:ZnO:Al薄膜在400℃時C軸擇優(yōu)取向性最好,(002)晶面衍射峰的半高寬最小,表面顆粒均勻致密,大小均在100nm左右,結(jié)晶質(zhì)量最好。隨襯底溫度升高,Zn0:Al/Si異質(zhì)結(jié)電池的Voc增大,400℃時達最大,500℃時基本保持不變;Isc先增大后減小,500℃時Isc急劇減小。即,400℃時電池性能較優(yōu)。 5).襯底溫度400℃,功率120W,氧氬比分別為:0:20,3:17,5:15,7:13時:ZnO:Al薄膜在純氬氣時的C軸擇優(yōu)取向性最好,(002)品面衍射峰的半高寬最小,表面顆粒較大且均勻致密,結(jié)晶質(zhì)量最好。氧氬比不同,對ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)電池的Voc影響不大;而隨氧氬比增大,Isc迅速變小。即,純氬氣時電池性能較優(yōu)。 6).襯底溫度400℃,濺射氣體為純氬氣,功率分別為80W,120W,150W,180W時:ZnO:Al薄膜在120W時的C軸擇優(yōu)取向性最好,表面顆粒均勻致密,結(jié)晶質(zhì)量最好。隨濺射功率增大,ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)電池的Voc變化不大;Isc先增大后減小,120W時達最大。即,120W時電池性能較優(yōu)。 7).襯底溫度為400℃,濺射氣體為純氬氣,功率為120W時,ZnO:Al薄膜的結(jié)晶質(zhì)量最好;制備出的ZnO:Al/Si異質(zhì)結(jié)電池的性能也較優(yōu)。此條件下制備出的最好的電池性能為:開路電壓Voc=0.152V;短路電流lsc=2.155mA;最大輸出功率為108.8μW;填充因子FF=0.331;轉(zhuǎn)換效率約為1.1%。 【關(guān)鍵詞】:Zn_(1-x)Mg_xO ZnO Al/Si異質(zhì)結(jié) 磁控濺射 光伏特性
【學(xué)位授予單位】:廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2012
【分類號】:TN304.055
【目錄】:
  • 摘要4-6
  • ABSTRACT6-9
  • 目錄9-12
  • CONTENT12-15
  • 第一章 緒論15-26
  • 1.1 ZnO的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)15-21
  • 1.1.1 ZnO的晶體結(jié)構(gòu)15-16
  • 1.1.2 ZnO的能帶結(jié)構(gòu)16-17
  • 1.1.3 ZnO的缺陷及摻雜17-19
  • 1.1.4 ZnO的基本性質(zhì)19-21
  • 1.2 太陽能電池概述21-24
  • 1.2.1 太陽能電池發(fā)展現(xiàn)狀21-23
  • 1.2.2 太陽能電池分類23-24
  • 1.3 本文研究的目的與內(nèi)容24-26
  • 第二章 磁控濺射法制備薄膜及其檢測26-35
  • 2.1 薄膜的制備26-31
  • 2.1.1 磁控濺射法的原理及特點26-29
  • 2.1.2 薄膜的制備29-31
  • 2.2 薄膜的表征方法31-35
  • 2.2.1 X射線衍射(XRD)31-32
  • 2.2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)32-33
  • 2.2.3 熒光光譜儀33
  • 2.2.4 紫外-可見-分光光度計33-35
  • 第三章 磁控濺射法制備Zn_(1-x)Mg_xO薄膜及其結(jié)構(gòu)性能的研究35-45
  • 3.1 Zn_(1-x)Mg_xO薄膜的制備35
  • 3.2 Zn_(1-x)Mg_xO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的分析35-40
  • 3.2.1 XRD譜及分析35-37
  • 3.2.2 SEM圖及分析37-38
  • 3.2.3 透射光譜及分析38-39
  • 3.2.4 光致發(fā)光譜及分析39-40
  • 3.3 退火對Zn_(1-x)Mg_xO薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響40-44
  • 3.3.1 XRD譜及分析40-41
  • 3.3.2 SEM圖及分析41-42
  • 3.3.3 透射光譜及分析42-43
  • 3.3.4 光致發(fā)光譜及分析43-44
  • 3.4 本章小結(jié)44-45
  • 第四章 ZAO/Si異質(zhì)結(jié)電池的制備45-56
  • 4.1 太陽能電池轉(zhuǎn)換機理45-48
  • 4.2 太陽能電池性能表征48-51
  • 4.3 ZAO/Si異質(zhì)結(jié)電池的制備51-55
  • 4.3.1 Si基片絨而的制備51-53
  • 4.3.2 濺射n型ZAO薄膜形成p-n結(jié)53
  • 4.3.3 金屬電極的制備53-55
  • 4.4 本章小結(jié)55-56
  • 第五章 ZAO/Si異質(zhì)結(jié)生長條件的優(yōu)化56-71
  • 5.1 襯底溫度56-63
  • 5.1.1 XRD譜及分析56-57
  • 5.1.2 SEM圖及分析57-59
  • 5.1.3 電池性能分析59-63
  • 5.2 氧氬比63-66
  • 5.2.1 XRD譜及分析63-64
  • 5.2.2 SEM圖及分析64-65
  • 5.2.3 電池性能分析65-66
  • 5.3 濺射功率66-70
  • 5.3.1 XRD譜及分析67
  • 5.3.2 SEM圖及分析67-68
  • 5.3.3 電池性能分析68-70
  • 5.4 本章小結(jié)70-71
  • 結(jié)論71-74
  • 論文創(chuàng)新點73
  • 有待進一步開展的工作73-74
  • 參考文獻74-79
  • 攻讀碩士期間發(fā)表的論文79-81
  • 致謝81


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