论文部分内容阅读
铝掺杂氧化锌ZnO:Al（AZO）薄膜具有低电阻率、在可见光范围内的高透光率、耐H离子和H活性原子轰击等性能。这些优异的性能使其有望替代掺锡的氧化铟（ITO）材料成为太阳电池中首选的透明电极材料。β-FeSi2禁带宽度小,吸收系数大,适合做为叠结太阳电池中的底电池材料。这两种材料均有储量丰富,无毒无害的特点,符合第三代太阳电池材料的要求,有着广阔的应用前景。目前,在石英衬底和Si衬底上制备的AZO薄膜已获得接近ITO的光电性能,在Si衬底上也制备出了结晶质量良好的β-FeSi2薄膜。本文着重研究在低成本的钠钙玻璃衬底和有机柔性衬底上制备光电性能优良的AZO薄膜以及在石英衬底上制备结晶质量良好的β-FeSi2薄膜。在此基础上,探索性地制备了石英/AZO/β-FeSi2结构,并分析了其性能。本文中采用射频磁控溅射的方法,以ZnO:Al2O3（98:2 wt%）为靶材,在玻璃和有机柔性衬底上制备了光电性能优异的AZO薄膜。研究了射频磁控溅射工艺参数对AZO薄膜结构性能、电学性能和光学性能的影响。确定了Ar气流量为20sccm,衬底温度为300°C,溅射气压为0.15Pa,溅射功率为150W是获得适用于太阳电池用AZO薄膜的较优参数。这一条件下,在玻璃衬底上制备的920nm厚的AZO薄膜的电阻率为4.35×10-4Ω·cm,载流子浓度为4.61×1020cm-3,载流子迁移率为31.37cm2·V-1·s-1,在400900nm波长范围内,其平均透光率达80.07%。研究了不同Ar气流量条件下制备的AZO样品经过0.5%的HCl腐蚀15s制绒后的表面形貌,发现流量为20sccm条件下制备的AZO薄膜具有最佳的绒面结构。通过在玻璃和AZO薄膜之间加入Al2O3薄膜作为过渡层,阻碍玻璃中的杂质原子向AZO薄膜中扩散。与没有过渡层的AZO薄膜相比,加入3nm Al2O3过渡层的AZO薄膜的透光率无明显降低,电阻率则降低了29.3%,与相同条件下在高纯石英衬底上制备的AZO的电阻率近乎相等。室温下,在有机柔性衬底和玻璃衬底上制备了AZO薄膜,发现靶材溅蚀环深度t对室温沉积的AZO薄膜性能有显著影响。对比研究了t>4.0mm和t<0.5mm情况下,聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）衬底上AZO薄膜的性能。与t<0.5mm时的情况相比,t>4.0mm时AZO薄膜的生长速率更快,薄膜的结晶质量更好,表面更平整,电阻率更低,具有更高的透光率和更宽的光学带隙。在t>4.0mm时,玻璃上制备的AZO薄膜具有更好的结晶质量和光电性能。PEN上制备的AZO薄膜比聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）衬底上生长的结晶性能和电学性能更好。采用射频磁控溅射和离子束溅射制备了Fe/Si多层膜,然后经退火形成了β-FeSi2薄膜。研究了Fe/Si多层膜亚层厚度比对退火后的β-FeSi2薄膜的结晶性能、表面形貌和光学性能的影响。Fe/Si亚层厚度比较大的样品的表面更平整,晶粒尺寸较大,亚层厚度比较小的样品结晶质量更好。在石英衬底上成功制备出了单相的β-FeSi2薄膜,该薄膜具有直接光学带隙结构,光学带隙宽度为0.87eV。用第一性原理结合密度泛函的方法,计算了B掺杂对β-FeSi2能带结构的影响,计算结果表明B优先替代Si原子,使得β-FeSi2的导电类型为p型。根据实验结果,用磁控溅射制备的B掺杂β-FeSi2样品与未掺杂样品相比,表面粗糙度更大。掺杂样品的光学带隙比未掺杂样品的带隙略为减小。电学测量的结果显示薄膜的导电类型为p型,随着掺杂浓度的提高,载流子浓度升高,电阻率和载流子迁移率呈下降趋势。载流子浓度为2.35×1017cm-3时,薄膜具有最高的迁移率为39.04cm2·V-1·s-1;获得的载流子浓度最高为1.16×1019cm-3,此时迁移率为2.08cm2·V-1·s-1。首次在石英衬底上制备了石英/AZO/β-FeSi2结构的薄膜。该结构中的β-FeSi2薄膜的结晶性能比直接在石英衬底上制备的更好。同时,β-FeSi2薄膜保护了AZO薄膜的结构在850°C高温退火后仍保持完好。