ZnO薄膜的制备及光电特性研究

论文摘要

采用溶胶-凝胶法在石英衬底上制备了高度择优取向的ZnO:Al薄膜。结果表明:制备的ZnO:Al薄膜为六角纤锌矿结构,且具有明显的c轴择优取向;Al离子的掺杂浓度和退火温度对薄膜的结构、光电性能有一定的影响,薄膜在可见光区的光透过率为80%-95%;Al的掺杂浓度为1%样品在600℃下空气中退火1小时后,薄膜最低的电阻率为7.5×10-2?·cm。溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜成功应用于单晶硅电池中。与未制膜前相比,制膜后单晶硅电池开路电压VOC提高2%,短路电流ISC提高了4.3%,光电转化效率从12.6%提高到14.3%。利用射频磁控溅射在石英衬底上制备Al掺杂的ZnO薄膜。当Al掺杂浓度为3at%时,薄膜具有好的光电性能。衬底温度为500℃时,制备的薄膜具有最小的电阻率9.4×10-4?·cm。在氢气氛退火后,薄膜最小电阻率下降到5.1×10-4?·cm。薄膜在可见光区的平均透过率超过85%。由于Burstein-Moss效应,薄膜的光学带隙宽度为3.46-3.57eV。ZnO:Al薄膜的光致发光谱中出现位于415nm和439nm的双峰。分析表明,415nm发光峰源于电子在AlZn能级和VZn间的跃迁,而439nm的发光峰是由于电子从Zni能级向价带顶跃迁。利用射频磁控溅射在石英衬底上制备了ZnO:N和ZnO:N-Al薄膜。结果表明,N掺杂的ZnO薄膜失去了单轴择优取向,并且结晶质量变差。拉曼光谱中274, 510, 581和643cm-1振动模是由于N掺杂产生的缺陷引起的。461cm-1处的新的振动模是由于Zn-N产生的局域态振动模。实验中发现,N-Al共掺可以提高461cm-1处的振动模的相对强度。ZnO:N薄膜中位于2.87eV处宽的光致发光峰是由于间隙锌Zni和N相关的缺陷引起的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO 的研究背景
• 1.2 ZnO 的基本性质及应用
• 1.2.1 ZnO 的结构
• 1.2.2 ZnO 的特性
• 1.2.3 ZnO 的应用
• 1.3 ZnO 薄膜的掺杂
• 1.3.1 ZnO 薄膜的n 型掺杂
• 1.3.2 ZnO 薄膜的p 型掺杂
• 1.4 ZnO 薄膜的制备方法
• 1.4.1 溶胶－凝胶法
• 1.4.2 磁控溅射法
• 1.4.3 化学气相沉积法
• 1.4.4 分子束外延法
• 1.4.5 脉冲激光沉积
• 1.5 本文研究思路及内容
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 技术路线
• 第二章 ZnO 薄膜的制备及表征方法
• 2.1 溶胶－凝胶旋涂法
• 2.2 磁控溅射镀膜
• 2.3 表征方法
• 2.3.1 X 射线衍射仪
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.3.3 原子力显微镜
• 2.3.4 紫外可见分光光度计
• 2.3.5 荧光光谱仪
• 2.3.6 拉曼光谱仪
• 2.3.7 四探针
• 2.3.8 霍尔效应测试仪
• 2.3.9 台阶仪
• 第三章 溶胶-凝胶法实验结果与讨论
• 3.1 实验过程
• 3.2 结构分析
• 3.2.1 Al 掺杂对结构的影响
• 3.2.2 退火温度对结构的影响
• 3.3 形貌分析
• 3.4 光透过性分析
• 3.4.1 Al 掺杂对光透过性的影响
• 3.4.2 退火温度对光透光性的影响
• 3.5 电学性能分析
• 3.6 ZnO 减反射层在电池中的应用
• 3.6.1 实验过程
• 3.6.2 结构分析
• 3.6.3 反射率分析
• 3.6.4 单晶硅电池测试
• 3.7 本章小结
• 第四章 磁控溅射法实验结果与讨论
• 4.1 ZnO 薄膜的研究
• 4.1.1 ZnO 薄膜的结构
• 4.1.2 ZnO 薄膜的透光性
• 4.1.4 ZnO 薄膜的光致发光
• 4.2 Al 掺杂ZnO 薄膜的研究
• 4.2.1 Al 掺杂对光电性能的影响
• 4.2.2 溅射功率对光学性能的影响
• 4.2.3 生长温度对 Al3at%薄膜性能的影响
• 4.2.3.1 结构分析
• 4.2.3.2 形貌分析
• 4.2.3.3 电学性能分析
• 4.2.3.4 光透过性分析
• 4.2.3.5 光致发光
• 4.2.4 氢退火对电学性能的影响
• 4.3 N 掺杂ZnO 薄膜的研究
• 4.3.1 结构分析
• 4.3.2 形貌分析
• 4.3.3 拉曼分析
• 4.3.4 光透过性分析
• 4.3.5 光致发光
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间参加科研项目情况