ZnO/p-Si异质结制备优化及光电性能研究

摘要

ZnO是直接带隙宽禁带半导体材料，在p型单晶硅上沉积一层ZnO薄膜形成异质结太阳能电池可以与Si形成窗口效应，分别吸收不同波长段的光子，更有效地利用太阳能光谱，同时由于氧化锌的可见光透过率高，而硅的主要吸收光正好为可见光，导致可以更好的互不影响地对光的吸收与转换，理论上可以获得比硅电池更高的转换效率。ZnO还具有原料丰富、价格便宜、生长温度低、可见光透过率高、无毒无污染、热稳定性和化学稳定性好、易刻蚀且可与已发展非常成熟的硅微电子集成工艺相容等优点，被广泛应用于太阳能电池、透明电极、光波导器件、液晶显示和窗口材料等
　　 本文使用射频磁控溅射法在单晶硅衬底上制备ZnO薄膜，并制备面栅形电极和背电极制备成简易太阳能电池，尤其关注ZnO薄膜膜厚、衬底加热温度和退火温度等三个敏感和关键工艺，研究薄膜的结构与各项光电性能得出ZnO薄膜膜厚、衬底加热温度和退火温度对异质结太阳能电池光电转换性能的影响，得出结论如下:
　　 1)在适当的膜厚范围内，随着膜厚的增加，在氧化锌本征吸收的小于380nm波长段的光的吸收增多，而400nm-800nm波长段的光吸收减少。
　　 2)若ZnO薄膜过薄或过厚，电池的短路电流均会降低，量子效率与光电转换效率也会降低。
　　 3)镀膜时间在30min的膜厚为153.0nm的样品最适中，电池性能也最好，开路电压为114mV，短路电流为203.3μA，最大功率为5662nW，转换效率为0.12％。
　　 4)衬底温度的增加，薄膜样品的电阻率逐渐降低，透光率逐渐增大;而薄膜的表面粗糙度和颗粒尺寸先增大后减小。太阳电池的量子效率与电池性能均为先增大后减少，峰值在衬底温度为350℃的样品。
　　 5)衬底温度为350℃的样品的薄膜样品的表面平整度最好，结构最完整，所得的电池的量子效率与电池性能也最好，短路电流为515.3μA，开路电压为270mV，最大功率为28.3μW，转换效率为0.58％。
　　 6)已退火的样品在薄膜质量、光透过率、量子效率与电池性能等方面上均比未退火的样品性能要好，说明退火能有效的提高薄膜质量以及样品的光电性能。
　　 7)随着退火温度的增加，薄膜样品的晶粒尺寸逐渐增大，c轴择优取向生长性先变优再减弱，粗糙度先减少再稍微增大，光透过率先增大后减少，异质结太阳能电池的量子效率与电池性能也先变好再减弱。
　　 8)退火温度为400℃的样品的结构最完整，缺陷最少，光透过率最高，光电转换性能也最好，短路电流为1589.0μA，开路电压为194mV，填充因子为0.245，最大功率为75.57μW，转换效率为1.54％，远大于未退火样品的性能。

目录

摘要

CONTENT

第一章 绪论

1．1 ZnO的结构与基本性质

1．1．1 ZnO的晶体结构

1．1．2 ZnO的能带结构

1．1．3 ZnO的缺陷

1．1．4 ZnO薄膜的光电学性质

1．2 太阳能电池

1．2．1 太阳能电池发展综述

1．2．2 ZnO／p-Si异质结太阳能电池发展现状

1．3 本文研究的目的与内容

第二章 ZnO／p-Si异质结太阳电池的制备方法与表征

2．1 ZnO／p-Si异质结太阳能电池的制备

2．1．1 溅射法的原理及特点

2．1．2 ZnO／p-Si异质结的制备

2．2 异质结太阳能电池性能的表征

2．2．1 X射线衍射分析(XRD)

2．2．2 扫描探针显微镜

2．2．3 干涉显微镜

2．2．4 量子效率

2．2．5 光电化学谱仪

第三章 ZnO膜膜厚对ZnO／p-Si异质结光电转换性能的影响

3．1 ZnO／p-Si异质结的制备

3．2 膜厚与电阻率的测量

3．3 AFM

3．4 光透过率与量子效率

3．5 电池性能谱

3．6 本章小结

第四章 衬底温度对ZnO／p-Si太阳能电池性能的影响

4．1 样品制备

4．2 电阻率

4．3 AFM

4．4 透射光谱

4．5 量子效率

4．6 电池性能谱

4．7 本章小结

第五章 退火温度对ZnO／p-Si太阳能电池性能的影晌

5．1 样品制备条件

5．2 XPD

5．3 AFM

5．4 透射光谱

5．5 量子效率

5．6 电池性能谱

5．7 本章小结

结论

论文创新点

有待进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

声明

致谢