化学浴沉积ZnO:Al薄膜及其在CZTS电池中的应用

摘要

随着计算机、触摸屏、太阳能电池、液晶显示等领域的不断发展，一种新的半导体材料—透明导电薄膜应运而生。在太阳能电池中，作为电极的透明导电膜对提高电池的光电转换效率具有极大的意义。与氧化铟锡薄膜相比，铝掺杂氧化锌薄膜具有原料无毒、来源广泛、在氢等离子体中更加稳定等优势，运用溶液法来制备薄膜，成本低廉、操作简单且环境友好，极具研究价值。
　　基于上面介绍的背景，本文采用化学浴沉积的方法制备铝掺杂氧化锌透明导电薄膜。通过在衬底上制备一层种子层，然后在一定的温度下水浴处理的方式来获得结构致密的氧化锌薄膜。研究发现，种子层的制备、水溶液的沉积工艺参数对氧化锌薄膜的最终形貌有重要的影响，种子层热处理温度、溶液浓度和旋涂次数会影响种子层的厚度、均匀性和黏附性。沉积温度会影响氧化锌纳米棒的生长速度、结晶取向和晶粒尺寸，水溶液中氧化锌的浓度对纳米棒的结构、密度和生长速度影响明显。柠檬酸铵可以促进氧化锌纳米棒的横向生长，向溶液中添加适量浓度的柠檬酸铵可以得到结晶取向高度一致、结构致密、晶粒尺寸均匀的氧化锌薄膜，直接影响薄膜的电阻率。采用溶胶-凝胶法制备种子层在溶液浓度为0.5 mmol/L、热处理温度为250℃、旋涂两次的条件下，获得的种子层最为均匀平整。当沉积温度为80℃、氧化锌浓度为38 mmol/L、柠檬酸铵浓度为2 mmol/L时，薄膜的结晶形貌最好，电阻率最低。
　　本文分别采用铝片和九水硝酸铝溶液来对氧化锌薄膜进行掺杂，发现在采用铝片作为铝源的情况下，溶液中铝片的面积、溶液的 pH值和薄膜的生长时间对薄膜的电学性能具有重要的影响。而在采用九水硝酸铝溶液进行掺杂的过程中，溶液的浓度和生长时间则是最重要的影响因素。采用紫外照射的方式可以使薄膜的电阻率大幅度降低，经过紫外处理的铝掺杂氧化锌薄膜的电阻率最低可以达到10-2数量级。最后将该薄膜沉积在CZTS薄膜太阳能电池的表面，并对太阳能电池的光电转化效率、外量子效率进行测量。电池的光电转化效率（η）可以达到5.47%，电池的开路电压（Voc）为625 mV，短路电流（Jsc）等于16.43 mA/cm2，填充因子（FF）为53.4%。说明采用化学浴沉积法，通过铝片进行掺杂的方式可以制备出满足CZTS太阳能电池使用要求的AZO薄膜。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 透明导电薄膜的发展历程

1.3 氧化锌透明导电薄膜的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 实验方案设计与表征方法

2.1 引言

2.2 实验原料及仪器

2.3 实验方案设计

2.4 实验测试方法简介

第3章 种子层及水溶液工艺参数的研究

3.1 引言

3.2 溶胶-凝胶法制备种子层的研究

3.3 水溶液工艺参数研究

3.4 氧化锌氨水溶液制备种子层的研究

3.5 种子层制备方法对薄膜透过率影响

3.6 本章小结

第4章 铝掺杂工艺研究及薄膜的应用

4.1 引言

4.2 采用铝片进行掺杂的研究

4.3 采用铝盐进行掺杂的研究

4.4 样品的XPS分析

4.5 紫外处理对薄膜光电性能的影响

4.6 薄膜在CZTS太阳能电池中的应用

4.7 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢