p-Cu2O/n-ZnO异质结太阳能电池的制备及其性能研究

摘要

利用低成本的氧化物异质结器件吸收太阳能的难点在于吸收效率的提高，究其原因是薄膜结晶质量的好坏和过渡层质量的优劣。p-Cu2O/n-ZnO异质结构太阳能电池的理论效率可达20％，是极具发展潜力的太阳能电池，但目前已发表的研究的最高效率为2%，所以还有很大的提升空间。本文利用射频磁控溅射手段在FTO衬底上沉积了FTO/ZnO/Cu2O及FTO/Cu2O/ZnO两种异质结并沉积电极制成器件。利用XRD、SEM、AFM、EDS等分析手段，探究了磁控溅射工艺参数对薄膜成分、结构及表面粗糙度的影响。在不同磁控溅射参数下制备了一系列异质结器件，利用紫外可见分光光度计、电化学工作站等设备分析不同溅射工艺参数下制备的系列异质结器件光电性能。本文主要研究内容和实验结果如下：
　　（1）鉴于底层薄膜的结晶质量对异质结薄膜质量和器件性能有直接的影响，在溅射生长FTO/ZnO/Cu2O异质结薄膜中，先后优化ZnO薄膜和Cu2O薄膜的生长工艺参数。利用XRD测试分析了不同溅射功率、工作气压及氧氩比下制备的ZnO薄膜和Cu2O薄膜择优生长取向。并结合无光照条件下异质结薄膜I-V特性分析，给出了制备ZnO薄膜较佳工艺参数：溅射功率120W，溅射压强1.5Pa，氧气流量15sccm，氩气流量40sccm，溅射时间30min；Cu2O较佳工艺参数：溅射功率120W，溅射压强1.0Pa，氧气流量1sccm，氩气流量40sccm，溅射时间20min。
　　（2）为了研究在FTO衬底上先生长Cu2O薄膜再生长ZnO薄膜对异质结薄膜结晶质量和器件光电性能的影响，试验中溅射生长了FTO/Cu2O/ZnO异质结薄膜和器件。利用XRD测试分析了不同溅射功率、工作气压及氧氩比等工艺参数下制备的Cu2O薄膜和ZnO薄膜择优生长取向和结晶质量，并结合无光照条件下异质结薄膜I-V特性分析，给出了制备Cu2O薄膜较佳工艺参数：溅射功率120W，溅射压强1.5Pa，氧气流量1sccm，氩气流量40sccm，溅射时间20min；ZnO薄膜较佳工艺参数：溅射功率120W，溅射压强1.0Pa，氧气流量10sccm，氩气流量40sccm，溅射时间30min。
　　（3）试验中进一步细化研究了氧氩比和衬底温度对Cu2O薄膜生长质量的影响。利用XRD、AFM和SEM等测试分析了薄膜表面形貌和结晶质量，给出了制备Cu2O薄膜最佳氧氩比为：1:40；最佳衬底温度为：200oC。
　　（4）在石英衬底上分别溅射生长了Cu2O薄膜和ZnO薄膜，利用霍尔效应测试方法分别测得Cu2O导体类型为p型、载流子浓度为3.92×1015cm-3，ZnO薄膜的导电类型为n型、载流子浓度为2.68×1020cm-3。
　　（5）利用在优化工艺参数下生长的p-Cu2O/n-ZnO异质结薄膜制作成太阳能电池器件。采用紫外-可见分光光度计和电化学工作站测试了器件的光谱吸收范围和光电流特性，分析给出了开路电压Voc=0.28V，短路电流Isc=2.10mA，光电转换效率?=0.28%。填充因子FF=48.1%。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第 1章 绪论

1.1太阳能电池简介

1.2 ZnO和Cu2O的物理性质

1.3国内外研究现状

1.4本论文的主要研究内容

第2章 实验样品制备技术及表征方法

2.1制备方法

2.2薄膜测试方法

2.3器件测试方法

第3章FTO/ZnO/Cu2O异质结溅射生长工艺研究

3.1 FTO/ZnO/Cu2O异质结太阳能电池的基本结构

3.2 FTO上生长ZnO薄膜溅射工艺参数的优化

3.3 FTO/ZnO上生长Cu2O薄膜溅射工艺参数的优化

3.4本章小结

第4章FTO/ Cu2O/ZnO异质结溅射生长工艺研究

4.1 FTO/Cu2O/ZnO异质结太阳能电池的基本结构

4.2 FTO上生长Cu2O薄膜溅射工艺参数的优化

4.3 FTO/Cu2O上生长ZnO薄膜溅射工艺参数的优化

4.4本章小结

第5章 优化生长的FTO/Cu2O/ZnO异质结太阳能电池的光电性能研究

5.1 Cu2O沉积过程中氧气流量的优化

5.2 Cu2O沉积过程中衬底温度的优化

5.3 太阳能电池的光电性能研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢