硅基和CIGS基ZnO薄膜生长及CIGS太阳能电池器件的研究

摘要

ZnO是一种具有纤锌矿结构的直接宽带隙半导体材料，在室温下激子束缚能高达60meV，是一种非常理想的半导体材料。早期，由于生长技术的限制，无法获得高质量的ZnO薄膜，因而ZnO在光电子器件上应用曾一度陷入低潮。随着半导体生长技术的进步，获得高质量的ZnO成为可能。由于ZnO薄膜室温光泵浦紫外激射的实现和自形成谐振腔的发现，ZnO再次受到了研究人员的关注，在半导体领域又掀起了ZnO薄膜的研究热潮。除制作发光器件之外，ZnO薄膜还具有良好的透明性、压电性、光电性、气敏性和压敏性，且易于与多种半导体材料实现集成化。正是这些优异的特性，使其具有广泛的用途和许多潜在用途，如表面声波器件、平面光波导，透明电极，紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件和气敏传感器等。 本文采用我们自行设计的PECVD反应系统，以二乙基锌为锌源，在国际上首次采用在等离子体作用下氢气和二氧化碳混合气为氧源，在单晶Si(111)衬底上制备出高度择优取向的高阻、高迁移率的ZnO薄膜，其方块电阻5.4×109Ω/□，并将此技术成功地移植到ZnS/CIGS和CIGS衬底上，并在南开大学教育部重点实验室光电子薄膜与器件研究所制作出国内第一个无镉、无硫化锌缓冲层的CIGS基太阳能电池(n-ZnO/i-ZnO/CIGS/Mo/Glass)器件，光电转换效率达到～4％。主要研究结果与讨论如下： 1、采用自行设计PECVD反应系统，采用等离子体下氢气和二氧化碳混合气为氧源制备ZnO薄膜，在单晶Si(111)衬底上生长高度择优取向的ZnO薄膜。采用X射线衍射仪和原子力显微镜分析薄膜的结构和表面组织形貌，系统地研究了衬底温度和不同气流比对ZnO薄膜晶体质量的影响，并测试ZnO薄膜的电学和光学性能。从实验结果来看，当衬底温度为450℃生长的ZnO薄膜的(002)面衍射峰半高宽为O.17°，薄膜呈现出高度择优。同时发现产生氧源的气流比对薄膜晶体的质量影响更大些；采用场发射扫描电子显微镜观察薄膜样品的断面形貌和成分分布情况，观察到ZnO薄膜呈柱状择优生长。范得堡方法测得ZnO薄膜的电子载流子浓度为3.5×1010cm-3、方块电阻5.4×109Ω/□。 2、使用场发射电镜观察到了ZnO薄膜各个阶段的生长形态，分析了ZnO薄膜柱状生长的模式；与此同时提出了一个ZnO薄膜的生长机理，这为进一步获得更高质量的ZnO打下基础。 3、采用PECVD法直接在CIGS衬底上沉积ZnO薄膜，然后用对靶溅射法沉积低阻ZnO薄膜，并将其制作成太阳能电池器件，得到了国内第一个无镉、无硫化锌缓冲层的CIGS基太阳能电池(n-ZnO/i-ZnO/CIGS/Mo/Glass)器件； 4、采用化学水浴法在CIGS上沉积ZnS缓冲层。采用氨水、水合肼、柠檬酸三元络合剂来控制溶液中游离锌的浓度，不仅可以降低成本，还可以较大程度地提高ZnS薄膜的质量，然后再采用PECVD法在ZnS/CIGS上沉积ZnO缓冲层，取代溅射沉积高阻ZnO，并将其制作CIGS基太阳能电池(n-ZnO/i-ZnO/ZnS/CIGS/Mo/Glass)器件，获得成功； 5、用场发射电镜，分析不同缓冲层的CIGS基太阳能电池(n-ZnO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/Glass)、(n-ZnO/i-ZnO/ZnS/CIGS/Mo/Glass)和(n-ZnO/i-ZnO/CIGS/Mo/Glass)的断面结构以及太阳能电池的电学性能，发现PECVD法制备ZnO薄膜有望用于CIGS太阳能电池上。 本文得到了南开大学国家高技术研究发展计划(No.2004AA513021)，江西省材料中心(No.ZX200401007，KG200201013)和江西省教育厅科技项目(No.DB200501107，DB200601016)的资助。

目录

文摘

英文文摘

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第一章ZnO基半导体材料及其研究进展

第二章ZnO薄膜的实验室制备

第三章ZnO薄膜的晶体结构表征

第四章ZnO薄膜电学特性的研究

第五章ZnO薄膜的光学性质

第六章CBD法沉积ZnS缓冲层

第七章CIGS器件的制作和性能测试

结论和工作展望

攻读博士期间已发表和待发表的论文和主持的课题

致谢