搜索
华南理工大学本科毕业设计文献综述硅基异质结太阳电池的研究班级_______09级信息工程2班__姓名___________胡思凯_________学号_________200931281039_____指导教师________耿魁伟____________作为一种取之不尽的清洁能源,太阳能的开发利用引起人类的极大关注[13]。目前,大规模商业化太阳能电池仍以硅太阳能电池为主,正开发的有GaAs[4]、GaN[5]、CdS[6]、铜铟硒[7]和ZnO[810]等新型材料太阳能电池。其中,GaAs和GaN太阳能电池虽在空间应用中比硅太阳能电池更有优势,但属于!族化合物,挥发性强、工艺复杂,制备成本高;CdS和铜铟硒对人类具有一定的毒副作用,不符合绿色环保能源发展的要求。氧化锌（ZnO）由于其优越的物理特性，如具有较大的禁带宽度（室温，~3.37eV）和激子束缚能（~60mV），而且热稳定性好、抗氧化性能优越，已经成为一种极具发展前景的II–VI族半导体材料，其在光电子应用领域也已经引起了广泛关注。关于硅基ZnO薄膜的生长及发光性质已有广泛的研究,但对于P型硅纳米线（SiNWs）为衬底上制备ZnO异质结太阳能电池的研究尚不成熟。硅纳米线是新型的一维纳米材料(SiNWs),由于其自身所特有的光学、电学性质和半导体所具有的特殊性质已越来越引起纳米科技界的广泛关注。通过最近几年的研究表明,SiNWs料具有很强的广谱光吸收特性和室温下的可见光发光特性。因此，对一维纳米材料形貌的控制、生长机理的探索以及各种性能的测量与改进,是人们研究的重点。一.目前，化学腐蚀法和化学气象沉积（cvd）已经成为制备SiNWs主要的2种技术。此次毕业设计打算以这两种不同的方法制备SiNWs，比较两种方法的优劣。1.化学腐蚀法,HF溶液4.6mol／L,AgNO3溶液0.02mol/L,腐蚀温度50℃,腐蚀时间30min时制备出的大面积阵列一维SiNWs。2.用SiH4做反应气体，H2作载气，在氢的辉光放电中淀积SiNWs，反应室预真空约1.33Pa,沉积温度为380度。利用sem电镜观察生长结构，X射线衍射仪（XRD）观察X射线衍射谱，生长取向，紫外—红外分光光度仪测量pl特性。二.分别以两种方法制成的SiNWs为衬底，利用金属锌的真空蒸镀制备ZnO/SiNWs，控制沉积厚度分别为30,40,50,60nm.然后放在氧化条件下进行退火处理，在气氛炉中氧化2小时,控制退火温度分别为600，700，800，900度观察发光特性。利用sem电镜观察生长结构，X射线衍射仪（XRD）观察X射线衍射谱，生长取向。在其测试环境为室温,测试光源为模拟太阳光AM1.5(100mW/cm2)的标准辐照的条件下，测量I/V特性。华东师范大学博士学位论文双旋转靶共溅法制备和研究掺铝氧化锌薄膜及其在硅薄膜太阳能电池中的应用姓名：朱红兵申请学位级别：博士专业：纳米物理学指导教师：黄素梅JürgenHüpkes20100501摘要本论文对应用于硅基薄膜太阳能电池中的掺铝氧化锌薄膜（ＺｎＯ：ＡＩ）进行了系统地研究。在本论文中ＺｎＯ：ＡＩ薄膜主要采用非反应磁控溅射方法和双旋转陶瓷靶（ＺｎＯ：Ａ１２０３－－９９．５：０．５ｗｔ％）以及采用反应磁控溅射方法和双旋转金属靶（Ｚｎ：Ａ１－－－９９．５：０．５ｗｔ％）Ｎ备而得。用于掺铝氧化锌薄膜制备的玻璃衬底尺寸可以达到３０ｅｍｘ３０ｇｉｎ。由于在溅射过程中管状陶瓷靶以及金属靶始终保持旋转，因此这两种溅射沉积方法极大地提高溅射靶材的利用率从而有效地降低生产成本。此外，高速溅射沉积薄膜也是本论文研究的一个重要的目标和方向。作为一种重要的并具有极大发展潜力的透明导电材料，ＺｎＯ：Ａ１薄膜的光学电学属性是本论文的研究重点。在本论文中，制备的ＺｎＯ：ＡＩ薄膜主要目标是应用于硅基薄膜太阳能电池中，作电池的前电极，因此对其初始和刻蚀后的薄膜表面形貌也进行了深入地考虑和研究。对于采用中频电源激发从旋转陶瓷靶材中磁控溅射制备ＺｎＯ：Ａ１薄膜，本论文系统地研究了衬底温度、工作气压、电功率、氩气流量和氧气流量以及磁场方向等各种不同的实验参数对其各种属性的影响。此外，本文也系统深入地研究了ＺｎＯ：Ａ１薄膜在０．５％的稀盐酸中的刻蚀行为以及其均匀性特性。在对低速沉积（２ｋＷ）ＺｎＯ：ＡＩ薄膜研究中，成功地获得了电阻率低至３．６×１０４Ｑ．ｅｍ，载流子迁移率高达５０ｃｍ２／Ｖｓ以及刻蚀后具有最佳表面形貌的高质量导电透明薄膜。在对高速沉积（１４ｋＷ）ＺｎＯ：Ａ１研究中，薄膜沉积速率可以高达１１０ｎｍ／ｍｉｎ且保持优良的光学和电学特性。在对硅薄膜太阳能电池应用研究中，优化的旋转陶瓷靶溅射制备的ＺｎＯ：Ａ１薄膜作为前电极被应用于微晶硅（¨ｃ—Ｓｉ：Ｈ）及无定形硅／微晶硅叠加（俚．Ｓｉ：Ｈ／肛ｃ—Ｓｉ：ｍ薄膜太阳能电池中，分别取得了８．５％和１１．３％高的能量转换效率。另外，对于采用更加高效低廉的反应磁控溅射技术和双旋转金属靶材制各Ｚｎ０：Ａ１薄膜，本文通过利用等离子体发射监控系统，研究了在不同的沉积条件下的反应溅射沉积过程，并高速反应溅射制备出了Ｚｎ０：ｈｌ薄膜，获得了高达１１０ｎｍ／ｍｉｎ的沉积速率，且所获薄膜具有优良的光电特性。其中电阻率低于３．３Ｘ１０‘４Ｑ．Ｅｒａ，迁移率可以高达４７ｇｉｌｌ２／Ｖｓ，同时具有很高的光透射率。此外，还系统研究了不同沉积条件下制备的Ｚｎ０：Ａ１薄膜呈现出的初始表面形貌和刻蚀后的表面形貌特征。本论文应用一种独特的两步刻蚀方法，即先采用稀ＨＦ刻蚀，然后采用ＨＣｌ刻蚀，对高速沉积的ＺｎＯ：ＡＩ薄膜进行刻蚀和表面研究。此高速沉积的ＺｎＯ：Ａ１薄膜包括通过非反应溅射沉积的薄膜和反应溅射沉积的薄膜。通过这种独特的刻蚀方法，刻蚀后的高速沉积的ＺｎＯ：Ａ１薄膜呈现出适合于硅基薄膜太阳能电池的表面结构。利用此种刻蚀方法处理优化制备的ＺｎＯ：ＡＩ薄膜，然后应用于ｕｃ．Ｓｉ：Ｈ薄膜电池以及ｃｔ－Ｓｉ：ｔ－Ｉ／ｇｃ．Ｓｉ：Ｈ双节叠加薄膜太阳能电池，分别取得了高达８．２％和１１．４％的能量转换效率。本论文工作成果表明高速沉积的ＺｎＯ：Ａ１薄膜制备技术结合此双刻蚀方法在硅薄膜太阳能电池的应用方面具有相当大的发展潜力。关键词：氧化锌，透明导电氧化物，磁控溅射，硅薄膜太阳能电池ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｓｔｕｄｙ，ｍａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｅｄＺｎＯ：Ａ１ｔｈｉｎｆｉｌｍｓｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｉｌｉｃｄｎｔｈｉｎｆｉｌｍｓｏｌａｒｃｅｌｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＺｎＯ：Ａ１ｔｈｉｎｆｉｌｍｓｗｅｒｅｐｒｅｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｏｎ—ｒｅａｃｔｉｖｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｆｒｏｍｄｕａｌｒｏｔａｔａｂｌｅｃｅｒａｍｉｃｔａｒｇｅｔｓ（ＺｎＯ：Ａ１２０３２９９．５：０．５叭％）ｏｒｗｉｔｈｒｅａｃｔｉｖｅｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｆｒｏｍｄｕａｌｒｏｔａｔａｂｌｅｍｅｔａｌｌｉｃｔａｒｇｅｔｓ（Ｚｎ：ＡＩ＝９９．５：０．５眦％）．Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｇｌａｓｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｃａｎｂｅｕｐｔｏ３０ｃｍ×３０ｃｍ．Ｂｏｔｈｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｃａｎｇｒｅａｔｌｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔａｒｇｅｔｍａｔｅｒｉａｌｓｄｕｅｔｏｔｈｅｒｏｔａｔｉｎｇｏｆｔａｒｇｅｔｓｄｕｒｉｎｇｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ．Ａｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔａｎｄｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅｏｘｉｄｅ（ＴＣＯ）ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｎＯ：ＡＩｆｉｌｍｓｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ，ｅｘａｍｉｎｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎａｉｍｓｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｓｔｏｄｅｖｅｌｏｐａＴＣＯｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｗｉｔｈａｈｉｇｈｇｒｏｗｔｈｒａｔｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｆｏｒｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｓｉｌｉｃｏｎｔｈｉｎｆｉｌｌｓｏｌａｒｃｅｌｌｓ，ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆａｓ—ｇｒｏｗｎａｎｄａｆｔｅｒ－ｅｔｃｈｅｄＺｎＯ：Ａ１石ｌｍｓｗｅｒｅａ】ｓｏｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄａｎｄｅｘａｍｉｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｓ．ＭａｇｎｅｔｒｏｎｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｏｆＺｎＯ：Ａｌｔｈｉｎｆｉｌｍｓｆｒｏｍｄｕａｌｒｏｔａｔａｂｌｅｃｅｒａｍｉｃｔａｒｇｅｔｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｎｄｅｒｍｉｄ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＭＦ）ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｓｕｃｈａｓｓｕｂｓｔｒａｔｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅｐｏｗｅｒ，ａｒｇｏｎｇａｓｆｌｏｗ，ｏｘｙｇｅｎｇａｓｆｌｏｗａｎｄｍａｇｎｅｔｒｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｎｖａｒｉｏｕｓｏｐｔｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＺｎＯ：Ａｌｆｉｌｍｓｗｅｒｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｅｔｃｈｉｎｇｂｅｈａｖｉｏｒｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｅｄｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓｗｅｒｅａｌｓｏｓｔｕｄｉｅｄ．ＬｏｗｇｒｏｗｔｈｒａｔｅＺｎＯ：Ａｌｆｉｌｍｓ（ａｔ２ｋＷ）ｗｉｔｈ１０ｗｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｏｆ３．６×１０４Ｑ．ｃｍａｎｄｈｉ曲ｃａｒｒｉｅｒｍｏｂｉｌｉｔｙｕｐｔｏ５０ｃｍＺ／Ｖｓａｓｗｅｌｌａｓｏｐｔｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｆｔｅｒｅｔｃｈｉｎｇ，ｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｈｉ曲ｇｒｏｗｔｈｒａｔｅＺｎＯ：Ａ１ｆｉｌｌｓ（ａｔ１４ｋＷ）ｗｉｔｈａｈｉｇｈｒａｔｅｃｌｏｓｅｔｏ１１０ｎｍ／ｍｉｎａｎｄｎｉｃｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＯｐｔｉｍｉｚｅｄＺｎＯ：Ａ１ｆｉｌｌｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄｆｒｏｍｃｅｒａｍｉｃｔａｒｇｅｔｓｗｅｒｅａｐｐｌｉｅｄｉｎＰＣ－Ｓｉ：Ｈａｎｄａ—Ｓｉ：Ｈ／ＰＣ－Ｓｉ：Ｈｓｏｌａｒｃｅｌｌｓａｓｆｒｏｎｔｃｏｎｔａｃｔｓ．Ｈｉｇｈｅ妇ｃｉｃｉｅｎｃｉｅｓｏｆ８．５％ａｎｄ１１．３％ｆｏｒｂｏｔｈｋｉｎｄｓｏｆｃｅｌｌｓｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＺｎＯ：ＡｌｆｄｍｓｗｅｒｅｄｅｐｏｓｉｔｅｄｆｒｏｍｄｕａｌｒｏｔａｔａｂｌｅｍｅｔａｌｌｉｃＺｎ：Ａｌｔａｒｇｅｔｓｂｙｒｅａｃｔｉｖｅｌｙｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｓ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｃｏｎｔｒｏｌｂｙａｐｌａｓｍａｅｍｉｓｓｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ（ＰＥＭ）ｓｙｓｔｅｍａｎｄｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＲｅａｃｔｉｖｅｌｙｓｐｕｔｔｅｒｅｄｈｉｇｈｒａｔｅＺｎＯ：Ａｌｆｉｌｍｓ（ｃｌｏｓｅｔｏｌ１０ｎｍ／ｍｉｎ）ｗｉｔｈｌｏｗｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙｃｌｏｓｅｔｏ３．３×１０１Ｑ·ｃｍａｎｄｈｉｇｌｌｍｏｂｉｌｉｔｙｕｐｔｏ４７ｃｍＺ／Ｖｓａｓｗｅｌｌａｓｈｉｇｈｔｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅｗｅｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｉｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔａｓ．ｇｒｏｗｎａｎｄａＲｅｒ－ｅｔｃｈｅｄＺｎＯ：Ａｌｆｉｌｍｓｄｅｐｏｓｉｔｅｄａｔｄｉｆｉｅｒｅｎｔｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｄｉｓｐｌａｙｅｄｖａｒｉｏｕｓｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｅｓ．Ａｎｏｖｅｌｃｈｅｍｉｃａｌｗｅｔｅｔｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉ．ｅ．ｔｈｅｅｔｃｈｉｎｇｉｓｆｉｒｓｔｉｎｄｉｌｕｔｅｄＩ－ＩＦｓｏｌｕｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｉｎｄｉｌｕｔｅｄＨＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｗａｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｔｃｈｈｉ吐ｒａｔｅＺｎＯ：Ａｌｆｉｌｍｓ，ｗｈｉｃｈｗｅｒｅｄｅｐｏｓｉｔｅｄｕｓｉｎｇｅｉｔｈｅｒｔｌｉ曲ｒａｔｅｎｏｎ－ｒｅａｃｔｉｖｅｏｒｒｅａｃｔｉｖｅｓｐｕｔｔｅｒｅｄｔ