硅基和CIGS基ZnO薄膜生长及CIGS太阳能电池器件的研究

论文摘要

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60 meV，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／□，cm2／V·s，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0.17°，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5.4×109 Ω／□。 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。

论文目录

• 摘要
• Abstact
• 第一章 ZnO基半导体材料及其研究进展
• 1.1 ZnO薄膜的研究
• 1.2 ZnO薄膜的基本性质
• 1.2.1 ZnO的晶体结构特性
• 1.2.2 ZnO的结构参数及性能
• 1.3 ZnO薄膜的应用与产业前景
• 1.3.1 压电器件
• 1.3.2 气敏元件
• 1.3.3 缓冲层
• 1.3.4 紫外探测器
• 1.3.5 发光器件
• 1.3.6 太阳能电池
• 1.4 ZnO薄膜的制备常用方法
• 1.4.1 磁控溅射法
• 1.4.2 电子束蒸发沉积
• 1.4.3 金属有机物化学气相沉积
• 1.4.4 喷雾热解法
• 1.4.5 溶胶凝胶法
• 1.4.6 脉冲激光沉积法
• 1.4.7 分子束外延法
• 1.4.8 原子层外延生长法
• 1.5 当前氧化锌材料研究面临的问题
• 1.6 本论文的研究目的和主要工作
• 参考文献
• 第二章 ZnO薄膜的实验室制备
• 2.1 等离子体化学气相沉积（PECVD）法生长ZnO薄膜
• 2.1.1 PECVD技术简介
• 2.1.2 自制PECVD生长系统
• 2.2 ZnO薄膜生长工艺
• 2.2.1 衬底选择
• 2.2.2 有机锌源选择和其他气体原料
• 2.2.3 ZnO薄膜制备过程
• 参考文献
• 第三章 ZnO薄膜的结构表征
• 3.1 不同衬底温度下对薄膜质量的影响
• 3.1.1 薄膜的结构分析
• 3.1.2 薄膜的表面形貌分析
• 3.1.2.1 原子力显微镜（AFM）工作原理
• 3.1.2.2 ZnO薄膜的表面形貌
• 3.2 不同气流比对薄膜质量的影响
• 3.2.1 薄膜的晶体结构分析
• 3.2.2 薄膜的表面形貌分析
• 3.3 ZnO薄膜的断面形貌
• 3.4 在低温ZnO缓冲层上生长ZnO薄膜结构和表面形貌
• 3.5 薄膜生长和机理的研究
• 3.5.1 薄膜生长理论
• 3.5.2 氧源产生和生成氧化锌的反应机理的探讨
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 ZnO薄膜电学特性的研究
• 4.1 ZnO晶体结构缺陷
• 4.2 ZnO晶体电学缺陷
• 4.3 ZnO的电学特性
• 4.4 薄膜的电学测试
• 4.4.1 霍尔测量的工作原理
• 4.4.2 ZnO薄膜电学测试结果
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 ZnO薄膜的光学性质
• 5.1.单层膜的反射系数和透射系数
• 5.2 ZnO薄膜的折射率和消光系数
• 5.3 薄膜的光学测试
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 CBD法沉积ZnS缓冲层
• 6.1 ZnS的性质和晶体结构
• 6.2 现阶段制备ZnS薄膜的主要方法
• 6.2.1 液相法
• 6.2.1.1 微乳法或反胶束法
• 6.2.1.2 乳液法
• 6.2.1.3 水热合成法
• 6.2.1.4 快速均匀沉淀法
• 6.2.1.5 化学浴沉积法
• 6.2.2 气相法
• 6.3 化学浴沉积法的技术特点和薄膜需要考虑的因素
• 6.4 CBD法制备ZnS缓冲层
• 6.5 实验过程
• 6.6 氨水和水合肼二元体系制备ZnS缓冲层
• 6.6.1 溶液的组成对薄膜表面形貌的影响
• 6.6.2 反应温度和沉积时间对薄膜质量的影响
• 6.7 氨水、水合肼和柠檬酸三元体系制备ZnS缓冲层
• 6.7.1 三元体系ZnS薄膜的表面形貌
• 6.7.2 ZnS薄膜的光学性能
• 6.8 本章小结
• 参考文献
• 第七章 CIGS器件的制作和性能测试
• 7.1 CIGS薄膜太阳能电池的电池结构
• 7.2 CIGS薄膜太阳能电池的制作过程
• 7.2.1 玻璃衬底的选择和清洗
• 7.2.2 溅射Mo层
• 1-xGa_x)Se₂)薄膜材料'>7.2.3 吸收层CIGS(Cu(In_1-xGa_x)Se₂)薄膜材料
• 7.2.4 缓冲层CdS、ZnS薄膜材料
• 7.2.5 窗口层ZnO薄膜材料的研究
• 7.2.6 低阻ZnO薄膜的制备
• 7.2.7 镍铝电极的制备
• 7.3 无镉CIGS太阳能电池的结构和制作
• 7.4 无镉CIGS薄膜太阳能电池的制备与测试
• 7.4.1 CIGS薄膜的结构和形貌
• 7.4.2 CIGS基和ZnS／CIGS基的ZnO薄膜制备
• 7.4.3 CIGS太阳能电池的性能测试
• 7.4.4 CIGS太阳能电池的断面形貌
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 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