ZnO/Si异质结的制备与特性研究

论文摘要

能带补偿和界面态是影响半导体异质结性能的两个最关键因素,也是最本质的物理根源。本文从能带补偿和界面态两个方面对ZnO/Si异质结的电学性能进行了研究。采用p-n扩散模型和Anderson模型讨论了n-ZnO/p-Si异质结的I-V和C-V特性。分析了n-ZnO和p-Si中掺杂浓度,能带补偿等因素对异质结性能的影响。基于Shockley p-n结模型,分析在n-ZnO/p-Si异质结耗尽区两侧n-ZnO和p-Si中平衡载流子浓度之间的关系,讨论了n-ZnO/p-Si异质结的内建电势对光电压的影响,并给出了n-ZnO/p-Si异质结太阳能电池I-V特性表达式。和同质结相比,n-ZnO/p-Si异质结太阳能电池可以获得更高的开路电压, n-ZnO/p-Si这类结构的异质结可以提高太阳能电池的光电转换效率,尤其是用在聚光太阳能电池。对n-ZnO/n-Si异质结理想状态下I-V和C-V特性进行了研究,由于n-ZnO与n-Si两种半导体的费米能级的相对位置不同,构成的n-ZnO/n-Si异质结表现出两种完全相反整流特性。在细致平衡理论基础上,针对异质结电池在结处由于能带不连续而形成载流子运动势垒可能对光生载流子的运输存在阻碍作用,建立了异质结太阳能电池的光电转换模型,给出了基于细致平衡理论的异质结太阳能电池的极限效率的计算方法,推导出n-ZnO/p-Si异质结太阳能电池光照下的I-V特性表达式以及最大光电转换效率的求法,并求出在理想情况AM1.5的光照下n-ZnO/p-Si异质结太阳能电池最大转换效率可达到29%。由于ZnO/Si异质结界面处由于晶格不匹配而形成大量的界面态。CuI和CuSCN是分子晶体,物质特性比较柔软,虽然CuI、CuSCN的热膨胀系数不同,但分别与与Si和ZnO形成异质结时界面处不会产生较大应力,不会有大量位错和缺陷形成,不会产生大量界面态。为了更好地研究CuI和CuSCN薄膜的钝化作用,分别制备了n-ZnO/p-CuI、p-CuI/n-Si和p-CuSCN/n-Si异质结,其中CuI和CuSCN薄膜是采用连续离子层沉积法制备的,n-ZnO薄膜是化学浴法制备。制备的n-ZnO/p-CuI异质结二极管具有良好的整流特性,3V正反电压下测量的整流比达600。理想因子与制备的n-ZnO/p-Si异质结相比,理想因子要小很多,说明界面态小很多。制备p-CuI/n-Si和p-CuSCN/n-Si异质结都具有良好的整流特性和光电效应。采用磁控溅射法制备的ZnO/Si异质结具有良好的整流特性和光电效应,分别插入CuI和CuSCN界面钝化层能够减小ZnO/p-Si异质结的界面态,其中CuI效果最好,几乎不形成界面态,测量的表观内建电势与运用功函数计算的内建电势接近。插入CuI和CuSCN薄膜能够提高ZnO/p-Si异质结的整流比。但是对于ZnO/n-Si异质结,插入CuI和CuSCN界面钝化层后,由于降低了生长的ZnO薄膜的质量,从而无法提高异质结的电性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文结构的安排
• 第二章 理想状态下ZnO/Si 异质结的特性研究
• 2.1 理想状态下ZnO/p-Si 异质结的伏安特性
• 2.1.1 ZnO/p-Si 异质结的能带结构-Anderson 模型
• 2.1.2 对Anderson 定则的修正
• 2.1.3 外加正向电压小于内建势垒高度时ZnO/p-Si 异质结的伏安特性
• 2.1.4 外加正向电压大于内建势垒高度时ZnO/p-Si 异质结的伏安特性
• 2.1.5 分析与讨论
• 2.1.6 结论
• 2.2 C-V 法分析ZnO/p-Si 异质结的内建电势
• 2.2.1 理想状态下的内建电势
• 2.2.2 界面态对内建电势的影响
• 2.3 ZnO/p-Si 异质结的光伏特性
• 2.3.1 ZnO/p-Si 异质结的光电压与内建势垒的关系
• 2.3.2 ZnO/p-Si 异质结在光照下的I-V 特性
• 2.4 理想ZnO/n-Si 异质结的伏安特性
• 2.4.1 Anderson 模型分析ZnO/n-Si 异质结的能带结构
• 2.4.2 n-Si 的费米能级低于n-ZnO 费米能级时ZnO/n-Si 异质结的伏安特性
• 2.4.3 n-Si 的费米能级高于n-ZnO 费米能级时ZnO/n-Si 异质结的伏安特性
• 2.5 C-V 法分析ZnO/n-Si 异质结的内建电势
• 2.5.1 理想状态下C-V 法分析ZnO/n-Si 异质结的内建电势
• 2.5.2 存在界面态C-V 法分析ZnO/n-Si 异质结的内建电势
• 2.6 理想ZnO/Si 异质结的光电转换效率
• 2.6.1 基于细致平衡理论的异质结太阳电池的光电转换模型
• 2.6.2 计算ZnO/Si 异质结太阳能电池的极限转换效率
• 2.7 本章小结
• 第三章 ZnO/p-Si 异质结的制备与特性研究
• 3.1 ZnO/p-Si 异质结的制备与特性研究
• 3.1.1 ZnO/p-Si 异质结制备
• 3.1.2 ZnO/p-Si 异质结的晶体结构
• 3.1.3 ZnO/p-Si 异质结的I-V 特性
• 3.1.4 ZnO/p-Si 异质结的C-V 特性
• 3.1.5 实验结果分析与讨论
• 3.2 p-CuI/n-ZnO 异质结二极管
• 3.2.1 CuI 的制备
• 3.2.2 p-CuI/n-ZnO 异质结二极管
• 3.2.3 p-CuI/n-ZnO 异质结的晶体结构
• 3.2.4 p-CuI/n-ZnO 异质结的I-V 特性
• 3.2.5 p-CuI/n-ZnO 异质结的C-V 特性
• 3.2.6 实验结果分析与讨论
• 3.3 ZnO/CuI/p-Si 与ZnO/CuSCN/p-Si 异质结的特性
• 3.3.1 ZnO/CuI/p-Si 与ZnO/CuSCN/p-Si 异质结的XRD 特性
• 3.3.2 ZnO/CuI/p-Si 与ZnO/CuSCN/p-Si 异质结的I-V 特性
• 3.3.3 ZnO/CuI/p-Si 与ZnO/CuI/p-Si 异质结的C-V 特性
• 3.3.4 实验结果分析与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 ZnO/n-Si 异质结的制备与特性研究
• 4.1 ZnO/n-Si 异质结的制备与特性研究
• 4.1.1 在n-Si 片上制备的 ZnO 薄膜的晶体结构
• 4.1.2 ZnO/n-Si 异质结的I-V 特性
• 4.1.3 ZnO/n-Si 异质结的C-V 特性
• 4.1.4 实验结果分析与讨论
• 4.2 界面钝化层对ZnO/n-Si 异质结性能的影响
• 4.2.1 n-Si/p-CuI 与n-Si/p-CuSCN 异质结的制备
• 4.2.2 n-Si/p-CuI 异质结的实验结果
• 4.2.3 n-Si/p-CuSCN 异质结的实验结果
• 4.2.4 界面钝化层对ZnO/n-Si 异质结性能的影响
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件