硫化鎘-硅多界面納米異質(zhì)結(jié)光電特性研究.pdf

1、面對全球不斷增長的能源需求和傳統(tǒng)礦物能源帶來的環(huán)境問題，綠色能源開發(fā)和節(jié)能器件制造愈來愈受到人們的重視。其中，低成本、高效率、長壽命太陽能電池和低能耗、高亮度、長壽命半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)光源是兩個(gè)重要的研究領(lǐng)域。基于硅材料和硅平面工藝在電子工業(yè)中的重要基礎(chǔ)地位，對硅基納米體系構(gòu)筑技術(shù)、光電性能與原型器件的研究成為近年來納米科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。在前期研究中，我們通過水熱腐蝕單晶硅片制備出一種硅的微米/納米結(jié)構(gòu)復(fù)合體系，即硅納米孔柱

2、陣列(SiliconNanoporousPillarArray,Si-NPA)。結(jié)果表明，Si-NPA是一種性能優(yōu)異的廣譜光吸收材料和多譜帶光致發(fā)光材料，而且其規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)和納米多孔結(jié)構(gòu)則使其成為構(gòu)筑硅基復(fù)合納米體系的一種理想襯底和組裝模板。在此基礎(chǔ)上，本文以Si-NPA作為功能性襯底，采用化學(xué)水浴法制備了CdS/Si-NPA半導(dǎo)體復(fù)合納米體系，并對復(fù)合體系的界面結(jié)構(gòu)、光致/電致發(fā)光特性、整流特性和光伏特性進(jìn)行了研究。論文取得了以下主

3、要研究結(jié)果:
　　1、CdS/Si-NPA界面結(jié)構(gòu)表征與多界面納米異質(zhì)結(jié)概念的提出
　　以Si-NPA為襯底，采用化學(xué)水浴法(CBD)制備了CdS/Si-NPA樣品并對其表面形貌、界面結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行了系統(tǒng)表征。通過改變水浴液成分和濃度、水浴溫度和時(shí)間等制備條件以及退火溫度、時(shí)間等后處理?xiàng)l件，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對CdS/Si-NPA表面形貌、界面結(jié)構(gòu)和成分的調(diào)控。在此基礎(chǔ)上，提出了多界面納米異質(zhì)結(jié)的概念，并結(jié)合CdS/Si-N

4、PA的結(jié)構(gòu)特征建立了清晰的空間物理圖象，即:CdS/Si-NPA的上層為由CdS納米晶粒(nc-CdS)及其團(tuán)聚體組成的連續(xù)薄膜;中間層為由nc-CdS和硅納米晶（nc-Si）組成的界面區(qū)域，兩種納米晶隨機(jī)分布、交錯(cuò)排列，彼此間形成眾多的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu);下層為納米多孔硅層及單晶硅襯底。研究表明，隨制備、退火條件不同，CdS/Si-NPA界面區(qū)的晶粒尺寸與組分均會(huì)發(fā)生一定程度的變化，但多界面納米異質(zhì)結(jié)本身均表現(xiàn)出典型的電學(xué)整流特性，這為后續(xù)

5、制備基于CdS/Si-NPA的納米光電器件并實(shí)現(xiàn)對其性能的調(diào)制奠定了基礎(chǔ)。
　　2、CdS/Si-NPA的室溫及變溫光致發(fā)光特性
　　為澄清CdS/Si-NPA的光致發(fā)光(PL)機(jī)理并確定相關(guān)的輻射及非輻射復(fù)合過程，我們對作為功能性襯底的Si-NPA和CdS/Si-NPA的室溫及變溫PL譜進(jìn)行了系統(tǒng)測量和分析。結(jié)果表明，Si-NPA具有紫外光、藍(lán)光、橙光和紅光四個(gè)發(fā)光峰，其峰位分別位于～370nm、443nm、604nm和6

6、71nm。其中，紫外光可能來自SiO2中深能級(jí)輻射復(fù)合發(fā)光，藍(lán)光可能來自于nc-Si中與氧或氮有關(guān)聯(lián)的缺陷態(tài)發(fā)光，橙光可能來自于nc-Si的帶-帶躍遷發(fā)光，而紅光則可能來自于nc-Si表面態(tài)或nc-Si/SiOx界面態(tài)輻射復(fù)合發(fā)光。
　　新鮮制備CdS/Si-NPA樣品的PL譜由一個(gè)藍(lán)光帶和一個(gè)綠光帶組成，峰位分別位于～446nm和526nm。其中，藍(lán)光來源于Si-NPA襯底發(fā)光，綠光則歸于nc-CdS的近帶隙發(fā)射。經(jīng)過不同溫度退

7、火后，來自Si-NPA襯底的藍(lán)光峰位不發(fā)生改變;但隨著退火溫度從200℃逐步升高至300℃、400℃、500℃和600℃，綠光峰位將發(fā)生先紅移、再藍(lán)移的變化，最大波長變化達(dá)～40nm，從300℃退火后的～548nm到600℃退火后的～508nm。與此同時(shí)，經(jīng)過300℃及以上溫度退火的樣品，還出現(xiàn)了一個(gè)新的紅光發(fā)光峰。結(jié)合對上述樣品界面結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，Si-NPA的PL譜隨樣品退火溫度的演化被歸因于由此引起的nc-CdS尺寸和界面成分的變化

8、。此外，通過采用不同的CBD沉積時(shí)間，也可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)對nc-CdS的微結(jié)構(gòu)特征和CdS/Si-NPA的PL譜的調(diào)制。
　　半導(dǎo)體材料的非輻射復(fù)合過程對其發(fā)光特性具有重要的影響。針對經(jīng)過300℃退火的CdS/Si-NPA樣品，我們系統(tǒng)測量和分析了其變溫PL譜。結(jié)果表明，不同溫度下測得的PL譜均由綠光、橙光和紅光三個(gè)發(fā)光峰組成。隨著測試溫度的升高，綠光、紅光峰的峰位發(fā)生明顯紅移，但橙光峰的峰位幾乎保持不變;與此同時(shí)，三個(gè)發(fā)光峰

9、的峰位強(qiáng)度均逐漸減小，其中橙光、紅光的發(fā)光強(qiáng)度在溫度高于200K后幾乎為零。相關(guān)機(jī)制分析表明，CdS/Si-NPA中的PL淬滅源于不同的、溫度相關(guān)的非輻射復(fù)合過程。對于近帶隙的綠光峰，其非輻射復(fù)合過程在低溫下主要?dú)w因于重空穴到輕空穴的躍遷，而高溫下則主要?dú)w因于LO聲子被缺陷態(tài)散射所產(chǎn)生的熱逃逸;橙光峰和紅光峰顯示出相似的PL譜演化趨勢，其在低溫和高溫下的非輻射復(fù)合過程應(yīng)歸因于位于受主能級(jí)附近的、具有不同熱激活能的兩個(gè)局域表面態(tài)到受主能級(jí)

10、的躍遷。上述非輻射復(fù)合過程的研究，將對未來優(yōu)化材料制備工藝、提高器件性能具有重要的參考價(jià)值。
　　3、CdS/Si-NPA的電學(xué)與電致發(fā)光特性
　　通過雙面電極制作，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/CdS/Si-NPA/sc-Si/Al的原型器件，并對其電學(xué)與電致發(fā)光(EL)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，CdS/Si-NPA具有典型的整流特性。器件的開啟電壓為～1.7V（電流密度1.0mA/cm2）。正向偏壓為3.6V時(shí)，電流密度為～194

11、.70mA/cm2;反向偏壓為3.6V時(shí)，漏電流密度為～0.86mA/cm2，在±3.6V整流比為～226.4。反向擊穿電壓為～6.0V。在正向偏壓下，以～1.38V為臨界電壓，異質(zhì)結(jié)中的電荷輸運(yùn)機(jī)制在高、低電壓區(qū)間分別符合歐姆機(jī)制和空間電荷限制電流(SCLC)模型;在反向偏壓下，被占據(jù)捕獲態(tài)引入的局域電場將導(dǎo)致空間勢壘區(qū)厚度的減小、漏電流密度的升高和擊穿電壓的降低。
　　對CdS/Si-NPA及其經(jīng)過200℃、300℃、400℃

12、、500℃退火樣品的EL特性進(jìn)行了測試。結(jié)果表明，在6V的正向偏壓下，CdS/Si-NPA的EL譜為一寬的發(fā)光帶(～350-700nm)，可以解譜為藍(lán)、綠、紅三個(gè)發(fā)光峰。通過光譜計(jì)算可知，CdS/Si-NPA發(fā)光的色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)分別為(0.24，0.30)、13989K和82.6，可以用作一種偏冷的白光光源。經(jīng)過200℃退火后，樣品的EL譜與未退火時(shí)稍有變化，色溫稍有降低而顯色指數(shù)則稍有提高;經(jīng)過300℃退火后，樣品的EL譜的波

13、長范圍擴(kuò)展為～380-850nm，新出現(xiàn)一個(gè)紅外發(fā)光峰，發(fā)光的色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)分別為(0.34，0.36)、5090K和95.0，非常接近于自然白光;經(jīng)過400℃退火后，樣品的EL譜與300℃退火樣品相似，但色溫降為4223K，顯色指數(shù)降為92.8，屬于稍微偏暖的白光光源;經(jīng)過500℃退火后，樣品的EL譜波長范圍迅速減小為～500-800nm，小于550nm的短波長光基本消失，發(fā)光的色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)分別為(0.52，0.46

14、)、2303K和63.7，已經(jīng)演化為一種比較標(biāo)準(zhǔn)的橙色光源。上述結(jié)果表明，通過控制樣品退火條件，可以實(shí)現(xiàn)對體系色坐標(biāo)、色溫和顯色指數(shù)有效調(diào)控，CdS/Si-NPA有望成為制備高品質(zhì)硅基白光LED光源的一類理想材料體系。
　　4、CdS/Si-NPA的光伏特性
　　通過雙面電極制作，制備了結(jié)構(gòu)為ITO/CdS/Si-NPA/sc-Si/Al的太陽電池原型器件，并對其光伏特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，雖然CdS/Si-NPA具有明顯

15、的光伏效應(yīng)和較高開路電壓，但是由于其過大的串聯(lián)電阻和較小的短路電流，電池的能量轉(zhuǎn)換效率很低。為提高CdS/Si-NPA的能量轉(zhuǎn)換效率，提出了在CdS-Si界面區(qū)域利用nc-Si的還原性原位還原嵌入鎘納米晶粒(nc-Cd)以減小串聯(lián)電阻的設(shè)想，并通過改變CBD沉積條件得到實(shí)現(xiàn)。對新工藝制備CdS/Si-NPA的測試表明，通過在界面區(qū)域嵌入nc-Cd，太陽電池的串聯(lián)電阻減小至原值的約百分之一，短路電流則提高了約三個(gè)數(shù)量級(jí)。在開路電壓基本沒有