CdS-Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的光伏特性研究.pdf

1、硅納米孔柱陣列(Si-NPA)獨特的多孔陣列結(jié)構(gòu),以及其優(yōu)異的光吸收性能,使得寬帶隙半導(dǎo)體/Si-NPA復(fù)合體系在太陽能電池領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。本文采用水熱腐蝕技術(shù)及兩步腐蝕法分別在(111)晶向和(100)晶向的單晶硅片上制備出了Si-NPA,并采用簡單易行的化學(xué)水浴沉積技術(shù)(CBD)在Si-NPA表面沉積了一層連續(xù)、致密的CdS薄膜。通過對CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的形貌結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能、電學(xué)性能以及光伏特性的研究

2、,論文得到的主要研究結(jié)果如下:
　　 1.CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的制備與形貌結(jié)構(gòu)特征通過水熱腐蝕和兩步腐蝕法,分別在(111)晶向和(100)晶向的單晶硅片表面制備出了Si-NPA。隨后采用化學(xué)水浴沉積技術(shù)制備得到了CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列體系,并從形貌結(jié)構(gòu)特征、成分組成等方面進(jìn)行了分析。通過SEM圖像可以看出,采用CBD技術(shù)在Si-NPA表面沉積了一層連續(xù)、致密的CdS薄膜。XRD測試結(jié)果表明,CBD-CdS

3、薄膜為亞穩(wěn)態(tài)的立方相,而在經(jīng)過高純Ar氣氛下500℃退火60 min后轉(zhuǎn)變?yōu)榱较?。通過對CdS最高衍射峰進(jìn)行估算,得到退火前CdS的平均晶粒尺寸為～7.7 nm,而退火后CdS的平均晶粒尺寸為～16.7nm,即經(jīng)過退火處理后的CdS納米晶粒的平均尺寸有所增加,但仍為納米級。對表面三個典型區(qū)域EDS測試結(jié)果表明CBD技術(shù)制備出的CdS薄膜中含有大量的Vs或ICd和O成分。由于Vs或ICd在CdS中均為施主能級,可以推斷CdS薄膜為n型,

4、而O則認(rèn)為來自樣品表面吸附的氧氣,或者來自于水浴過程中所生成的Cd(OH)2,Cd(OH),2受熱時將分解為CdO。綜上所述,CBD-CdS可以與Si-NPA形成異質(zhì)結(jié)構(gòu),從而為CdS/Si-NPA在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)可行性。
　　 2.CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)和電學(xué)特性通過對化學(xué)水浴沉積溶液中CdS顆粒的提取,我們得到了橙黃色的CdS粉體。CdS粉體在500℃退火后同樣發(fā)生了由立方相向六方相的轉(zhuǎn)變,不同之

5、處在于,退火后CdS粉體中出現(xiàn)了具有立方品格結(jié)構(gòu)的CdO。采用謝樂公式對相應(yīng)峰位的品粒大小進(jìn)行估算,得到退火前CdS的平均粒徑尺寸為～10.2 nm,退火后CdS的平均晶粒尺寸為～43.3 nm,CdO的平均晶粒尺寸為～33.3 nm。在450 nm激發(fā)波長激發(fā)下,發(fā)現(xiàn)CdS粉體的發(fā)光譜在480～750 nm范圍內(nèi)存在有多個發(fā)光峰位,并對發(fā)光峰產(chǎn)生的機理進(jìn)行了合理地解釋,認(rèn)為這些發(fā)光峰的存在可能是由于CdS粉體中大量的Vs、ICd、VC

6、d和ICd-VCd復(fù)合缺陷所導(dǎo)致的。由于在CdS薄膜生長過程中,均質(zhì)成核生長所形成的CdS將不可避免地吸附在Si-NPA表面,即CdS薄膜實際上包含有兩種不同生長機理所形成的CdS。通過研究相同制備條件下所得到的CdS粉體的性質(zhì),可以進(jìn)一步探究CBD過程的反應(yīng)機理,從而獲得性能更佳的CdS薄膜。此外,對CdS粉體的分析還可以為后面探究CdS薄膜對CdS/Si-NPA的光電特性的影響提供相應(yīng)的依據(jù)。
　　 CdS/Si-NPA的光

7、吸收性能。不同退火條件下,CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列都表現(xiàn)出良好的光吸收特性(在所測波段的平均積分反射率均小于7％)。對退火前和500℃退火后的樣品的積分反射譜進(jìn)行分析得,CdS在退火前的光學(xué)帶隙為～2.28 eV,而在退火后變?yōu)椤?.34 eV。這里退火前的CdS帶隙(～2.28 eV)較小的原因可能是由于CdS和Si-NPA之間存在晶格失配,進(jìn)而在界面間產(chǎn)生應(yīng)力;而應(yīng)力將會導(dǎo)致晶格常數(shù)的變化,從而改變CdS的帶隙寬度所致。

8、r>　　 CdS/Si-NPA的J-V特性及載流子的傳輸機理。室溫下J-V曲線的測試結(jié)果表明CdS/Si-NPA具有良好的整流特性,其開啟電壓～3.4 V,對應(yīng)的電流密度為～1.3 mA cm-2,在～7.4 V正向電壓下,電流密度為～93.6mA cm-2;在～7.4 V反向電壓下,漏電流密度為～0.63 mA cm-2,反向截止電壓為～8 V;在±7.4 V偏壓下整流率為～149。由于Si-NPA/sc-Si之間為歐姆接觸,因此C

9、dS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列屬于典型的異型異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。其正向偏置下載流子的傳輸機理可以通過SCLC模型來解釋。分析可知,由于CdS薄膜與Si-NPA襯底之間存在的晶格失配以及在沉積CdS薄膜時形成的大量的Vs、ICd、VCd和ICd-VCd復(fù)合缺陷,使得異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列中存在有大量的缺陷態(tài),這些缺陷態(tài)將會限制異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列光伏性能的進(jìn)一步提高。
　　 CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列的光伏特性。光伏測試結(jié)果可以看出,CdS/Si-N

10、PA異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列具有明顯的光伏效應(yīng),其丌路電壓Voc=265 mV,短路電流Isc=1.32μA,最大工作電壓Vmax=157 mV,最大工作電流Imax=0.73μA,填充因子FF=32.8％,光電轉(zhuǎn)換效率Efficiency=1.15×10-4％,串聯(lián)電阻Rs=107702Ω,并聯(lián)電阻Rsh=296458Ω?？梢钥闯?CdS/Si-NPA/SC-Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列器件有著相對較大的Voc,但是其相對較小的Isc和FF限制了器件的光電轉(zhuǎn)