硅基和CIGS基ZnO薄膜生長(zhǎng)及CIGS太陽(yáng)能電池器件的研究.pdf

1、ZnO是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接寬帶隙半導(dǎo)體材料，在室溫下激子束縛能高達(dá)60meV，是一種非常理想的半導(dǎo)體材料。早期，由于生長(zhǎng)技術(shù)的限制，無(wú)法獲得高質(zhì)量的ZnO薄膜，因而ZnO在光電子器件上應(yīng)用曾一度陷入低潮。隨著半導(dǎo)體生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，獲得高質(zhì)量的ZnO成為可能。由于ZnO薄膜室溫光泵浦紫外激射的實(shí)現(xiàn)和自形成諧振腔的發(fā)現(xiàn)，ZnO再次受到了研究人員的關(guān)注，在半導(dǎo)體領(lǐng)域又掀起了ZnO薄膜的研究熱潮。除制作發(fā)光器件之外，ZnO薄膜還具有良好的

2、透明性、壓電性、光電性、氣敏性和壓敏性，且易于與多種半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)集成化。正是這些優(yōu)異的特性，使其具有廣泛的用途和許多潛在用途，如表面聲波器件、平面光波導(dǎo)，透明電極，紫外光探測(cè)器、壓電器件、壓敏器件、紫外發(fā)光器件和氣敏傳感器等。 本文采用我們自行設(shè)計(jì)的PECVD反應(yīng)系統(tǒng)，以二乙基鋅為鋅源，在國(guó)際上首次采用在等離子體作用下氫氣和二氧化碳混合氣為氧源，在單晶Si(111)襯底上制備出高度擇優(yōu)取向的高阻、高遷移率的ZnO薄膜，其方塊電

3、阻5.4×109Ω/□，并將此技術(shù)成功地移植到ZnS/CIGS和CIGS襯底上，并在南開(kāi)大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光電子薄膜與器件研究所制作出國(guó)內(nèi)第一個(gè)無(wú)鎘、無(wú)硫化鋅緩沖層的CIGS基太陽(yáng)能電池(n-ZnO/i-ZnO/CIGS/Mo/Glass)器件，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到～4％。主要研究結(jié)果與討論如下： 1、采用自行設(shè)計(jì)PECVD反應(yīng)系統(tǒng)，采用等離子體下氫氣和二氧化碳混合氣為氧源制備ZnO薄膜，在單晶Si(111)襯底上生長(zhǎng)高度擇優(yōu)取向

4、的ZnO薄膜。采用X射線衍射儀和原子力顯微鏡分析薄膜的結(jié)構(gòu)和表面組織形貌，系統(tǒng)地研究了襯底溫度和不同氣流比對(duì)ZnO薄膜晶體質(zhì)量的影響，并測(cè)試ZnO薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)襯底溫度為450℃生長(zhǎng)的ZnO薄膜的(002)面衍射峰半高寬為O.17°，薄膜呈現(xiàn)出高度擇優(yōu)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生氧源的氣流比對(duì)薄膜晶體的質(zhì)量影響更大些；采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察薄膜樣品的斷面形貌和成分分布情況，觀察到ZnO薄膜呈柱狀擇優(yōu)生長(zhǎng)。范得堡方法測(cè)得

5、ZnO薄膜的電子載流子濃度為3.5×1010cm-3、方塊電阻5.4×109Ω/□。 2、使用場(chǎng)發(fā)射電鏡觀察到了ZnO薄膜各個(gè)階段的生長(zhǎng)形態(tài)，分析了ZnO薄膜柱狀生長(zhǎng)的模式；與此同時(shí)提出了一個(gè)ZnO薄膜的生長(zhǎng)機(jī)理，這為進(jìn)一步獲得更高質(zhì)量的ZnO打下基礎(chǔ)。 3、采用PECVD法直接在CIGS襯底上沉積ZnO薄膜，然后用對(duì)靶濺射法沉積低阻ZnO薄膜，并將其制作成太陽(yáng)能電池器件，得到了國(guó)內(nèi)第一個(gè)無(wú)鎘、無(wú)硫化鋅緩沖層的CIGS基

6、太陽(yáng)能電池(n-ZnO/i-ZnO/CIGS/Mo/Glass)器件； 4、采用化學(xué)水浴法在CIGS上沉積ZnS緩沖層。采用氨水、水合肼、檸檬酸三元絡(luò)合劑來(lái)控制溶液中游離鋅的濃度，不僅可以降低成本，還可以較大程度地提高ZnS薄膜的質(zhì)量，然后再采用PECVD法在ZnS/CIGS上沉積ZnO緩沖層，取代濺射沉積高阻ZnO，并將其制作CIGS基太陽(yáng)能電池(n-ZnO/i-ZnO/ZnS/CIGS/Mo/Glass)器件，獲得成功；

7、 5、用場(chǎng)發(fā)射電鏡，分析不同緩沖層的CIGS基太陽(yáng)能電池(n-ZnO/i-ZnO/CdS/CIGS/Mo/Glass)、(n-ZnO/i-ZnO/ZnS/CIGS/Mo/Glass)和(n-ZnO/i-ZnO/CIGS/Mo/Glass)的斷面結(jié)構(gòu)以及太陽(yáng)能電池的電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)PECVD法制備ZnO薄膜有望用于CIGS太陽(yáng)能電池上。 本文得到了南開(kāi)大學(xué)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(No.2004AA513021)，江西省材料中心(