MOCVD技術(shù)生長的ZnO薄膜及其在太陽電池上的應(yīng)用研究.pdf

1、ZnO是一種n型直接帶隙半導(dǎo)體材料，室溫下禁帶寬度Eg為3.37 eV。由于其原材料豐富且無毒，具有高電導(dǎo)和高透過率，并且在H等離子體環(huán)境中性能穩(wěn)定，因此，在太陽電池領(lǐng)域，ZnO作為透明導(dǎo)電氧化物薄膜(transparent conductive oxide-TCO)受到了研究者的廣泛關(guān)注。為進(jìn)一步提高Si薄膜太陽電池的效率和穩(wěn)定性，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，器件中作為陷光結(jié)構(gòu)的絨面ZnO薄膜前電極和背反射電極顯得尤為重要。本論文利用金屬有機(jī)化學(xué)

2、氣相沉積(metal organic chemical vapor deposition-MOCVD)技術(shù)在玻璃襯底上生長出了高質(zhì)量的 ZnO-TCO薄膜并應(yīng)用于Si薄膜太陽電池，具體研究內(nèi)容和創(chuàng)新工作如下： 1.在國內(nèi)，首次利用MOCVD技術(shù)制備出了應(yīng)用于Si薄膜太陽電池的ZnO-TCO薄膜。詳細(xì)地研究了反應(yīng)壓力、襯底溫度、源材料氣體流量和薄膜厚度等參數(shù)對生長ZnO薄膜的影響。研究結(jié)果表明，合適的低壓～200 Pa有利于制備絨

3、面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜；隨著襯底溫度升高，ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)逐漸從球狀晶粒轉(zhuǎn)變成"類金字塔"狀、然后轉(zhuǎn)變成"巖石"狀晶粒，這種微觀結(jié)構(gòu)的演變可歸因于ZnO薄膜的晶體表面能不同。"類金字塔"狀晶粒(襯底溫度Ts=4.23 K)是Si薄膜太陽電池期望得到的陷光結(jié)構(gòu)，并且此時薄膜具有較低的電阻率和高的遷移率，1000 nm厚薄膜的平均透過率～85％。DEZn流量主要影響薄膜的生長速率，并且有效調(diào)制薄膜的微觀結(jié)構(gòu)；H<,2>O流量主要調(diào)節(jié)薄膜的電學(xué)

4、特性。 2.詳細(xì)地研究了B<,2>H<,6>摻雜氣體(即B摻雜)對ZnO薄膜的微觀結(jié)構(gòu)、光學(xué)和電學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，B摻雜有效地降低了薄膜的電阻率，并且有利于提高薄膜的電學(xué)穩(wěn)定性。同時，B摻雜可以影響不同初始取向的ZnO薄膜的性能。ZnO薄膜的B摻雜影響了薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，如在(002)峰晶體取向摻雜可降低其衍射強(qiáng)度，薄膜晶粒尺寸變??；在(101)峰晶體取向摻雜可誘導(dǎo)出"類金字塔"狀絨面結(jié)構(gòu)(110)峰晶體取向。透過率測試

5、表明，光學(xué)性能上的明顯變化是光學(xué)帶隙展寬，可歸因于Burstein-Moss效應(yīng)；通過光致發(fā)光(PL)測試，有力地說明了B摻雜提高了ZnO薄膜的晶體質(zhì)量，大幅度降低了與O缺陷等相關(guān)的發(fā)光峰，此時薄膜的導(dǎo)電機(jī)制主要是B雜質(zhì)導(dǎo)電占主導(dǎo)地位，而不是ZnO薄膜的本征缺陷導(dǎo)電。B摻雜ZnO薄膜(ZnO：B)電阻率可達(dá)到1.2×10<'-3>Ωcm，遷移率30.5 cm<'2>/Vs，平均透過率85％。473 K退火溫度下H<,2>低壓退火可有效提

6、高薄膜的電子遷移率，改善薄膜的電阻率。 3.提出了種子層誘導(dǎo)的兩步法生長ZnO薄膜的思想。利用電子束蒸發(fā)技術(shù)和MOCvD技術(shù)分別制備ITO種子層和ZnO薄膜，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對比于直接生長絨面MOCVD-ZnO薄膜，兩步生長技術(shù)一方面改善了薄膜的電阻率，另一方面在更低生長溫度下，可誘導(dǎo)出"類金字塔"狀的絨面結(jié)構(gòu)特征；ITO種子層的應(yīng)用降低了glass/ZnO界面處ZnO非晶層的厚度，促進(jìn)了ZnO薄膜的晶化。 4.初步提出并

7、研究了絨面結(jié)構(gòu)ZnO薄膜的CH<,3>COOH濕法刻蝕技術(shù)。它可以調(diào)制ZnO薄膜的粗糙度和晶粒形狀，即表面改性，使薄膜表面趨于"柔和"，有望更好地應(yīng)用于μc-Si薄膜太陽電池前電極。 5.將MOCVD技術(shù)制備出的絨面ZnO前電極應(yīng)用于a-Si薄膜太陽電池，其電池性能與日本Asahi U-type SnO<,2>薄膜相當(dāng)；另外，ZnO薄膜應(yīng)用于背反射電極，可有效提高短路電流密度2-5 mA/cm<'2>，從而極大地提高了電池的轉(zhuǎn)換