磁控溅射Bi、O掺杂的CdSe薄膜的特性研究

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Ⅱ-Ⅵ族半导体薄膜因其优异的光学性能而得到广泛应用,其中CdSe薄膜显示出近红外区域较高的透射率,高折射率,高光敏性和较高的吸光度,且具有高稳定性和低制造成本,因此在太阳能电池应用方面受到了广泛的关注。为了进一步优化CdSe薄膜的光学、电学性能,我们对CdSe薄膜进行了不同的掺杂研究。本论文使用磁控溅射技术制备薄膜,采用X射线衍射仪(XRD)、场发射扫描电镜(FESEM)、能量色散X射线光谱(EDX)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)和霍尔效应测试等方法对CdSe薄膜的晶体结构、表面形貌和光电特性进行表征。首先,采用射频磁控溅射法在玻璃和Si衬底上制备了未掺杂的CdSe薄膜,详细研究了溅射功率和溅射压强对CdSe薄膜结构、表面形貌、光学和电学性能的影响。XRD结果表明CdSe薄膜为立方晶体结构,样品以CdSe(111)相结晶。CdSe薄膜的结晶性随着溅射功率的增大而增强,随着溅射压强的增大而下降。FESEM研究表明,薄膜表面晶粒均匀、致密;晶粒尺寸随着溅射功率的增加而增大,随着溅射压强的增加而减小,这与XRD的结果一致。CdSe薄膜的电阻率在0.124Ω.cm~0.77Ω.cm范围内变化,光学带隙变化范围为1.71~1.79 e V,接近于体材料的值。然后,为了改善CdSe薄膜的光学、电学性能,采用射频、直流共溅射的方法通过改变掺杂功率和掺杂时间制备了不同含量的Bi掺杂的CdSe(CdSe:Bi)薄膜,研究了Bi含量对CdSe:Bi薄膜性能的影响。在XRD图谱中,并未发现有关Bi元素的相关衍射峰,CdSe:Bi薄膜衍射峰强度明显高于未掺杂的CdSe薄膜,表明适量的Bi掺杂可以改善CdSe薄膜的结晶性。所有样品的EDX谱显示出Bi元素的存在,表明Bi已经成功掺入到CdSe薄膜中。随着Bi元素含量的增加,CdSe:Bi薄膜的透射率逐渐降低,光学带隙先减小后增大。相比于未掺杂的CdSe薄膜(最小电阻率为0.124Ω.cm),CdSe:Bi薄膜的电阻率下降了1-2个数量级(最小电阻率为0.006Ω.cm)。表明Bi掺杂可以明显改善CdSe的电学性能,但光学性能有所下降。最后,我们采用掺入O的方式,试图进一步改善CdSe薄膜的光学和电学特性。首先利用通入氧气的方式,采用CdSe单靶射频磁控溅射,通过改变氩氧比制备了O掺杂的CdSe(CdSe:O)薄膜,XRD图谱显示,CdSe(111)衍射峰消失,出现了CdSe(200)衍射峰,CdSe:O薄膜结晶性明显下降。为了改善CdSe:O薄膜结晶性,采用CdSe靶和Cd O靶射频磁控共溅射,通过改变Cd O掺杂功率制备了CdSe:O薄膜。XRD图谱也显示了CdSe(200)单一衍射峰的存在,随着掺杂功率的增加,CdSe(200)衍射峰逐渐增强,表明CdSe:O薄膜的结晶性增强。所有样品的EDX谱显示出O元素的存在,表明O已经成功掺入CdSe薄膜中。样品的光学性能和电学性能均得到了良好的改善,可见光区和近红外区平均透射率最高分别可以达到25.78%和78.91%,电阻率最小值达到了0.0002Ω.cm。综上研究结果表明,O的掺杂进一步改善了CdSe薄膜光学、电学性能,具有作为光伏材料的应用潜力。
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