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透明导体是指一类在可见光区域同时具有高透光性(透明度)和高导电率的半导体材料,其研究始于1907年。目前,主要的透明导体都是导电氧化物(Transparent Conducting Oxide,TCO)。刀型TCO如In2O3:Sn(ITO)、SnO2:F,已经广泛应用于平面显示、建筑和太阳能源系统等领域。因能源紧张和环境污染,太阳能光伏发电在各个国家正受到前所未有的特殊重视,但由于缺乏p型导体材料作为透明电极,仍存在能量转换效率太低、市场竞争力低下等问题。此外,如果没有p型透明导体,无法实现p-n结及其相应的透明器件。p型透明导体的开发研究显得越来越重要和紧迫。
近十年来对p型材料的复兴,大多集中在CuAlO2、SrCu2O2等氧化物的研究。由于氧化物的电荷迁移率通常比n型材料低2个数量级,电导率也较ITO等低3个数量级,严重限制了透明导体及其相关器件的广泛应用。由于氧化物电荷迁移率不高的根本原因是强电负性的O对空穴载流子的高度局域作用,因此,通过用弱电负性硫族元素如S、Se或Te,可以减弱载流子受到的局域影响,开辟一条制备p型透明导体材料的新途径。本论文的目的就是要寻找一些新型含铜硫族化合物透明导体材料,为此,论文研究工作围绕新的化合物合成、表征及其作为p型透明导体的应用而展开。
整个论文分为八章:
第一章论述了透明导体的重要性、历史与发展。首先简要介绍了基于透明导体材料的太阳电池,然后对p型透明导体的相关研究作了详细介绍。
第二章给出了论文所采用的测试与表征方法,及其相关原理。
第三章基于对已有透明导体材料的晶体结构分析、组成一结构—性能相互关系,提出了一种p型透明导体的设计模型。模型指出,选择含铜的硫化物或氧硫化物、晶体结构为层状的化合物,是设计p型透明导体的重要途径。
第四章对符合设计模型的La5Cu6O4S7进行了光电性能的表征,验证其为p型导电特性,从结构特征和理论计算比较了LaCuOS与La5Cu6O4S7作为p型透明导体时的性能差异,探讨了La5Cu6O4S7导电性能改善的机理。指出La5Cu6O4S7的导电机构来源物质内部,室温导电率比LaCuOS高出3个数量级。
第五章首先合成了新的硫族化合物LnCuOTe(Ln=La,Ce,Nd),并对其晶体结构进行了解析和光学性能的研究。然后讨论了LaCuOQ(Q=S,Se,Te)光学和电学性能的差异及其机理,探讨LaCuOTe作为p型导体与LaCuo Q(Q=S,Se)的优劣。LaCuOTe是符合设计模型的一种全新的物质,因导电途径的改善提高了材料导电率,其室温导电率为1.65 S/cm。
第六章选取符合设计模型的、结构特征独特的Sr3Cu2Sc2O5S2(SCSOS)为对象进行了相关性能的研究。由于该物质具有高温超导材料中常见的钙钛矿结构层[Sr3Sc2O5],故期待其具有优良的光学、电学性能。研究结果显示,scsos具有目前报道p型透明导体材料中最高的电荷迁移率(240 cm2V-1S-1),符合透明导体光学透光性必需的宽能隙(3.1 eV)、良好的室温导电率的要求(2.17 S/cm)。
第七章还对一些新型硫族化合物的合成、结构和性能进行了研究。La1-xYxCuS2中Y取代La,当Y掺量小于或等于25%时,LalxYxCuS2保持为类LaCuS2的层状结构,随Y掺杂量的增加,材料光学带隙宽度依次增大。此外,还合成了5个具有新颖结构特征的硫系化合物,并对其结构进行了表征和论述。
第八章对全文进行了总结。