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在光伏材料研究领域,有机无机复合材料是人们的研究热点之一。在有机无机复合膜材料中,有机物主要起到增加光吸收作用,提高了太阳电池对太阳光的利用率。氢化非晶硅(无机材料)太阳能电池虽然过去的三十年中在研究方面已经取得较大的进步,但是氢化非晶硅太阳电池本身局限性在一定程度上限制了它的发展,例如氢化非晶硅薄膜光响应范围有限,未能充分利用太阳光等。为了提升氢化非晶硅的光电转换效率而又不较大幅度增加电池生产成本,有研究者提出从有机无机复合的角度来扩展氢化非晶硅薄膜对太阳光的光响应。本文以有机材料酞菁锌扩展氢化非晶硅薄膜对太阳光的光响应为出发点,从薄膜的结构,光电性质以及器件等方面对酞菁锌敏化氢化非晶硅进行了系统研究,取得了一些研究成果。
首次提出酞菁锌对氢化非晶硅敏化机制。实验表明:(1)与纯氢化非晶硅薄膜对比发现,酞菁锌/氢化非晶硅复合膜的光电导率得到提高;(2)光电导谱测试显示酞菁锌改善了复合薄膜的光响应谱,改善范围为1.6-2.02 eV;(3)本文基于上述实验基础,则首次提出了酞菁锌提高氢化非晶硅薄膜光电性能的敏化机理,如下:光激发下酞菁锌中产生的激子扩散至酞菁锌/氢化非晶硅界面处,激子被界面处内建电场分离。分离的电子与空穴在电场作用下分别漂移至氢化非晶硅与酞菁锌,从而增加氢化非晶硅中过剩电子的密度,最终氢化非晶硅的光电导得到提高。对酞菁锌敏化氢化非晶硅的机制解释未见报道;(4)电子迁移率一寿命乘积(μτ)与调制光电流相移测试表明复合膜的电荷输运性质得到明显改善。因氢化非晶硅晶相比的变化亦会造成其光电性能的改变,所以本文对复合膜与纯氢化非晶硅薄膜进行了拉曼表征,对测试结果进行分析发现复合膜中氢化非晶硅与纯氢化非晶硅薄膜均为典型的氢化非晶硅材料,且在实验误差范围内两者相结构一致。因此,上述结果表明复合膜中酞菁锌的存在并没有改变氢化非晶硅的相结构,复合膜中氢化非晶硅光电性能的提高是由于酞菁锌的敏化作用所致。
其次,本文首次发现了酞菁锌/氢化非晶硅复合膜的暗电导率相对于纯氢化非晶硅薄膜下降的现象,该现象在此之前未见报道。随后本文对这一现象进行了系统的研究,发现在所研究的氢稀释比变化范围内,随着沉积氢化非晶硅薄膜时氢稀释比的增大,复合膜暗电导率相对于纯非晶硅薄膜下降的幅度增大。另外,氢化非晶硅的暗电导率与其激活能直接相关,实验中对复合膜与纯氢化非晶硅进行了激活能测试,发现在所研究的氢稀释比变化范围内,复合膜中的氢化非晶硅薄膜的激活能明显大于相应的纯氢化非晶硅薄膜。因半导体材料的激活能反映的是其费米能级在带隙中的位置,所以本文主要从能带理论方面对这些现象进行了讨论和解释。氢化非晶硅材料的功函数小于酞菁锌,在两种材料接触时氢化非晶硅中费米能级以下的电子则会流向酞菁锌,使得氢化非晶硅中电子填充水平下降,使得其费米能级下降,从而氢化非晶硅的激活能增大,暗电导率下降。