锌锡氧化物薄膜的制备及其在光电器件中的应用

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锌锡氧化物(zinc tin oxide,简写为ZTO)是一类应用范围较为广泛的半导体材料。由于此类氧化物的化学性质比较稳定,而且带隙较宽,在可见光范围内具有较高的透光性。因此,在光电子器件、锂电池、薄膜太阳能电池以及染料敏化太阳能电池等方面都具有较广泛的应用。据文献报道,利用真空制膜技术,在常温条件下制备的ZTO薄膜通常为非晶体,通过高温热处理(高温退火)后,可实现非晶态向晶态的转变,例如,转变成反尖晶石结构的锡酸锌(化学式为Zn2Sn O4)。此外,ZTO还可以用来代替铜锌锡硫硒(化学式为Cu2Zn Sn(S,Se)4,简记为CZTSSe)太阳能电池中含有重金属元素的硫化镉(Cd S)缓冲层。本文利用真空制膜技术制备了ZTO薄膜,探究了ZTO薄膜在CZTSSe太阳能电池以及其它光电子器件中的应用,包括利用ZTO薄膜钝化CZTSSe太阳能电池背界面以提高电池性能,以及利用ZTO薄膜制备基于n-ZTO/p-GaN的宽带隙异质结光电器件。取得的研究成果如下:一、利用射频磁控溅射技术在室温条件下制备了ZTO薄膜,并利用管式炉,且在空气气氛中对制备的ZTO薄膜进行不同温度的后退火处理。研究了不同的退火温度对所制备的ZTO薄膜的微观晶体结构、样品表面形貌、光学性质、电学性质的影响。通过分析实验数据发现,室温制备的ZTO薄膜为非晶态,而经过600℃、700℃、800℃退火处理后呈现结晶态,晶体结构为单一相的反尖晶石结构。进一步使用紫外-可见(UV-Visible)分光光度计对样品进行测试,发现ZTO薄膜的光学带隙随着退火温度的变化而变化。霍尔效应测试的结果表明,ZTO薄膜样品的载流子浓度会随着退火温度的升高,出现逐渐降低的现象。二、在CZTSSe太阳能电池背电极(Mo电极)界面引入不同厚度的非晶态ZTO薄膜对界面进行钝化,研究了不同厚度的ZTO钝化层对电池性能的影响,并着重讨论了最优厚度的ZTO钝化层对电池各项性能的影响。发现适当厚度的钝化层不仅有利于提高吸收层的晶体质量,还可以抑制高温硒化过程中吸收层与Mo电极间的化学反应,减少二次相的生成。对于CZTSSe太阳能电池,当钝化层的厚度约为8 nm时,其开路电压(VOC)、短路电流(JSC)、填充因子(FF)均有所增加,最终获得了8.95%的光电转换效率(PCE)。从变温的光照条件下的电流-电压测试中发现,对于性能最佳的电池,其ΔEg A值较小,再次说明当引入8 nm厚的ZTO钝化层时,电池的背界面复合会减少,从而优化了CZTSSe太阳能电池的各项性能。三、利用射频磁控溅射技术在p型GaN(简记为p-GaN)薄膜上生长ZTO薄膜,以形成基于n-ZTO/p-GaN结构的异质pn结。对n-ZTO/p-GaN异质结进行了电流-电压测试,发现该异质结具有良好的整流特性。
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