Sc掺杂ZnO薄膜的绒面结构研究

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ZnO属于II-VI族化合物半导体材料,具有六方纤锌矿结构,本征ZnO在室温下的禁带宽度为3.37ev。ZnO因具有原材料丰富、成本低廉、光电性能优异、无毒等特点而广泛应用于紫外探测器、表面声波器件及薄膜太阳能电池的窗口层中。与最常见的AZO相比,ⅢB族的稀土元素Sc3+(0.0745nm)具有与Zn2+(0.0740nm)更接近的离子半径,掺入ZnO晶格中替代Zn2+时引入的晶格畸变将会很小,从而可以减少缺陷,提高薄膜的结晶质量,因而受到了广泛关注。同时,SZO也具有AZO所没有的良好的抗腐蚀性能。绒面ZnO薄膜具有较好的陷光作用和散射能力,不仅可以提高光透过率,还可以增强光散射能力,增加入射光在薄膜太阳能电池中的光程,提高光利用率,最终提高薄膜太阳能电池的短路电流和效率。本论文利用射频磁控溅射的手段,通过改变薄膜沉积温度、溅射压强及溅射功率,成功制备出了具有绒面结构的SZO薄膜,并运用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、紫外可见光分光光度计、霍尔测量仪等对薄膜的晶体结构、表面形貌及光电性能进行了表征,系统研究和分析了不同制备条件对于SZO薄膜绒面结构特性的影响。首先,为了研究沉积温度对SZO薄膜绒面结构的影响,分别在室温、250℃、350℃、450℃的条件下制备出了不同结构的SZO薄膜,并对其相关特性进行了表征与测试,结果表明,当沉积温为250℃时,SZO薄膜具有平行于衬底的(100)择优取向,薄膜表面呈现“类金字塔”型结构,形成了良好的绒面,陷光效果较好,光散射能力较强,具有最高的光全透过率及散射透过率,Haze系数最大。随着沉积温度的不断上升,SZO薄膜的生长方向逐渐由平行于衬底的(100)方向过渡到垂直于衬底的(002)方向,薄膜表面逐渐平坦化,由粗糙不平的绒面结构转变为光滑的镜面结构,陷光效果减弱甚至消失,光散射能力下降,薄膜的光全透过率及散射透过率均较低,Haze系数变小。SZO薄膜的载流子浓度随着沉积温度的升高不断上升,霍尔迁移率不断下降,由于载流子浓度的变化占据主导地位,因而SZO薄膜电阻率随着沉积温度的升高而不断降低。其次,为了研究溅射压强对SZO薄膜绒面结构的影响,分别在0.5pa、1.0pa、1.5pa及2.0pa的条件下制备出了具有不同结构的SZO薄膜,并对其相关的性能进行了测试与表征,结果表明,当溅射压强较低时,SZO薄膜具有垂直于于衬底的(002)择优生长取向,表面较为平整,形成了光滑的镜面结构,薄膜全透过率及散射透过率均较低。同时,薄膜载流子浓度较高、霍尔迁移率较低,电学性质较好。随着溅射压强的不断升高,SZO薄膜择优取向逐渐由垂直于衬底的(002)方向向平行于衬底的(100)方向转变,在1.5pa时(100)择优取向占主导地位,薄膜表面呈现“类金字塔”型绒面结构,陷光效果增强,光散射能力提高,薄膜具有最高的可见光全透过率和散射透过率,分别为87.21%和5.49%,Haze系数较大。随着溅射压强的进一步升高,SZO薄膜结晶质量较差,晶粒呈现不规则的生长,薄膜电学性质及光学性质均有所退化,Haze系数较小。最后,为了研究溅射功率对SZO薄膜绒面结构的影响,分别在60w、90w、120w及150w的条件下制备出了具有不同结构的SZO薄膜,并对其相关特性进行了表征与测试,结果表明,当溅射功率为90w时,SZO薄膜具有平行于衬底的(100)择优生长取向,晶粒尺寸较大,薄膜表面呈现出高低起伏的“类金字塔”型绒面结构,陷光效果及光散射能力较强,具有最高的光全透过率及散射透过率,分别为85.50%及7.93%,Haze系数也较高。随着溅射功率的进一步升高,SZO薄膜逐渐由平行于衬底的(100)择优取向向垂直于衬底的(002)择优取向转变,晶粒结合致密,晶粒尺寸发生细化,薄膜表面逐渐平坦化,形成了镜面结构,陷光效果及光散射能力逐渐减弱,全透过率及散射透过率下降,Haze系数减小,同时,SZO薄膜的载流子浓度随溅射功率的增加而逐渐变大,霍尔迁移率及电阻率则逐渐下降。
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