ZnO/p-Si异质结制备优化及光电性能研究

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ZnO是直接带隙宽禁带半导体材料,在p型单晶硅上沉积一层ZnO薄膜形成异质结太阳能电池可以与Si形成窗口效应,分别吸收不同波长段的光子,更有效地利用太阳能光谱,同时由于氧化锌的可见光透过率高,而硅的主要吸收光正好为可见光,导致可以更好的互不影响地对光的吸收与转换,理论上可以获得比硅电池更高的转换效率。ZnO还具有原料丰富、价格便宜、生长温度低、可见光透过率高、无毒无污染、热稳定性和化学稳定性好、易刻蚀且可与已发展非常成熟的硅微电子集成工艺相容等优点,被广泛应用于太阳能电池、透明电极、光波导器件、液晶显示和窗口材料等本文使用射频磁控溅射法在单晶硅衬底上制备ZnO薄膜,并制备面栅形电极和背电极制备成简易太阳能电池,尤其关注ZnO薄膜膜厚、衬底加热温度和退火温度等三个敏感和关键工艺,研究薄膜的结构与各项光电性能得出ZnO薄膜膜厚、衬底加热温度和退火温度对异质结太阳能电池光电转换性能的影响,得出结论如下:1)在适当的膜厚范围内,随着膜厚的增加,在氧化锌本征吸收的小于380nm波长段的光的吸收增多,而400nm-800nm波长段的光吸收减少。2)若ZnO薄膜过薄或过厚,电池的短路电流均会降低,量子效率与光电转换效率也会降低。3)镀膜时间在30min的膜厚为153.Onm的样品最适中,电池性能也最好,开路电压为114mV,短路电流为203.3μ A,最大功率为5662nW,转换效率为0.12%。4)衬底温度的增加,薄膜样品的电阻率逐渐降低,透光率逐渐增大;而薄膜的表面粗糙度和颗粒尺寸先增大后减小。太阳电池的量子效率与电池性能均为先增大后减少,峰值在衬底温度为350℃的样品。5)衬底温度为350℃的样品的薄膜样品的表面平整度最好,结构最完整,所得的电池的量子效率与电池性能也最好,短路电流为515.3μA,开路电压为270mV,最大功率为28.3μ W,转换效率为0.58%。6)己退火的样品在薄膜质量、光透过率、量子效率与电池性能等方面上均比未退火的样品性能要好,说明退火能有效的提高薄膜质量以及样品的光电性能。7)随着退火温度的增加,薄膜样品的晶粒尺寸逐渐增大,c轴择优取向生长性先变优再减弱,粗糙度先减少再稍微增大,光透过率先增大后减少,异质结太阳能电池的量子效率与电池性能也先变好再减弱。8)退火温度为400。C的样品的结构最完整,缺陷最少,光透过率最高,光电转换性能也最好,短路电流为1589.0μ A,开路电压为194mV,填充因子为0.245,最大功率为75.57μ W,转换效率为1.54%,远大于未退火样品的性能。
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