柔性薄膜太阳电池用zno3aal薄膜的制备与表征

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1引言在自然条件下，透明的物质基本是不具备导电性，如水晶；而导电性能良好的物质又通常不具备透明性，如金属。TCO是把光学透过性和导电性结合在一体的光电材料，该种人工合成的光电薄膜材料打破了人们的传统观念。由于它兼具透光和导电性，203在红外光区有很高的反射性。而且TCO本身拥有高的载流子浓度（一般可达10/cm），在不同的电磁波谱范围内具有光选择性。由于这些优异的光电特性，使其成为功能材料中别具一格的一类薄膜，在光伏领域、液晶显示、气体传感器、飞机和车用导热玻[1]璃等领域得到了广泛的应用。ZnO是Ⅱ

2、-Ⅵ族化合物，是一种重要的宽禁带（3.37eV）、直接带隙半导体材料。ZnO的激子束缚能高达60meV，由于比室温热离化能26emV还高出了34emv，使得其在室温或更高温度条件下就可以实现高效率的激子受激发射。特别是自从ZnO的紫外[2]受激发射被发现后，看到了其在透明电极、太阳电池窗口材料、紫外发光二极管（LED）、激光器（LD）、紫外探测器及光波导器件等领域的应用前景，世界上兴起了[3]ZnO薄膜的研究热。非故意掺杂的氧化锌存在着本征的锌间隙原子（Zni）和氧空位（Vo），由于本征点缺陷的存在，ZnO禁带中被引入了施主能级，使Z

3、nO表现为是一种本征的弱N型半导体材料。本征的氧化锌薄膜具有N型半导体的特征，但其性能在温度超过150℃时不够稳定而且其导电性能离实际的应用还有差距。使用铝、镓、铟等第Ⅲ主族元素或氯、碘等卤素可以调节其N型半导体性能。ZnO:Al薄膜除了满足TCO薄膜对于电学和光学方面的要求外，还有原材料丰富、成本低廉、无毒性及热稳定高等优点，很有潜力替代传统的TCO薄膜（ITO、SnO2、CdO、In2O3、ZnO），势必会推动廉价透明导电薄膜的发展，大大降低太阳电池成本。近些年来关于薄膜光伏技术的报道很多，各种各样的透明导电薄膜被用作窗口层材料。

4、作为窗口材料必须在光透过、光电流产生、电流收集等方面表现优秀。重量轻，1华中科技大学硕士学位论文而且可以折叠、卷曲的非晶硅薄膜太阳电池被认为很有商业应用价值，但由于其光电转换效率底、性能不够稳定，还不能完全走向市场。总所周知，长期工作的稳定性是所有光伏电池的共同要求，但对于柔性的光伏电池组件却又更加至关重要。这是由于柔性衬底材料（常见的如Polymeric、Polyester和Polyimide）长期暴露在大气环境中，空气中的气体分子和一些金属元素很容易渗入到衬底材料中，从而严重影响电池的性[4]能，加速电池的老化。硅基薄膜太阳电池要

5、求透明电极有低的光、电损失，高电导率和透过率，及在氢或SiH4等离子环境下能够保持性能稳定。同时，TCO薄膜表面要有凹凸起伏的绒面结构，实现对入射光的散射，增大太阳光在电池内的光程，从而增[5]大开路电压、短路电流及光电转换效率。所以一种化学性能稳定，能够抵抗潮热、高温，有良好的陷光效应、绒面效果，且适宜生长非晶硅薄膜的透明导电薄膜对于柔性太阳电池来说显得尤为关键。由于非晶硅薄膜太阳电池（a-Si:H）的制备工艺通常采用等离子体化学气相沉积，那么电极就必须暴露在等离子体中，而传统的In2O3、ITO、SnO2:F容易被氢离子还原成金属

6、原子掺杂在太阳电池中，从而降低电池效率。ZnO:Al除了拥有普通TCO的光电性能外，它在等离子体环境中性能稳定，使其在非晶硅太阳电池应用中脱颖而出，成为研究的热点。除此之外，ZnO:Al的应用领域及其市场需求量也在不断扩充，包括各类的触屏显示器、等离子体显示屏和特殊功能玻璃。另外透明导电薄膜在电子照相、静电复印、防电防磁、热反射、光磁记录等领域也有广泛应用。1.2ZnO概述1.2.1ZnO的基本性质氧化锌是一种宽禁带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料。由于氧空位和锌间隙原子的存在，本征氧化锌是N型半导体材料。该种半导体材料有良好的透光性、高电子迁移率

7、、宽带隙、室温发光强等性能，这些属性已经应用于一些新兴领域，如液晶显示器的透明电极，并在节能或热保护窗口中也得到了很好的应用。氧化锌主要有两种形式的晶体结构，立方闪锌矿（Zincblende）和六角纤锌矿（Wurtzite）。纤锌矿结构在普通环境下是最稳定的，因此也是最常见的，Zn、O原子2华中科技大学硕士学位论文都是按密堆积方式排列，每个O原子位于由Zn原子形成的四面体中，大约占到四面体一半的体积，Zn原子拥有和O原子相似的排列规则，其结构如图1-1所示。相比纤锌矿结构，立方闪锌矿结构ZnO更不稳定，难在自然环境下形成，但相同原子也

8、构成四面体结构且相互嵌套。图1-1六角纤锌矿ZnO晶体图1-2氧化锌能带结构，实线为紧束缚态模型，虚线为雁势能带法闪锌矿结构和纤锌矿结构ZnO晶体无轴对称但有中心对称，使其表现出许多特性。两种结构ZnO都有压电效应，但纤