znosi异质结的光电转换特性研究

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1、第57卷第7期2008年7月1000一3290，2008／57(07)，4471．05物理学报ACTAPHYSICASINICAV01．57，No．7，July．2008@2008chin．P}lys．S0c．Zno／Si异质结的光电转换特性研究*．张伟英邬小鹏孙利杰林碧霞傅竹西+(中国科学技术大学物理系，合肥230026)(2007年11月14日收到；20cr7年12月12日收到修改稿)利用直流反应溅射方法在p型si衬底上生长掺Al的n型znO薄膜，测量了由n型zn0薄膜和p型si衬底组成的异质结在黑暗和光照条件下的，-y特性，结果表明该异质结具有优良的整流特性，而且

2、在光照条件下的反向电流迅速增大并很快趋于饱和．通过测量zn0薄膜的光电流和异质结的光电压的光谱响应，初步分析了异质结的光电转换机理．测量结果显示，在入射光波长为380哪时光电流强度明显下降，反映出光电流与znO薄膜禁带宽度的密切关系；同时还发现，在与zn0禁带宽度相对应的波长前后所产生的光生电压方向相反．推测这一现象与异质结的能带结构密切相关．关键词：znO薄膜，异质结，光电转换，光谱响应PACC：72．40，7340L，7320A1．引言为了缓解当前能源危机和减少环境污染，太阳能电池的研究日益引起每个国家的重视．根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池、多元化

3、合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类．其中硅太阳能电池目前发展最成熟，应用最广泛．计算和实验结果均证实，用禁带宽度为O．8eV一1．5eV范围内的半导体材料制作的太阳能电池，对太阳光的利用效率最高，占太阳光投射能量的50％左右⋯．Si的禁带宽度为1．1ev，正好属于上述范围．在以往制备si太阳能电池时，通常采用rI’IO做透明电极，TIO的制作成本较高，而且对紫外波段有强烈的吸收，影响了对太阳光的充分利用，因而促使人们寻找新的透明电极．作为一种宽禁带半导体材料的Zn0薄膜不仅具有很好的导电性，而且从近紫外到红外波段都具有非常高的透过

4、率．因此，znO／Si异质结太阳能电池的研究受到了广泛关注【2-6]，对于此类太阳能电池，znO薄膜的作用和其他TCO薄膜在太阳能电池中的作用有所不同"-91，它不但可作为透明窗口，而且作为一种n型半导体材料与si衬底构成异质结构．由于异质结太阳能电池前后两种材料的禁带宽度不同，利用这种窗口效应可以提高入射光的收集效率，理论上可以获得比同质结Si光电池高很多的转换效率．但目前该类太阳能电池实际所达到的转换效率远低于理论预期的结果，同时还存在重复性差的问题，因此，有必要深入开展光电转换机理的研究，以期找出提高znO／si太阳能电池光电转换效率的途径．本文利用直流反应溅射方

5、法制备了znO，si异质结构，研究了样品的光电转换特性，并通过对光生电流和光生电压的光谱响应特性的分析，讨论了znO／Si的光电转换机理．2．实验利用直流反应溅射方法在p型Si(100)衬底上制备了掺灿的znO膜，实验所用的p型si(100)基片的面积为lcm×1．5cm，电阻率为6—12Q·cm，载流子浓度为lO”cm。量级．Si衬底先经过有机和无机溶剂的超声清洗，以除去表面的有机和无机杂质(包含SiO：)，然后用去离子水充分清洗干净，最后用干燥的N：吹干后迅速放入真空室．溅射所使用靶材是由纯度99．99％的金属zn片镶嵌Al条制作而成，靶与基座的距离为4cm．在溅射

6、生长ZnO薄膜之*国家自然科学基金(批准号：50532070)和中国科学院三期创新项目(批准号：Ⅺc】(3．5Yw．w01)资助的课题t通讯联系人．E．mil：妇@uslc．edu．cn物理学报57卷前，衬底由电阻丝加热到400℃，高纯的Ar和O，分别为溅射气体和反应气体．溅射电压和溅射电流分别为2．OkV和5—10mA，溅射时间为1．5h．znO薄膜的厚度是由TPY．1型椭圆偏振测厚仪(天津拓普仪器有限公司)测得，其值为150nm．利用一个15w的自炽灯从znO膜一侧入射到样品上，测量了光照前后异质结的^I，特性；测量znO薄膜的光电导和n．zn0／p．si异质结的光

7、生电压的光谱响应时所用的单色仪型号为wDS．5，光栅规格为1200(条／mm)(天津拓普仪器有限公司)，光源为北京卓立汉光仪器有限公司型号LHxl5功率150w的氙灯．3．结果与讨论图1显示了n．ZnO：Al，p．si异质结在光照前后的，．y特性曲线．在黑暗条件下，异质结呈现明显的整流特性．在光照下，异质结电流．电压特性与黑暗条件下有很大的差别．反向电流急剧增强并很快趋于饱和，在电压为一5V时电流达到一3mA．并且发现当偏压为0时，外电路中仍然有一O．67mA的电流流过，而在外加偏压为0．35V时外电路中电流为零．产生上述现象的原因在于，