cu_2o基薄膜制备及其异质结特性研究

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1、分类号密级UDC编号博士研究生学位论文Cu2O基薄膜制备及其异质结特性研究InvestigationonthePreparationofCu2OBasedThinFilmsandtheirHeterojunctionsProperties学院能源与环境科学学院（太阳能研究所）专业名称农业生物环境与能源工程研究方向光伏科学工程研究生姓名自兴发学号B11082803013导师姓名杨培志职称研究员2016年12月4日摘要摘要能源危机与环境污染是人类正面临的两项重大挑战。在太阳能电池研究领域，探索低成本、结构简单、环境友好，具有潜在应用前景的薄膜太

2、阳能电池材料，并寻求提高其光电转换效率的途径是新型太阳能电池的一个重要发展方向。氧化亚铜（Cu2O）是一种p型直接带隙半导体，在可见光区具有较高的光吸收系数。同时，Cu2O组成元素来源丰富、无毒，制备成本低，因此可望作为一种潜在的理想光吸收层用于薄膜太阳能电池。但是，本征的Cu2O载流子浓度低、电阻率大，而且通常制备的Cu2O薄膜大多混有CuO相，降低了Cu2O对可见光的吸收。此外，Cu2O薄膜太阳能电池制备中容易引入不良界面态，从而影响光生载流子的有效分离。上述缺点严重影响了Cu2O薄膜太阳能电池的光电性能。因此，研究如何制备不含CuO等

3、杂相、且具有良好表面态的纯相Cu2O薄膜，实现其有效p型掺杂、减小其电阻率，对于开发高性能Cu2O薄膜太阳能电池具有重要意义。本文基于磁控溅射技术和快速热退火技术，开展了Cu2O、氮掺杂Cu2O（Cu2O:N）、氧化锌（ZnO）及铝掺杂ZnO（AZO）薄膜的制备、结构和光电性能研究。重点研究了关键工艺参数对薄膜的生长行为、物相结构及光电特性的影响规律。最终建立了单相Cu2O薄膜的可控制备技术，实现了Cu2O的p型有效掺杂，并成功制备了Cu2O:N/AZO和Cu2O:N/ZnO/AZO两种的异质结，采用1D－SCAPS模拟软件对异质结性能进行

4、了理论模拟和分析，为开发低成本、高效Cu2O薄膜太阳能电池提供了一种理论参考。论文的主要工作及结论如下：1．采用脉冲磁控溅射单质金属Cu靶制备Cu2O薄膜，研究不同沉积条件对薄膜生长行为的影响、讨论了其可能的形成机制，通过优化沉积条件实现了单相Cu2O（111）薄膜的可控制备；采用射频（RF）磁控溅射Cu2O靶制备Cu2O薄膜，并对预沉积的Cu2O薄膜进行快速热退火（RTA）处理，研究不同沉积条件和退火处理对薄膜生长行为的影响、讨论了其可能的形成机制，通过条件控制制备出单相Cu2O（111）薄膜。结果表明，Cu2O薄膜的晶化温度在300℃附

5、近；在N2气氛下对预沉积Cu2O薄膜进行600℃以下的快速热退火处理不影响薄膜的物I摘要相结构。2．在无氧（O2）环境下采用RF磁控溅射Cu2O靶制备Cu2O:N薄膜，并对其进行快速热退火处理，研究不同N2流量和退火温度对薄膜生长行为的影响、讨论了其可能的形成机制。结果表明，低N2流量（＜12sccm）下沉积的薄膜成分为Cu2O和CuO的混合相，高N2流量（＞12sccm）下沉积的薄膜为纯相的Cu2O:N（111）薄膜，薄膜呈现三维（3D）的结核生长模式；在N2气氛下对预沉积的Cu2O:N薄膜进行快速热退火处理不影响薄膜的物相结构，薄膜的电

6、阻率随退火温度的增加而减小，薄膜展示出较好的电性能。3．在O2和氩（Ar）的混合气氛下采用RF磁控溅射ZnO靶制备ZnO薄膜，研究不同衬底温度对薄膜生长行为的影响、讨论了其可能的形成机制。结果表明，室温（RT）下生长可获得单相的ZnO（002）薄膜，生长温度大于室温制备的ZnO薄膜具有(002)择优生长取向，（103）晶相随生长温度的增加而增强。RT下生长的ZnO薄膜的平均透射率约为85%，可作为薄膜太阳能电池的缓冲层；在无O2环境下采用RF磁控溅射AZO靶制备AZO薄膜，研究不同衬底温度对薄膜生长行为的影响、讨论了其可能的形成机制。结果表

7、明，AZO薄膜具有（002）择优生长取向；衬底温度为150℃沉积的AZO薄膜，展示出较好的表面形貌和光电性能，可作为薄膜太阳能电池窗口层用。4．采用RF磁控溅射在Cu2O:N薄膜上沉积AZO薄膜构筑Cu2O:N/AZO异质结，研究了异质结的光电特性。结果表明，Cu2O:N/AZO异质结展示出明显的整流行为，导通电压（V-42th）为0.68V、电流密度（J）为2.5×10mA/cm；异质结对580nm以下波长范围内的太阳光谱有较强吸收；采用RF磁控溅射在Cu2O:N/AZO异质结间低温（RT）沉积插入ZnO缓冲层，制备了Cu2O:N/ZnO

8、/AZO异质结，研究了异质结薄膜的光电特性。结果表明，插入ZnO缓冲层可有效防止异质结的界面扩散，保护Cu2O:N薄膜的表面态；相对Cu2O:N/AZO异质结，Cu2O:N/Zn