银合金化氧化亚铜薄膜光电性能的研究
氧化亚铜(Cu2O)是一种无毒、地球储量丰富且低成本的p型半导体氧化物，所以近年来引起了人们对其在光伏应用方面的极大兴趣。迄今为止，Cu2O基太阳能电池的实际能量转化效率最高已经达到了约8％。但是该值仍远远低于其20％的理论极限。Cu2O较差的p型导电性和相对较宽的光带隙(约2.17eV)限制了其实际能量转化效率的进一步提高。本文通过反应射频磁控溅射的方法制备Ag合金化的p型Cu2O薄膜，通过控制施加在银靶上的射频功率来改变Ag含量，同时保持铜靶的溅射功率不变，探究不同Ag含量对p型Cu2O薄膜光电性能的影响。本文通过研究Ag合金化Cu2O薄膜的光学和电学性质，证明了Ag合金化可以降低Cu2O的光带隙，密度泛函理论(DFT)计算表明，带隙的减少是由于Cu2O导带底的向下移动，而价带顶位置保持不变。此外在Ag合金化的Cu2O薄膜中，p型载流子浓度显著提高，这可能是由于Ag合金化降低了空穴传输的活化能。本文工作表明，Ag合金化是一种有前途的实用方法，可以提高Cu2O的光电性能，同时也有可能提高Cu2O基太阳能电池器件的实际能量转化效率。 由于低气压高功率高沉积温度条件下制备的Cu2O通常处于压应力状态，向Cu2O晶格内掺入尺寸更大的Ag原子导致体系能量升高，因此Ag合金化很难进行，必须改变Cu2O薄膜的应力状态，并且在远离平衡态条件下沉积薄膜，才能掺入更多的Ag。所以本文又进一步尝试了在薄膜沉积过程中降低溅射功率及提高溅射气压，降低Cu2O薄膜的残余压应力，并且降低沉积温度，在远离平衡态条件下制备Ag合金化Cu2O薄膜，研究非平衡条件下制备的Ag合金化Cu2O薄膜的光电性能。X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)以及X射线光电子能谱(XPS)等结果表明，非平衡条件下制备的Ag合金化的Cu2O薄膜有非常少量的CuO相出现，即使Ag含量达到14.3％，仍没有Ag或与其有关的杂相(Ag2O)出现。紫外可见光近红外分光光度计测试表明，非平衡条件下制备的纯Cu2O的光带隙为2.33eV，通过Ag合金化，Ag含量为14.3％的Cu2O薄膜的光带隙降低到1.53eV，这主要是Ag合金化改变了Cu2O的能带结构所致，同时也可能与少量CuO的贡献有关。此外随着Cu2O薄膜中Ag含量的增加，薄膜电阻率下降，Ag含量为14.3％的Cu2O薄膜的电阻率下降到0.43Ωcm。本文还研究了退火和沉积时间对Ag含量为11.2％的Cu2O薄膜光电性能的影响。紫外可见近红外分光光度计测试表明，退火使Cu2O薄膜光带隙变大。薄膜的Urbach能计算表明，薄膜光带隙变大可能与退火消除或抑制部分缺陷，从而使价带带尾态向下移动有关。不同沉积时间的Ag含量为11.2％的Cu2O薄膜测试表明，沉积时间越长，光带隙变大，载流子浓度上升，载流子迁移率下降，电阻率变大。
氧化亚铜;银合金化;光电性能;磁控溅射
山东大学
硕士
材料物理与化学
田耘
2021
中文
O643.36
2021-08-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）