叠层太阳能电池吸收层Ge_(1-x)C_x薄膜的制备与性能

【摘要】：随着化石能源的日益枯竭及环境污染的不断加重，太阳能作为清洁可再生能源，对其开发及利用受到极大的推崇。太阳能电池是利用太阳能的主要途径，其中，薄膜太阳能电池具有节省原材料、成本低廉等优点，得到了极大的发展。但目前仍未找到吸收性能好、带隙可调的叠层太阳能电池吸收层材料。因此，研究开发新型吸收层材料对薄膜太阳能电池的发展具有非常重要的意义。将C掺入Ge晶格中形成Ge1-xCx薄膜可使晶格常数减小、禁带宽度增大，同时保持高的太阳光吸收效率，兼具带隙可调等特点。因此，Ge1-xCx薄膜是很有发展前景的叠层太阳能电池光吸收层材料。 本文主要研究在石英玻璃和硅衬底上通过反应射频磁控溅射法在Ge靶和CH4气氛下和磁控共溅射法在Ge靶和C靶下制备Ge1-xCx薄膜的制备工艺和性能，采用通用的测试手段对Ge1-xCx薄膜的沉积速率、成分、结构、带隙和电学性质进行分析，并通过第一性原理计算了闪锌矿结构GeC的表面特性和B掺杂特性。本文的主要研究内容及结果如下： 通过反应磁控溅射工艺制备非晶Ge1-xCx薄膜，揭示了射频功率、衬底温度和气体流量比等主要工艺参数对薄膜沉积速率、光学性质和键结构的影响规律。在实验条件范围内，薄膜的沉积速率随射频功率和甲烷气体流量比的增加而增大，随着氢气流量比和衬底温度的升高而减小。光学带隙主要受薄膜成分和键结构影响，随着射频功率和衬底温度的升高而减小，随着甲烷气体流量比的增加而增大，随着氢气流量比的增加先减小后有微小增大。XPS分析表明，高的射频功率和氢气流量比、低的衬底温度和甲烷气体流量比，有利于薄膜中Ge-C键的形成。 通过XRD分析得到在本实验条件下反应磁控溅射制备的Ge1-xCx薄膜主要为非晶态结构。所制备的Ge1-xCx薄膜经500℃退火后仍未有明显的晶化。在较低C含量下随着退火温度升高带隙减小，而在较高C含量下带隙变化不大。此外，薄膜中的Ge-H键和C-H键分别在300℃和400℃时开始分裂，两者的断裂均导致薄膜无序度的增加。最后，对所制备的非晶Ge1-xCx薄膜进行了性能评估，发现其具有高的吸收系数、宽范围的带隙变化以及好的表面电极接触特性，可以作为叠层太阳能电池的光吸收层材料。 采用锗靶和石墨靶的磁控共溅射工艺制备出微晶Ge1-xCx薄膜，揭示了衬底温度和氢气流量对薄膜沉积速率、光学性质、键结构和晶体结构的影响规律。在实验条件范围内，Ge1-xCx薄膜的沉积速率随衬底温度和氢气流量增加基本保持不变。薄膜的光学带隙随着氢气流量的增加基本保持不变，但随着衬底温度的升高而减小。通过对薄膜晶体结构进行分析，发现高的氢气流量有利于薄膜晶体生长，并且对石墨相具有刻蚀作用，有利于薄膜中Ge-C键的形成，从而促进薄膜形成微晶Ge1-xCx薄膜。高的衬底温度虽有利于薄膜结晶，但薄膜中的Ge-C键含量较小，说明Ge与C出现分相。 对磁控共溅射和反应磁控溅射两种不同的工艺制备的Ge1-xCx薄膜进行了对比研究，发现在相同的C含量下，共溅射制备的非晶Ge1-xCx薄膜致密，具有较高的光学带隙和折射率，薄膜中的Ge-C键含量较高，但是沉积速率远小于反应磁控溅射制备的薄膜。 采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对闪锌矿结构GeC的结构参数、力学性质以及电子结构进行了研究。计算得到的结构参数与实验值和理论值相吻合，表明本文所采用的模型和计算方法是可靠的。研究了闪锌矿结构GeC(001)面的表面弛豫、表面能、表面热稳定性及电子结构。当两种终止面弛豫后，C原子均向体内移动，Ge原子均向体外移动，表现出振荡弛豫现象；Ge-终止面的GeC表面表现出金属特性，而C-终止面则表现为P型半导体特性，其带隙大小为0.6eV。此外，闪锌矿结构GeC(001)面的平均表面能为3.91J/m2，并且Ge-终止面表面结构比C-终止面表面结构更稳定。 系统研究了不同浓度B掺杂GeC的特性，揭示了B掺杂浓度对GeC电子结构和光学性质的影响规律。计算结果发现：B原子置换C原子掺杂GeC，其带隙类型从间接跃迁带隙变为直接跃迁带隙，并且掺杂后GeC材料的介电常数明显增大，光吸收边在红外波段（0-2eV）出现了一个新的吸收峰。此外，计算得到的光学特性出现了红移现象。 【关键词】：Ge1-xCx薄膜 光学性质 电学性质 磁控溅射 第一性原理
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TB383.2;TM914.4
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 论文的主要创新与贡献9-10
• 目录10-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 传统太阳能电池14-18
• 1.2.1 硅基太阳能电池14-15
• 1.2.2 多元化合物太阳能电池15-16
• 1.2.3 聚合物修饰太阳能电池16-17
• 1.2.4 染料敏化太阳能电池17
• 1.2.5 量子点太阳能电池17-18
• 1.2.6 太阳能电池的展望18
• 1.3 叠层太阳能电池18-21
• 1.3.1 叠层电池的制备方法19
• 1.3.2 叠层电池的研究进展19-21
• 1.4 碳化锗的研究进展21-25
• 1.4.1 非晶 Ge_(1-x)C_x的研究21-22
• 1.4.2 微晶 Ge_(1-x)C_x的研究22-24
• 1.4.3 晶体 Ge_(1-x)C_x的研究24-25
• 1.4.4 GeC 的理论计算研究25
• 1.5 本文的选题背景和意义25-26
• 1.6 本文的主要研究内容26-28
• 第2章 薄膜的制备和性能表征28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 GeC 薄膜的制备工艺28-33
• 2.2.1 射频磁控溅射法原理28-30
• 2.2.2 实验设备30-31
• 2.2.3 工艺参数31-32
• 2.2.4 工艺流程32-33
• 2.3 薄膜的性能表征33-38
• 2.3.1 薄膜的表面形貌分析33-34
• 2.3.2 薄膜的厚度测定34
• 2.3.3 薄膜的成分分析34-36
• 2.3.4 薄膜的结构分析36-37
• 2.3.5 薄膜的光学性质分析37
• 2.3.6 薄膜的电学性质分析37-38
• 2.4 理论计算38-41
• 2.4.1 第一性原理介绍38-39
• 2.4.2 CASTEP 简介39-40
• 2.4.3 理论模型和参数40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第3章 非晶 Ge_(1-x)C_x薄膜的制备工艺和性能42-74
• 3.1 引言42
• 3.2 射频功率42-47
• 3.2.1 晶体结构42-43
• 3.2.2 成分和键结构43-45
• 3.2.3 沉积速率45
• 3.2.4 光学性质45-47
• 3.3 衬底温度47-52
• 3.3.1 晶体结构48
• 3.3.2 成分和键结构48-50
• 3.3.3 沉积速率50-51
• 3.3.4 光学性质51-52
• 3.4 CH_4气体流量52-57
• 3.4.1 晶体结构52
• 3.4.2 成分和键结构52-55
• 3.4.3 沉积速率55-56
• 3.4.4 光学性质56-57
• 3.5 H_2气体流量57-61
• 3.5.1 成分和键结构58-59
• 3.5.2 沉积速率59-60
• 3.5.3 光学性质60-61
• 3.6 退火温度对薄膜性能的影响61-67
• 3.6.1 晶体结构61-62
• 3.6.2 薄膜键结构62-64
• 3.6.3 禁带宽度64-65
• 3.6.4 带尾态结构65-66
• 3.6.5 薄膜电导率66-67
• 3.7 性能评估67-72
• 3.7.1 禁带宽度67-68
• 3.7.2 吸收特性68-69
• 3.7.3 电学特性69-70
• 3.7.4 表面特性70-72
• 3.8 本章小结72-74
• 第4章 微晶 Ge_(1-x)C_x薄膜的制备74-90
• 4.1 引言74
• 4.2 衬底温度对薄膜性质的影响74-78
• 4.2.1 沉积速率74-75
• 4.2.2 光学性质75-76
• 4.2.3 晶体结构76-78
• 4.3 氢气流量对薄膜性质的影响78-81
• 4.3.1 沉积速率78-79
• 4.3.2 光学性质79-80
• 4.3.3 晶体结构80-81
• 4.4 反应溅射和共溅射对比81-89
• 4.4.1 晶体结构82-83
• 4.4.2 键结构83-86
• 4.4.3 沉积速率86-87
• 4.4.4 光学性质87-89
• 4.5 本章小结89-90
• 第5章 GeC 表面特性计算90-104
• 5.1 引言90
• 5.2 体相 GeC 特性90-95
• 5.2.1 计算方法90-91
• 5.2.2 弹性常数计算91-93
• 5.2.3 电子结构计算93-95
• 5.3 GeC 的表面模型及计算方法95-96
• 5.3.1 表面模型95-96
• 5.3.2 计算方法96
• 5.4 GeC 表面的原子结构96-99
• 5.4.1 表面弛豫96-97
• 5.4.2 表面能及热稳定性97-99
• 5.5 GeC 表面的电子结构99-102
• 5.6 GeC 表面的键角和成键特性102-103
• 5.7 本章小结103-104
• 第6章 B 掺杂 GeC 的模拟计算104-114
• 6.1 引言104
• 6.2 掺杂模型104-105
• 6.3 计算方法105
• 6.4 不同浓度 B 掺杂下的结构参数105-106
• 6.5 掺杂浓度对电子结构的影响106-108
• 6.6 掺杂浓度对光学性质的影响108-112
• 6.7 本章小结112-114
• 结论114-116
• 参考文献116-128
• 攻读博士学位期间发表的学术论文128-129
• 致谢129-130

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

江南体育在线直播观看 电池综述    成志秀;王晓丽;

叠层太阳能电池的研究与发展    郝春云,杨明辉,杨海涛,高玲

太阳能电池及材料研究和发展现状    汪建军;刘金霞;

Ag-聚酯复合薄膜的微结构与光学性能研究    梁平;曹铃;宋学萍;程晓敏;孙兆奇;

过渡元素原子“例外”电子层结构的浅释    盛恩宏,杜俊,倪申宽

同科电子各多重态的微观态个数计算公式    姚关心,汪小丽,张先燚,许新胜,凤尔银,季学韩,崔执凤

一维势箱模型与休克尔分子轨道理论的关系    叶世勇;费鹏;

硬岩边坡预应力锚索地梁坡体压力分析方法    肖世国;欧源;

TiN晶体弹性常数的第一性原理计算    张铭,申江,何家文

Cd_(1-x)Zn_xS三元系颜料红外性能研究    顾冰芳;徐国跃;任菁;罗艳;蔡刚;

生长温度对L-MBE制备的ZnO薄膜性能的影响    徐庆安;张景文;杨晓东;巨楷如;贺永宁;侯洵;

多孔硅有效介电函数研究    李宏建;卓敬清;欧阳俊;闫玲玲;熊志勇;

Si薄膜介电函数的椭偏光谱分析    杨定宇;蒋孟衡;

掺钕硼酸锂玻璃光学性质的研究    吴仕梁;连洁;马跃进;宋平;高尚;王晓;马峥;官文栎;

LED光致/电致发光的p-n结温度差异及其对光电特性的影响    文玉梅;张敏;李平;文静;王科;

单晶和强织构材料宏应力的X光衍射分析方法    白埃民;何崇智;

低温沉积的Ag和Ag-Cu薄膜的耐原子氧性能    胡明;高晓明;孙嘉奕;翁立军;杨军;伏彦龙;汪晓萍;

CdGeAs_2晶体的光学性质研究    朱世富;杜文娟;赵北君;何知宇;李佳伟;张顺如;张熠;

半导体材料的红外吸收及低发射率方法研究    顾冰芳;徐国跃;任菁;蔡刚;罗艳;

新型双向传输型区域规整噻吩嵌段共聚物的合成与研究    祁争健;孙岳明;肖英博;颜大志;何艳芳;虞婧;韦斌;徐希恒;

CrSi_2能带结构和光学性质的第一性原理研究    周士芸;谢泉;闫万珺;陈茜;

Cu_2O薄膜磁控溅射制备及特性分析    陈德明;徐刚;

二氧化钛纳米晶染料敏化太阳电池的最新研究进展    苗青青;马廷丽;

内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析    黄西成

光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究    张琛

改性纳米二氧化钛薄膜制备及其在模拟海水中光生阴极保护性能研究    王爱萍

电磁波与低维固体表面等离体子相互作用的研究    燕保荣

ZnO和AlN薄膜的MOCVD生长及其性质研究    钟泽

金属掺杂TiO_2和ZnO的第一性原理研究    于晓慧

面向微波应用的铊系高温超导薄膜研究    游峰

锌基氧（硫）化锌微纳米结构的合成、表征、光电性质及生长机理研究    黄林勇

半导体量子限制结构的光学瞬态相干效应研究    龚少华

染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究    周聪华

二氧化铀光学性质的实验和理论研究    陈秋云

等离子束表面冶金高硅涂层研究    张阿莉

新疆营盘出土纺织纤维及其老化状况研究    郭丹华

超导材料性质和半导体表面重构及表面合金性质    李冲

多元缩合生成新型巴比妥酸盐衍生物反应机理的理论研究    孙东贞

折射率调制光纤气体传感系统设计与研究    贾林涛

基于拉曼光谱下的A_2（MoO_4）_3材料热膨胀性研究    王志鹏

基于LPFGs氢敏探测器的研究    郭东歌

氧化钛基光电子器件    王文杰

La_2Mo_3O_（12）薄膜的制备和光学性能的研究    姜雅丽

各国光伏路线图与光伏发电的进展    杨金焕;邹乾林;谈蓓月;葛亮;陈中华;

太阳能电池研究和发展现状    毛爱华

纳米太阳能电池研究进展    孙宝,郝彦忠,李伟,王禄

2003年世界江南体育在线直播观看 市场状况    丁海成,高立峰,马兵

太阳能电池研究进展    梁宗存,沈辉,李戬洪

日本染料敏化太阳能电池最新研究动向    林红,李建保

CIS和CIGS薄膜太阳电池的研究    孙云,王俊清,杜兆峰,舒保健,于刚,温国忠,周祯华,孙健,李长健,张丽珠

薄膜太阳电池的研究进展    耿新华,孙云,王宗畔,李长健

硅基太阳能电池与材料    蒋荣华,肖顺珍

化合物太阳能电池与材料的研究进展    蒋荣华,肖顺珍,杨卫东

掺杂离子对介孔TiO_2薄膜光学性能的影响    张赟;沈悦;顾峰;张建成;王林军;夏义本;

真空磁过滤弧沉积碳氮薄膜的研究    陈智颖,俞跃辉,赵建平,王曦,周祖尧,杨石奇,柳襄怀,施天生

锡掺杂量对胶体法制备ITO薄膜光电性能的影响    张楠;刘家祥;曾胜男;

V_2O_5薄膜电荷储存特性研究    吴广明,吴永刚,倪星元,周箴,张慧琴,金哲民,吴翔

气相传输平衡技术制备LiGaO_2薄膜    张俊刚;夏长泰;吴锋;裴广庆;李抒智;徐军;周圣明;邓群;徐悟生;史宏声;

纳米TiO_2薄膜的低温等离子体制备技术    陈兆权;刘明海;但敏;唐亮;程莉莉;胡鹏;胡希伟;

两步法BOPA薄膜的质量控制和性能检测要点    陈孟杰;

ITO薄膜光学特性的分析    高启安;

TiN_xO_y薄膜的制备及其光学特性    陈尔东;王聪;

Cu/Sn比率对Cu_2SnSe_3薄膜若干物理性质的影响    张伟;陈顺礼;汪渊;

薄膜光学监控信号的数字信号处理    马孜;肖琦;姚德武;

双轴晶体薄膜光学隧道效应    张为权;

界面连续性对薄膜节瘤损伤特性的影响研究    何文彦;程鑫彬;马彬;丁涛;叶晓雯;张锦龙;张艳云;焦宏飞;

离子辅助蒸发TixOy制备氧化钛薄膜及特性    胡小锋;薛亦渝;郭爱云;

温度对直流反应磁控溅射制备TiO2薄膜的光学性质的影响    王贺权;沈辉;巴德纯;汪保卫;闻立时;

遗传算法在软X射线薄膜反射率多参数拟合中的应用    陈凯;崔明启;郑雷;赵屹东;

不同掺杂元素对GaN薄膜影响的研究进展    尚林;赵君芙;张华;梁建;许并社;

硅碳氮薄膜的纳米硬度研究    彭晓峰;宋力昕;乐军;胡行方;

Fe~(3+)离子敏感Ge-Sb-Se-Fe(Ni)系薄膜的掺杂性能研究    张海芳;杜丕一;翁文剑;韩高荣;

Sol-Gel法制备纳米二氧化钛功能性薄膜    魏启珂;肖波;叶龙强;江波;

天津薄膜光学重点实验室成立    记者刘其丕 李晓飞

硅碳氮薄膜的结构及光学特性研究    彭银桥

氧化钛薄膜的制备、微结构及特性研究    居勇峰

磁控共溅射制备无氢碳化锗薄膜的结构和性能研究    姜春竹

硼碳氮薄膜的制备及性质研究    刘立华

铝掺杂氧化锌透明薄膜之制备及其在氮化镓基发光二极管之应用    杨伟锋

空间薄膜反射镜成形控制及实验研究    张鹏

氢化纳米晶硅薄膜的制备及生长机理研究    张学宇

锡硫化合物薄膜的制备及其光电特性研究    程莉莉

低温相变氧化钒薄膜的制备及性能研究    黄章立

射频磁控反应溅射低温制备高C轴择优取向的氮化铝薄膜    邝许平

真空磁过滤电弧离子镀制备氧化钛薄膜及其血液相容性    曹国栋

钛酸铋基赝钙钛矿结构薄膜的制备和性能研究    蔡洪涛

非晶态碳氮薄膜的微观结构与力学性质    王晓姹

氧化银薄膜的制备和相关性质研究    张增院

择优取向钛酸锶钡薄膜的制备及其性能研究    李鹏

纳米Ti:WO_3薄膜的制备及光学气敏性能研究    万勇

稀土系薄膜的制备及性能研究    余厉阳

氮化铝掺铁薄膜的制备及彩色太阳能选择性吸收薄膜的设计    郑明志

化学气相沉积法制备氟掺杂氧化锡薄膜及其性能研究    施祥蕾

磁控溅射制备压电氮化铝薄膜及声表面波滤波器研究    陈璞