F掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及其在太阳能电池中的应用研究

【摘要】：由于具备独特的电学和光学特性,氧化锌(Zinc oxide, ZnO)基透明导电薄膜现已广泛应用于薄膜太阳能电池,发光二极管,平面液晶显示和多种其他光电器件中。目前文献中报道的ZnO的n型掺杂主要集中在金属元素的使用上如B、Al、Mn、Ga、In等,而事实上,根据理论研究,F元素也是一种优秀的ZnO的n型掺杂剂。本文中,我们制备了F掺ZnO薄膜(Fluorine-doped zinc oxide, FZO),据此进行了一系列研究,最终将绒面FZO薄膜应用于非晶硅太阳能电池,验证其性能。本论文主要包括以下工作：1.在室温下利用射频磁控溅射技术在柔性聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)衬底上制备得到了FZO薄膜,并研究了不同生长参数对于薄膜性能的影响。0.3 Pa时,薄膜获得了最好的电学性能：电阻率7.66×10-2 Ωcm,载流子浓度1.31×1020cm-3, Hall迁移率0.62 cm2V-18-1。所有薄膜在300～2000nm的可见和近红外波段的透过率高于80%。在添加了一层ZnO缓冲层后,得益于晶体沉积质量的改善,FZO/ZnO/PC结构薄膜的电阻率进一步下降到5.82×10-3 Ωcm,对应Hall迁移率从0.618 cm2V-1s-1提升到8.08 cm2 V-1s-1。2.结合传统溶液法和Ar/H等离子体处理对玻璃衬底上沉积得到的FZO透明导电薄膜进行刻蚀,以得到理想的绒面结构。为了获得理想的综合性能,我们利用两种方面相结合以改善薄膜表面陷光性能。当加入Ar/H等离子体处理时,薄膜晶体质量随H2浓度增大略有改善,Ar/H2=100:10时,薄膜获得最小电阻率为1.135×10-3Ωcm,对应载流子浓度2.854×1020 cm-3, Hall迁移率19.29cm2V-1s-1。Ar/H2=100:5时,薄膜得到最佳的表面散射度,在550 nm处的绒度值为52.14%。单纯溶液法制备的薄膜和增加了Ar/H等离子体处理的最优的薄膜被应用于p-i-n型非晶硅太阳能电池的前电极。对于电池性能的测试表明,最终电池表现出的转化效率,后者(4.0%)比前者大大超出(1.0%)。 【关键词】：氟掺氧化锌 磁控溅射 透明导电氧化物 柔性衬底 表面织构 等离子处理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TM914.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 引言9-11
• 第二章 文献综述11-33
• 2.1 ZnO的基本性质11-15
• 2.1.1 ZnO的晶体结构11-12
• 2.1.2 ZnO的光电性质12-14
• 2.1.3 ZnO的其他基本性质14-15
• 2.2 ZnO的本征缺陷与非故意掺杂15-17
• 2.2.1 ZnO的本征缺陷16
• 2.2.2 ZnO的非故意掺杂16-17
• 2.3 ZnO的氟掺杂17-24
• 2.3.1 ZnO的n型掺杂17-19
• 2.3.2 ZnO薄膜氟掺杂的优势19-21
• 2.3.3 ZnO薄膜氟掺杂的研究现状21-24
• 2.4 柔性ZnO基透明导电薄膜的研究进展24-26
• 2.5 ZnO基透明导电薄膜在太阳能电池上的应用26-31
• 2.5.1 薄膜太阳能电池简介26-28
• 2.5.2 薄膜太阳能电池中的透明导电氧化物薄膜28-29
• 3.5.3 绒面ZnO基透明导电薄膜在薄膜太阳能电池上的应用现状29-31
• 2.6 本论文的选题依据和研究内容31-33
• 第三章 实验原理、制备工艺及表征技术33-39
• 3.1 磁控溅射技术33-36
• 3.1.1 基本原理33-35
• 3.1.2 磁控溅射设备简介35-36
• 3.2 实验工艺过程36-38
• 3.2.1 衬底清洗36
• 3.2.2 薄膜沉积36-37
• 3.2.3 湿化学法制绒37
• 3.2.4 等离子体处理37-38
• 3.3 薄膜表征技术38-39
• 第四章 柔性衬底上F掺杂ZnO薄膜的制备及性能标征39-59
• 4.1 溅射压强对FZO透明导电薄膜性能的影响39-48
• 4.1.1 溅射压强对FZO薄膜结构性能和表面形貌的影响39-43
• 4.1.2 溅射压强对FZO薄膜电学性能的影响43-45
• 4.1.3 溅射压强对FZO薄膜光学性能的影响45-47
• 4.1.4 溅射压强对FZO薄膜品质因子的影响47-48
• 4.2 衬底温度对FZO透明导电薄膜性能的影响48-53
• 4.2.1 衬底温度对FZO薄膜结构性能和表面形貌的影响48-50
• 4.2.2 衬底温度对FZO薄膜光电性能的影响50-52
• 4.2.3 衬底温度对FZO薄膜稳定性的影响52-53
• 4.3 缓冲层对FZO薄膜特性的影响53-57
• 4.3.1 正交实验参数摸索53-55
• 4.3.2 ZnO/FZO薄膜与单层FZO薄膜性能对比研究55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第五章 绒面FZO薄膜的制备及其在太阳能电池中的应用59-81
• 5.1 溶液法制备绒面FZO薄膜59-64
• 5.1.1 沉积参数对薄膜绒面结构的影响59-62
• 5.1.2 盐酸制得的绒面薄膜分析62-64
• 5.2 等离子体处理对FZO薄膜性能的影响64-68
• 5.2.1 H等离子体处理64-67
• 5.2.2 Ar等离子体处理67-68
• 5.3 溶液刻蚀法结合Ar/H等离子处理工艺制备绒面FZO薄膜68-76
• 5.3.1 Ar/H等离子比例对绒面FZO晶体质量和表面形貌的影响69-74
• 5.3.2 Ar/H等离子比例对绒面FZO光电性能的影响74-76
• 5.4 绒面FZO薄膜在非晶硅太阳能电池上的应用及性能表现76-79
• 5.5 本章小结79-81
• 第六章 总结81-83
• 参考文献83-91
• 致谢91-93
• 个人简历93-95
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果95

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