氧化钒光伏特性及其应用研究

【摘要】：氧化钒因具有受热辐射后电阻变化的特性,是微测辐射热计用的热敏电阻的理想材料。此外,基于氧化钒光学带隙横跨可见与红外双波段(0.5 eV~2.24 eV)的理论,提出氧化钒薄膜可以作为光伏探测器光吸收层的想法。 通过对半导体光学常数提取方法的总结,确定了氧化钒光学带隙的测定方案。利用椭偏仪测量拟合氧化钒光学带隙:Ⅰ,氧化钒层选用Relaxed-Lorentz模型进行拟合,结合Tauc外推法得到氧化钒光学带隙为0.1 eV;Ⅱ,氧化钒层选用Tauc-Lorentz模型进行拟合,得到两个光学带隙:一个是可见波段,1.9488 ev,解释了氧化钒薄膜在可见波段有吸收这一现象;一个是红外波段,0.1 ev,与Relaxed-Lorentz模型结合Tauc理论得到的光学带隙相符。该结论为氧化钒薄膜应用于光伏器件提供了有力的实验依据。 为得到反常氧化钒薄膜,研究了退火温度和退火时间对薄膜方阻值的影响实验结果表明:Ⅰ,随着退火温度的升高,氧化钒薄膜的方阻值呈现下降趋势。这是由于退火温度的升高促进了薄膜中晶粒间界处的缺陷消亡的程度,使得晶粒更加致密,从而导致薄膜方阻值下降。Ⅱ,随着退火时间的升高,氧化钒薄膜的方阻值呈现升高趋势。这是由于氧化钒薄膜随退火时间的增长,氧化程度增强。钒氧化物随着钒价态的升高,方阻值呈上升趋势。 采用反应磁控溅射方法在K9玻璃衬底上制备氧化钒薄膜并对其进行特定条件的退火处理。室温时,通过KEYTHLEY4200半导体特征测试系统,选用二端测试模型测得,300℃退火180s的氧化钒薄膜在可见光照情况下呈现反常光伏效应。利用X射线光电子能谱(XPS)对薄膜进行分析,结果表明,光伏效应氧化钒薄膜表层形成了一层以V~(5+)为主,同时含有V~(4+)的混合相氧化钒薄膜(VOX)活性层,该层体现出光伏效应。通过紫外可见分光光度计UV1700测得该薄膜在可见光波段380 nm~1100 nm有明显的光吸收,并利用“Dember”理论和场制表面电压理论对其光生电压的机制给出分析。 基于氧化钒在可见和红外双波段的光吸收性质,提出将其应用到MSM-PD光伏探测器件中的想法,并就氧化钒薄膜应用于光伏器件提出整体设计思路和制备工艺。 本文结论对于氧化钒应用到光伏探测器中的可行性及其应用前景具有相当的指导意义。 【关键词】：VOx薄膜 光学带隙 退火 反常光伏效应
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 引言11-12
• 1.2 光电效应的分类及其应用12-19
• 1.2.1 光电子发射效应及其应用13-14
• 1.2.2 光电导效应及其应用14-16
• 1.2.3 光生伏特效应及其应用16-17
• 1.2.4 光电效应的衍生效应17-19
• 1.3 光伏探测器19-22
• 1.3.1 光伏探测器的分类19
• 1.3.2 光伏探测器的基本原理19-22
• 1.3.3 光伏探测器中的光伏材料22
• 1.4 论文的主要工作22-24
• 1.4.1 论文的选题意义22-23
• 1.4.2 论文的研究内容23-24
• 第二章 氧化钒薄膜制备原理与分析测试方法24-46
• 2.1 氧化钒薄膜制备的常见技术24-26
• 2.1.1 真空蒸发镀膜24
• 2.1.2 溅射镀膜24-25
• 2.1.3 金属-有机化学气相沉积（MOCVD）25
• 2.1.4 脉冲激光沉积（PLD）25
• 2.1.5 溶胶凝胶法（Sol-Gel）25-26
• 2.2 磁控溅射制备氧化钒薄膜26-29
• 2.2.1 磁控溅射设备的基本构造26-27
• 2.2.2 磁控溅射法基本原理27-29
• 2.3 氧化钒薄膜的表征29-36
• 2.3.1 四探针法测定氧化钒薄膜方阻（Sheet resistance）29-31
• 2.3.1.1 四探针测量法基本原理30-31
• 2.3.1.2 四探针测量法基本构造31
• 2.3.2 X 射线光电子能谱（XPS）表征氧化钒薄膜组分31-36
• 2.3.2.1 X 射线光电子能谱仪（XPS）基本原理33-34
• 2.3.2.2 X 射线光电子能谱（XPS）主结构34-35
• 2.3.2.3 X 射线光电子能谱（XPS）化学位移35-36
• 2.3.2.4 X 射线光电子能谱(XPS)强度测定和定量分析?36
• 2.4 薄膜光学常数的常见方法36-46
• 2.4.1 椭圆偏振测量法38
• 2.4.2 傅里叶变换红外光谱法38-39
• 2.4.3 紫外分光光度计测定吸收系数39-40
• 2.4.4 包络法40-43
• 2.4.5 经验公式法43-45
• 2.4.6 介电函数模型法45-46
• 第三章 氧化钒薄膜光学常数46-50
• 3.1 Relaxed Lorentz? 模型测定氧化钒薄膜光学带隙?47-48
• 3.2 Tauc-lorentz 模型测定氧化钒薄膜光学带隙48-50
• 第四章 反常光伏效应氧化钒薄膜的获得及其理论分析50-66
• 4.1 反常光伏效应机制50-52
• 4.1.1 Dember 效应50-51
• 4.1.2 结构跃迁模型51
• 4.1.3 P-N 结模型51
• 4.1.4 表面光生电压理论51-52
• 4.2 氧化钒薄膜的制备52-53
• 4.3 反常光伏效应氧化钒的获得53-57
• 4.3.1 氧化钒薄膜的退火处理53-54
• 4.3.2 退火温度对氧化钒薄膜方阻值的影响54-55
• 4.3.3 退火时间对氧化钒薄膜方阻值的影响55
• 4.3.4 升温速度对氧化钒薄膜方阻值的影响55-56
• 4.3.5 退火过程对氧化钒薄膜方阻值的影响56-57
• 4.4 反常氧化钒薄膜的光伏特性测定57-61
• 4.5 氧化钒薄膜XPS 分析61-64
• 4.6 氧化钒薄膜光伏机理分析64-66
• 4.6.1 光生载流子的形成64-65
• 4.6.2 光生载流子的分离65-66
• 第五章 氧化钒薄膜应用于光伏器件的设计66-72
• 5.1 氧化钒薄膜应用于光伏器件的整体设计思路66-67
• 5.2 氧化钒薄膜应用于光伏器件的制备工艺67-70
• 5.3 评定氧化钒光伏器件性能的参数70-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 工作总结72-73
• 6.2 展望73-74
• 致谢74-75
• 参考文献75-79
• 作者攻硕期间取得的成果79-80

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