疊層太陽能電池吸收層Ge1-xCx薄膜的制備與性能.pdf

1、隨著化石能源的日益枯竭及環(huán)境污染的不斷加重，太陽能作為清潔可再生能源，對其開發(fā)及利用受到極大的推崇。太陽能電池是利用太陽能的主要途徑，其中，薄膜太陽能電池具有節(jié)省原材料、成本低廉等優(yōu)點，得到了極大的發(fā)展。但目前仍未找到吸收性能好、帶隙可調的疊層太陽能電池吸收層材料。因此，研究開發(fā)新型吸收層材料對薄膜太陽能電池的發(fā)展具有非常重要的意義。將C摻入Ge晶格中形成Ge1-xCx薄膜可使晶格常數減小、禁帶寬度增大，同時保持高的太陽光吸收效率，兼具

2、帶隙可調等特點。因此，Ge1-xCx薄膜是很有發(fā)展前景的疊層太陽能電池光吸收層材料。
　　本文主要研究在石英玻璃和硅襯底上通過反應射頻磁控濺射法在Ge靶和CH4氣氛下和磁控共濺射法在Ge靶和C靶下制備Ge1-xCx薄膜的制備工藝和性能，采用通用的測試手段對Ge1-xCx薄膜的沉積速率、成分、結構、帶隙和電學性質進行分析，并通過第一性原理計算了閃鋅礦結構GeC的表面特性和B摻雜特性。本文的主要研究內容及結果如下：
　　通過反應

3、磁控濺射工藝制備非晶 Ge1-xCx薄膜，揭示了射頻功率、襯底溫度和氣體流量比等主要工藝參數對薄膜沉積速率、光學性質和鍵結構的影響規(guī)律。在實驗條件范圍內，薄膜的沉積速率隨射頻功率和甲烷氣體流量比的增加而增大，隨著氫氣流量比和襯底溫度的升高而減小。光學帶隙主要受薄膜成分和鍵結構影響，隨著射頻功率和襯底溫度的升高而減小，隨著甲烷氣體流量比的增加而增大，隨著氫氣流量比的增加先減小后有微小增大。XPS分析表明，高的射頻功率和氫氣流量比、低的襯底

4、溫度和甲烷氣體流量比，有利于薄膜中Ge-C鍵的形成。
　　通過 XRD分析得到在本實驗條件下反應磁控濺射制備的Ge1-xCx薄膜主要為非晶態(tài)結構。所制備的Ge1-xCx薄膜經500℃退火后仍未有明顯的晶化。在較低 C含量下隨著退火溫度升高帶隙減小，而在較高 C含量下帶隙變化不大。此外，薄膜中的Ge-H鍵和C-H鍵分別在300℃和400℃時開始分裂，兩者的斷裂均導致薄膜無序度的增加。最后，對所制備的非晶Ge1-xCx薄膜進行了性能評

5、估，發(fā)現(xiàn)其具有高的吸收系數、寬范圍的帶隙變化以及好的表面電極接觸特性，可以作為疊層太陽能電池的光吸收層材料。
　　采用鍺靶和石墨靶的磁控共濺射工藝制備出微晶Ge1-xCx薄膜，揭示了襯底溫度和氫氣流量對薄膜沉積速率、光學性質、鍵結構和晶體結構的影響規(guī)律。在實驗條件范圍內，Ge1-xCx薄膜的沉積速率隨襯底溫度和氫氣流量增加基本保持不變。薄膜的光學帶隙隨著氫氣流量的增加基本保持不變，但隨著襯底溫度的升高而減小。通過對薄膜晶體結構進行

6、分析，發(fā)現(xiàn)高的氫氣流量有利于薄膜晶體生長，并且對石墨相具有刻蝕作用，有利于薄膜中Ge-C鍵的形成，從而促進薄膜形成微晶Ge1-xCx薄膜。高的襯底溫度雖有利于薄膜結晶，但薄膜中的Ge-C鍵含量較小，說明Ge與C出現(xiàn)分相。
　　對磁控共濺射和反應磁控濺射兩種不同的工藝制備的Ge1-xCx薄膜進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)在相同的C含量下，共濺射制備的非晶Ge1-xCx薄膜致密，具有較高的光學帶隙和折射率，薄膜中的Ge-C鍵含量較高，但是沉積速

7、率遠小于反應磁控濺射制備的薄膜。
　　采用基于密度泛函理論的第一性原理方法對閃鋅礦結構GeC的結構參數、力學性質以及電子結構進行了研究。計算得到的結構參數與實驗值和理論值相吻合，表明本文所采用的模型和計算方法是可靠的。研究了閃鋅礦結構 GeC(001)面的表面弛豫、表面能、表面熱穩(wěn)定性及電子結構。當兩種終止面弛豫后，C原子均向體內移動，Ge原子均向體外移動，表現(xiàn)出振蕩弛豫現(xiàn)象；Ge-終止面的GeC表面表現(xiàn)出金屬特性，而 C-終止面

8、則表現(xiàn)為 P型半導體特性，其帶隙大小為0.6eV。此外，閃鋅礦結構GeC(001)面的平均表面能為3.91J/m2，并且Ge-終止面表面結構比C-終止面表面結構更穩(wěn)定。
　　系統(tǒng)研究了不同濃度B摻雜GeC的特性，揭示了B摻雜濃度對GeC電子結構和光學性質的影響規(guī)律。計算結果發(fā)現(xiàn)：B原子置換C原子摻雜GeC，其帶隙類型從間接躍遷帶隙變?yōu)橹苯榆S遷帶隙，并且摻雜后GeC材料的介電常數明顯增大，光吸收邊在紅外波段（0-2eV）出現(xiàn)了一個新