低温超薄高效Cu(In,Ga)Se2太阳电池的实现

衬底温度保持恒定, 在Se气氛下按照一定的元素配比顺序蒸发Ga, In, Cu制备厚度约为0.7 μrm的Cu(In_0.7Ga_0.3)Se₂ (CIGS)薄膜. 利用X射线衍射仪分析薄膜的晶体结构及物相组成, 扫描电子显微镜表征薄膜形貌及结晶质量, 二次离子质谱仪测试薄膜内部元素分布, 拉曼散射谱 分析薄膜表面构成, 带积分球附件的分光光度计测量薄膜光学性能. 研究发现在Ga-In-Se预制层内, In主要通过晶界扩散引起Ga/(Ga+In)分布均匀化. 衬底温度高于450 ℃时, 薄膜呈现单一的Cu(In_0.7Ga_0.3)Se₂相; 低于400℃, 薄膜存在严重的Ga的两相分离现象, 且高含Ga相主要存在于薄膜的上下表面; 低于300 ℃, 薄膜结晶质量进一步恶化. 薄膜表层的高含Ga相Cu(In_0.5Ga_0.5)Se₂以小晶粒形式均匀分布于薄膜表面, 增加了薄膜的粗糙度, 在电池内形成陷光结构, 提高了超薄电池对光的吸收. 加上带隙值较小的低含Ga相的存在, 使电池短路电流密度得到较大改善. 衬底温度在550 ℃–350 ℃变化时, 短路电流密度J_SC是影响超薄电池转换效率的主要因素; 而衬底温度T_sub低于300 ℃时, 开路电压V_OC和填充因子FF降低已成为电池性能减退的主要原因. T_sub为350 ℃时制备的0.7 μm左右的超薄CIGS电池转换效率达到了10.3%. 关键词： 2薄膜')" href="#">Cu(In,Ga)Se₂薄膜 衬底温度 超薄 太阳电池     

衬底温度对热壁外延ZnSe薄膜质量的影响

用热壁外延法在不同衬底温度条件下生长一系列ZnSe薄膜,并通过X射线衍射、喇曼散射以及光致发光技术对ZnSe薄膜质量作了研究。实验结果表明,随着衬底温度下降,ZnSe薄膜质量逐渐变差;当衬底温度低于300℃时,(100)ZnSe薄膜中有(111)孪晶出现;但同时发现衬底温度大于375℃时,衬底Ga原子对ZnSe外延层扩散严重。     

衬底温度对磁控溅射法制备的Ag/AZO绒面背反电极性能的影响

通过优化薄膜硅基太阳能电池的背反电极,使背反电极表面出现均匀的类金字塔结构,能够增大入射光在结区的有效光程,提高光子的捕获率,进而会提高薄膜硅基太阳能电池的光电转换效率.本文采用磁控溅射技术在载玻片上制得Ag/AZO(ZnO∶Al)导电薄膜.在控制其它溅射参量为最优化的情况下,研究了衬底温度对Ag/AZO导电薄膜光电性能及其表面形貌的影响.研究表明:随着衬底温度的增加,薄膜的雾度在可见光范围内先增大后减小;当衬底温度为500℃时,雾度取得最大值,在可见光范围内平均达到了95%以上;电阻率随着衬底温度的增加逐渐增大,且衬底温度超过500℃时电阻率急剧增大.在综合考虑其光电性能的情况下,实验得到当衬底温度为500℃时,所获得的叠层薄膜表面雾度值最好且电阻率很小,这将有助于改善太阳能电池的性能.     

衬底温度对磁控溅射法制备的Ag/AZO绒面背反电极性能的影响

通过优化薄膜硅基太阳能电池的背反电极,使背反电极表面出现均匀的类金字塔结构,能够增大入射光在结区的有效光程,提高光子的捕获率,进而会提高薄膜硅基太阳能电池的光电转换效率.本文采用磁控溅射技术在载玻片上制得Ag/AZO(ZnO∶Al)导电薄膜.在控制其它溅射参量为最优化的情况下,研究了衬底温度对Ag/AZO导电薄膜光电性能及其表面形貌的影响.研究表明:随着衬底温度的增加,薄膜的雾度在可见光范围内先增大后减小;当衬底温度为500℃时,雾度取得最大值,在可见光范围内平均达到了95％以上;电阻率随着衬底温度的增加逐渐增大,且衬底温度超过500℃时电阻率急剧增大.在综合考虑其光电性能的情况下,实验得到当衬底温度为500℃时,所获得的叠层薄膜表面雾度值最好且电阻率很小,这将有助于改善太阳能电池的性能.     

Er∶YbF3转光薄膜的制备及衬底温度对其光学性能的影响

采用脉冲激光沉积(PLD)方法在Si(100)衬底上成功制备了具有上下转换的Er∶YbF₃转光薄膜。研究发现,所制备的Er∶YbF₃转光薄膜实现了上下转换两种机制的结合,能有效地把紫外光和红外光转换到非晶硅太阳能电池最佳响应范围内的656 nm处。进一步分析了衬底温度对薄膜相结构及光学性能影响的物理机制。当衬底温度高于500 ℃时,薄膜会随着温度的升高而结晶性变强,但有杂相生成。研究结果表明,Er∶YbF₃转光薄膜的光学性能在衬底温度为500 ℃时最佳,有望应用到非晶硅太阳能电池上使其光电效率提高。     

衬底温度对磁控溅射制备掺铝氧化锌薄膜的结构和光电性能的影响

利用射频磁控溅射在石英基片上沉积掺铝氧化锌薄膜,研究了衬底温度对薄膜结构和光电性能的影响.当给衬底加热时,X射线衍射观测(002)峰相对强度明显增强.在衬底温度250℃下制备的薄膜的晶粒尺寸最大,为24.9nm,表面粗糙度最小,为8.1nm,表明在衬底温度250℃下制备的薄膜的结晶效果最好.衬底温度从30℃升高到250℃,薄膜的电阻率相应地从14.35×10-4Ω·cm降低到7.18×10-4Ω·cm,随着衬底温度的升高,电阻率反而增大.所有样品在可见光区的平均光学透射率都大于85%.引入品质因子分析薄膜的光电性能,当衬底温度为250℃时,品质因子最大为16.15×10-3Ω-1,其光电性能最好.     

生长温度对Ga掺杂ZnO薄膜光电性能的影响

在不同衬底温度(室温~750 ℃)条件下,采用脉冲激光沉积(PLD)方法在石英玻璃和单晶硅(111)衬底上制备了Ga掺杂ZnO(GZO)薄膜。结果显示:衬底温度的变化导致衬底表面吸附原子扩散速率和脱附速率的不同,从而导致合成薄膜结晶质量的差异,衬底温度450 ℃时制备的GZO薄膜具有最好的结晶特性;GZO薄膜中载流子浓度随衬底温度升高而单调减小的现象与GZO薄膜中的本征缺陷密切相关,晶界散射强度的变化导致迁移率出现先增大后减小的趋势,衬底温度450 ℃时制备的GZO薄膜具有最小的电阻率~0.02 Ω·cm;随着衬底温度的升高,薄膜载流子浓度的单调减小导致了薄膜光学带隙变窄,所有合成样品的平均可见光透过率均达到85%以上。采用PLD方法制备GZO薄膜,衬底温度的改变可以对薄膜的光电性能起到调制作用。     

α-四噻吩薄膜的生长及性能研究

利用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)研究了在氧化硅衬底上生长的α-四噻吩(α-4T)薄膜的表面形貌及分子取向。在低温下,获得了大尺寸、高有序的α-4T薄膜,为横向生长模式。衬底温度35 ℃以上转为纵向生长模式。晶体结构分析发现,α-4T薄膜属于单斜晶系,分子c-轴垂直基板排列。强的衍射峰和高有序的衍射峰意味着α-4T薄膜具有高的有序性和结晶性。电性能研究发现,提高衬底温度有利于提高薄膜的迁移率,衬底温度为35 ℃时器件迁移率为3.53×10^-2 cm²·V^-1·s^-1。但衬底温度进一步增加,迁移率反而下降,与原子力分析结果一致。低温退火可以降低器件的亚阈值陡度,从13.27 V·dec^-1降低到3.83 V·dec^-1,使器件的界面缺陷降低,电性能提高。     

NaF薄膜的脉冲激光沉积法制备与结构研究

 采用脉冲激光沉积(PLD)方法在Si(100)衬底上制备了NaF薄膜。在激光重复频率2 Hz，能量密度3 J/cm²，本底真空度5×10^-5 Pa的条件下，研究衬底温度对薄膜沉积速率及结构的影响。台阶仪分析表明：薄膜的沉积速率随衬底温度增加呈指数函数增加，算出NaF薄膜的反应激活能为48.67 kJ/mol。原子力显微镜分析表明：薄膜致密而光滑，均方根粗糙度为0.553 nm。扫描电镜截面微观形貌分析表明：薄膜呈现柱状结构。X射线衍射分析表明：NaF薄膜为面心立方晶体结构，并具有显著的择优取向；当衬底温度约为400 ℃时，平均晶粒尺寸最大(129.6 nm)，晶格微应变最小(0.225%)。     

SiO2/Si衬底上石墨烯的制备与结构表征

在分子束外延(MBE)设备中,利用直接沉积C原子的方法在覆盖有SiO₂的Si衬底(SiO₂/Si)上生长石墨烯,并通过Raman光谱和近边X射线吸收精细结构谱等实验技术对不同衬底温度(500℃,600℃,700℃,900℃,1100℃,1200℃)生长的薄膜进行结构表征.实验结果表明,在衬底温度较低时生长的薄膜是无定形碳,在衬底温度高于700℃时薄膜具有石墨烯的特征,而且石墨烯的结晶质量随着衬底温度的升高而改善,但过高的衬底温度会使石墨烯质量降低.衬底温度为1100℃时结晶质量最好.衬底温度较低时C原子活性较低,难以形成有序的C-sp²六方环.而衬底温度过高时(1200℃),衬底表面部分SiO₂分解,C原子与表面的Si原子或者O原子结合而阻止石墨烯的形成,并产生表面缺陷导致石墨烯结晶变差.     

单靶溅射制备铜锌锡硫薄膜及原位退火研究

采用衬底加热溅射铜锌锡硫(CZTS)四元化合物单靶制备CZTS薄膜,并研究原位退火对制备薄膜的影响.结果表明:在溅射结束后快速升温并保持一段时间,所得到的样品相比于未原位退火的CZTS薄膜结晶质量更好,且表面更平整致密;原位退火后的CZTS薄膜太阳电池性能参数也相应地有所提升,其开路电压(V_(OC))为575 mV,短路电流密度(J_(SC))为8.32 mA/cm~2,光电转换效率达到1.82%.     

Fe3O4纳米粒子对P3HT:PCBM电池的影响

为了提高太阳能电池的性能,研究磁性纳米粒子在外加磁场的作用下对聚合物太阳能电池有源层P3HT:PCBM成膜及太阳能电池性能的影响。本文采用热分解法制备了磁性Fe₃O₄纳米粒子,将不同质量分数的Fe₃O₄纳米粒子掺入到P3HT:PCBM溶液中,旋涂后在外加磁场的作用下自组成膜。通过TEM、XRD对制备的Fe₃O₄纳米粒子进行表征,并利用偏光显微镜、原子力显微镜对成膜质量进行探究。结果表明,采用热分解法制备的Fe₃O₄纳米粒子直径在10 nm左右,在外加磁场作用下,Fe₃O₄纳米粒子对成膜有一定的调控作用。当Fe₃O₄纳米粒子掺杂质量分数为1%时,太阳能电池器件的开路电压增加3.77%,短路电流增加24.93%,光电转换效率提高7.82%。     

四元硫化物Cu2Zn(Ti,Zr, Hf)S4:一类新颖光伏材料

采用第一性原理电子结构方法研究了四价过渡金属Ti, Zr和Hf替代Cu₂ZnSnS₄(CZTS)中Sn原子以及Se替代S原子所得到的四元硫族化合物的电子结构、光学性质和晶体结构的稳定性. 实验上用Se替代CZTS中部分S得到的Cu₂ZnSnS_4-xSe_x(CZTSSe)作为光吸收材料, 可以进一步提高光伏效率. 我们计算表明用Se替代S后, CZTSe的价带顶明显下移, 并接近Cu(In, Ga) Se₂ (CIGS)价带顶位置. 与CZTSe的电子结构特征一样, Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄四元硫化物的价带顶与母体材料CZTS相比也向低能移动, 并接近CIGS价带顶位置. 由于高光伏效率要求窗口材料ZnO、缓冲层材料和光吸收材料的价带顶和带隙满足一定的渐进的变化关系, 因此可以预见用Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄作光吸收材料可以有效地提高甚至接近CIGS的光伏效率. 通过计算弹性常数和声子谱, 以及有限温度下第一性原理分子动力学模拟, 发现Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄的结构稳定性与CZTS相近. 进一步计算Cu₂Zn(Ti, Zr, Hf)S₄与不同缓冲层间和窗口材料与缓冲层间的反射系数, 并讨论了ZnSe, In₂S₃, ZnS作为缓冲层材料和TiO₂作为窗口材料对光伏效率可能的影响.     

ZnSb掺杂的Ge2Sb2Te5薄膜的相变性能研究

本文采用双靶(ZnSb靶和Ge₂Sb₂Te₅靶)共溅射制备了系列ZnSb掺杂的Ge₂Sb₂Te₅(GST)薄膜. 利用X射线衍射、透射电子显微镜、原位等温/变温电阻测量、X射线光电子能谱等测试研究了薄膜样品的非晶形态、电学及原子成键特性. 利用等温原位电阻测试表明ZnSb掺杂的Ge₂Sb₂Te₅薄膜具有更高的结晶温度. 采用Arrhenius 公式计算发现ZnSb掺杂的Ge₂Sb₂Te₅薄膜的十年数据保持温度均高于传统的Ge₂Sb₂Te₅薄膜的88.9℃. 薄膜在200, 250, 300和350℃ 下退火后的X射线衍射图谱表明ZnSb的掺杂抑制了Ge₂Sb₂Te₅薄膜从fcc态到hex态的转变. 通过对薄膜的光电子能谱和透射电镜分析可知Zn, Sb, Te原子之间键进行重组, 形成Zn–Sb 和Zn–Te 键, 且构成非晶物质存在于晶体周围. 采用相变静态检测仪测试样品的相变行为发现ZnSb掺杂的Ge₂Sb₂Te₅薄膜具有更快的结晶速度. 特别是(ZnSb)_24.3(Ge₂Sb₂Te₅)_75.7薄膜, 其结晶温度达到250℃, 十年数据保持温度达到130.1℃, 并且在70 mW激光脉冲功率下晶化时间仅～64 ns, 远快于传统Ge₂Sb₂Te₅薄膜的晶化时间～280 ns. 以上结果表明(ZnSb)_24.3(Ge₂Sb₂Te₅)_75.7薄膜是一种热稳定性好且结晶速度快的相变存储材料.     

纳米ZnO-SiO2自清洁增透薄膜的制备及其性能

以乙酸锌醇热法ZnO纳米粒子为基料, 通过溶胶-凝胶浸渍提拉法制备纳米ZnO-SiO₂自清洁增透薄膜. 采用透射电镜, 光谱椭偏仪, 扫描电镜, X-射线衍射, 差热分析仪和UV-vis等技术对样品进行表征, 以亚甲基蓝的光催化降解为目标反应, 评价其光催化活性. 结果表明, ZnO纳米粒子为球粒状结构, 直径约12-20 nm, 特征紫外吸收波长位于375 nm 处; 与未涂覆纳米ZnO-SiO₂自清洁增透薄膜的石英玻璃基底相比, 涂覆后石英玻璃在400-800 nm波长范围内平均透光率提升达4.17%, 具有良好的宽光谱增透行为; 且在紫外光激发下对亚甲基蓝染料具有光催化降解特性, 进而具备良好的自清洁性能.     

Er_2O_3薄膜型热辐射体的制备与性能研究

调制辐射体的可见和近红外区域的辐射光谱与光伏电池吸收光谱的匹配是开发高性能热光伏电池技术的关键.采用电子束蒸发在单晶硅衬底上制备金属Er薄膜并进行后氧化处理制备Er_2O_3薄膜型辐射体.X射线衍射结果表明薄膜结晶良好,且Si基底对Er_2O_3薄膜的晶体结构没有显著影响.X射线光电子能谱拟合结果表明薄膜中Er元素和O元素符合Er_2O_3的化学计量比.高温近红外光谱测试结果表明,样品在1550 nm左右出现了明显的Er~(3+)离子的特征辐射峰,这与GaSb光电池的吸收光谱相匹配.     

Cu2ZnSnSe4 thin films prepared by selenization of co-electroplated Cu-Zn-Sn precursors

A novel technique for growth of high quality Cu₂ZnSnSe₄ (CZTSe) thin films is reported in our work. The CZTSe thin films were fabricated onto Mo layers by co-electroplating Cu-Zn-Sn precursors followed by annealing in the selenium vapors at the substrate temperature of 550 °C. The morphology and structure of CZTSe thin films were characterized using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS), X-ray diffraction (XRD) and Raman scattering spectrum, respectively. The results revealed that the single phase was in the CZTSe thin films, and the other impurities such as ZnSe and Cu₂SnSe₃ were not existed though they were difficult to distinguish both from EDS and XRD.     

高温氢退火还原V2O5制备二氧化钒薄膜及其性能的研究

过渡金属氧化物二氧化钒(VO₂)在温度340 K附近会发生金属绝缘体的转变(metal-insulator transition, MIT). 基于金属绝缘体的转变性质, VO₂薄膜材料具有很好的应用前景. 本文首先采用脉冲激光沉积制备了高质量的V₂O₅薄膜, 再通过高温氢退火还原V₂O₅薄膜制备出VO₂多晶薄膜. 研究了不同的退火温度、退火时间、退火气氛对VO₂薄膜制备的影响, 采用X射线衍射、X射线光电子能谱、变温电阻特性测量等手段对样品进行分析, 发现在H₂(5%)/Ar退火气氛下, 在一定的退火温度范围内(500–525 ℃), 退火 3 h, 得到了B相和M相共存的VO₂薄膜, 具有M相的VO₂的MIT特性, 而相同退火温度下退火时间达到4.5 h, 薄膜完全变成B相的VO₂. 通过纯Ar气氛下对B相VO₂再退火, 得到了转变温度为350 K, 电阻突变接近4个数量级的M相的VO₂薄膜. 实现了VO₂的B相和M相的相互转变. 关键词： 2薄膜')" href="#">VO₂薄膜 金属绝缘体转变 氢退火     

柔性Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3薄膜的高温铁电特性

随着柔性电子产品的迅速发展,具有优异铁电和压电性的Pb(Zr_(0.53)Ti_(0.47))O_3 (PZT)薄膜在柔性的非易失性存储器、传感器和制动器等器件中有广泛的应用前景.同时,由于外部环境越来越复杂,具有高温稳定特性的材料和器件受到越来越多的关注.本文在耐高温的二维层状氟晶云母衬底上,用脉冲激光沉积技术制备出外延的PZT薄膜,并通过机械剥离的方法,得到柔性的外延PZT薄膜.研究了Pt/PZT/SRO异质结的铁电和压电性及其高温特性,发现样品表现出优越的铁电性,剩余极化强度(P_r)高达65μC/cm~2,在弯曲104次后其铁电性基本保持不变,且样品在275℃高温时仍然保持良好的铁电性.本文为柔性PZT薄膜在航空航天器件中的应用提供了实验基础.