B掺杂ZnO透明导电薄膜的实验及理论研究

采用脉冲直流磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法对B掺杂ZnO （BZO）薄膜进行了研究. 以B₂O₃：ZnO陶瓷靶为溅射靶材,制备了低电阻率、可见和近红外光区高透过率的BZO薄膜. 系统地研究了衬底温度对BZO薄膜的结构、光电特性的影响. 结果表明：适当的增加衬底温度可以促进BZO薄膜结晶质量改善,晶粒尺寸增加,迁移率增大,电阻率降低. 在200 ℃时制备了电阻率为7.03×10^-4 Ω·cm,400–1100 nm平均透过率为89%的BZO薄膜. 理论模拟结果表明：在BZO薄膜中,以替位方式掺入的B （B_Zn）的形成能最低,B主要以替位形式掺入ZnO,其次分别为八面体间隙（B_IO）和四面体间隙（B_IT）的掺杂方式. B 掺入后,费米能级穿过导带,材料表现出n型半导体特性,光学带隙展宽,导电电子主要来源于B 2p,O 2p及Zn 4s电子轨道. 关键词： BZO薄膜 第一性原理计算 磁控溅射 太阳电池     

石英衬底上Au缓冲层对ZnO薄膜微结构的影响

采用单源化学气相沉积(SSCVD)法,在石英衬底上以Au为缓冲层,Zn4(OH)2(O2CCH3)6.2H2O为固相源制备ZnO薄膜。SEM和XRD测试ZnO薄膜的微结构,结果表明:相对于SiO2衬底上生长的ZnO薄膜,Au/SiO2衬底上生长的ZnO薄膜具有较好的结晶质量和表面平整度;对制备ZnO薄膜的衬底温度进行了工艺优化,结果表明:500℃时制备的ZnO薄膜颗粒大小均匀,结晶质量较好;通过荧光光谱仪对Au/SiO2衬底上的ZnO薄膜进行光致发光(PL)谱测试,ZnO薄膜在400nm出现紫光发射峰,而没有出现与缺陷相关的深能级发射峰,表明ZnO薄膜具有较好的结晶质量。     

衬底温度对反应磁控溅射W掺杂ZnO薄膜的微观结构及光电性能的影响

采用直流脉冲反应磁控溅射方法生长W掺杂ZnO（WZO）透明导电氧化物薄膜并研究了衬底温度对薄膜微观结构、组分、表面形貌以及光电性能的影响.实验结果表明,WZO薄膜具有良好的（002）晶面择优取向,且适当的衬底温度是制备优质WZO薄膜的关键因素.随着衬底温度升高,薄膜表面粗糙度先增大后减小;衬底温度较高时,薄膜的结构致密,结晶质量好,电子迁移率高.当衬底温度为325℃时,WZO薄膜获得最低电阻率9.25×10^-3Ω·cm,方块电阻为56.24Ω/□,迁移率为11.8 cm² V^-1·s^-1,其在可见光及近红外区域（400—1500 nm）范围的平均透过率达到85.7%.     

F,Al共掺杂ZnO透明导电薄膜的制备及掺杂机理研究

本文采用磁控溅射技术,对F和Al共掺杂ZnO (FAZO)薄膜进行研究,系统地研究了溅射气压对薄膜结构、形貌、光电等特性的影响.实验研究结果表明:F, Al共掺入并未改变ZnO的生长方式,所制备的薄膜都呈(002)择优生长;随着溅射气压增加, FAZO薄膜的沉积速率降低,结晶质量恶化,表面形貌由"弹坑状"逐渐变为"弹坑状"与"颗粒状"并存的形貌特性,表面粗糙度增加.在0.5 Pa时制备的FAZO薄膜性能最优,迁移率40.03 cm~2/(V·s),载流子浓度3.92×10~(20) cm~(–3),电阻率最低,为3.98×10~(–4) W·cm, 380—1200 nm平均透过率约90%.理论模拟结果表明:F和Al的共掺杂兼顾了F, Al单独掺杂的优点,克服了以往金属元素掺杂仅依靠金属元素轨道提供导电电子的不足,实现了既增加载流子浓度又减少了掺入原子各轨道间相互作用对载流子散射的影响.掺入的F 2p电子轨道对O 2p及Zn 4s电子轨道产生排斥,使它们分别下移,提供导电电子;同时掺入的Al的3s和3p电子轨道也为导电电子提供了贡献. F和Al共掺之后载流子浓度提升更加显著,导电性能增强.     

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.     

AlN缓冲层对ZnO薄膜质量的影响

采用脉冲激光沉积法以AlN为缓冲层在Si(100)衬底上制备了ZnO薄膜,并测量了样品的XRD谱、SEM图和PL谱.结果表明,AlN缓冲层可以提高Si衬底上外延生长ZnO薄膜的晶体质量.改变缓冲层的生长温度(50～500 ℃)所制备样品的测量结果表明,较低温度下生长的AlN缓冲层有利于制备高质量的ZnO外延层薄膜,其中AlN缓冲层生长温度为100 ℃时外延生长ZnO薄膜晶体质量最好.     

Ga-Ti共掺杂ZnO薄膜的制备及其光电性能

采用ZnO:Ga2O3:TiO2为靶材,在玻璃衬底上射频磁控溅射制备了多晶Ga-Ti共掺杂ZnO(GTZO)薄膜,通过XRD、四探针、透射光谱测试研究了生长温度对薄膜结构和光电性能的影响.结果表明:所制备的薄膜具有c轴择优取向,光学带隙均大于本征ZnO的禁带宽度.当生长温度为620K时GTZO薄膜的结晶质量最佳、电阻率最低、透射率最大、品质因数最高.     

紫外光电材料ZnO的反应溅射制备及研究

采用直流反应溅射法分别在Si(111),Si(001),及K4玻璃衬底上制备ZnO薄膜,研究了氧氩比、衬底温度以及退火处理对于晶体结晶质量的影响,发现生长过程中的退火处理提高了薄膜质量和晶面取向.通过优化生长条件,在衬底温度为350℃,氧氩比为1:2的条件下生长出了XRD半高宽为01°、C轴取向高度一致的ZnO薄膜.     

W掺杂ZnO透明导电薄膜的理论及实验研究

本文从理论与实验两方面入手, 对高价态差金属W掺杂ZnO (WZO) 薄膜材料的特性进行分析讨论. 采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法对WZO材料特性进行理论分析, 计算结果表明: W以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 由于W-O键的键长较长引起晶格常数增加, 产生晶格畸变; 掺杂后费米能级进入导带, 其附近的导电电子主要由W 5d, O 2p及Zn 3d电子轨道提供, 材料表现出n型半导体的特性; 同时能带简并效应使其光学带隙展宽. 为进一步验证该理论分析结果的适用性, 本文采用脉冲直流磁控溅射技术进行了本征ZnO及WZO薄膜的实验研究, 结果表明: W掺入未改变ZnO的生长方式, 但引起薄膜的晶格常数增加, 电阻率由本征ZnO的1.35× 10^-2 Ω·cm减小到1.55× 10^-3 Ω·cm, 光学带隙由3.27 eV展宽到3.48 eV. 制备的WZO薄膜在400-1100 nm的平均透过率大于83%. 实验结果对理论计算结果进行了验证, 表明WZO薄膜作为透明导电薄膜的应用潜力.     

衬底温度对非极性ZnO薄膜结晶性能和发光特性的影响

采用金属有机化学汽相沉积(MOCVD)设备在LiGaO2(100)衬底上制备了结晶性能良好的非极性ZnO薄膜.研究了衬底温度对ZnO薄膜结晶性能的影响.X射线衍射(XRD)分析结果表明在衬底温度为500℃时可以获得高质量的(1100)晶面取向的非极性ZnO薄膜.采用原子力显微镜(AFM)观察ZnO薄膜的表面形貌及晶体尺...     

H/Al共掺杂对ZnO基透明导电薄膜光电性质和晶体结构的影响

利用H在ZnO中作为浅施主杂质的特性,研究了H掺杂对ZnO：Al透明导电薄膜特性的影响。通过降低ZnO：Al中Al的含量并同时引入H掺杂,解决了透明导电薄膜中高导电性与高透过率之间的矛盾。H的掺杂可以显著降低ZnO基透明导电薄膜的电阻率,这是由于H一方面作为施主可以提供电子从而提高了自由载流子浓度;另一方面与ZnO晶界中的O^-结合降低了晶界势垒,提高了载流子迁移率。利用H掺杂,可以在Al掺杂量降低10倍的情况下,仍然能获得低电阻率（6.3×10^-4 Ω·cm）的透明导电薄膜,同时其近红外波段（1 200 nm）透光率从64%提高到90%。这种具有高导电性和高透光性的透明导电薄膜可以应用于各类薄膜太阳能电池中以提升器件效率。     

Direct current magnetron sputter-deposited ZnO thin films

Zinc oxide (ZnO) is a very promising electronic material for emerging transparent large-area electronic applications including thin-film sensors, transistors and solar cells. We fabricated ZnO thin films by employing direct current (DC) magnetron sputtering deposition technique. ZnO films with different thicknesses ranging from 150 nm to 750 nm were deposited on glass substrates. The deposition pressure and the substrate temperature were varied from 12 mTorr to 25 mTorr, and from room temperature to 450 °C, respectively. The influence of the film thickness, deposition pressure and the substrate temperature on structural and optical properties of the ZnO films was investigated using atomic force microscopy (AFM) and ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrometer. The experimental results reveal that the film thickness, deposition pressure and the substrate temperature play significant role in the structural formation and the optical properties of the deposited ZnO thin films.     

Deposition and characterization of transparent and conductive sprayed ZnO:B thin films

Highly transparent and conductive Boron doped zinc oxide (ZnO:B) thin films were deposited using chemical spray pyrolysis (CSP) technique on glass substrate. The effect of variation of boron doping concentration in reducing solution on film properties was investigated. Low angle X-ray analysis showed that the films were polycrystalline fitting well with a hexagonal wurtzite structure and have preferred orientation in [002] direction. The films with resistivity 2.54×10⁻³ Ω-cm and optical transmittance >90% were obtained at optimized boron doping concentration. The optical band gap of ZnO:B films was found ∼3.27 eV from the optical transmittance spectra for the as-deposited films. Due to their excellent optical and electrical properties, ZnO:B films are promising contender for their potential use as transparent window layer and electrodes in solar cells.     

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。     

氢退火的BZO前电极对非晶硅薄膜太阳能电池性能的影响

采用低压化学气相沉积方法在玻璃衬底上制备了B掺杂的ZnO（BZO）薄膜,通过氢退火对BZO进行处理,然后作为前电极进行了非晶硅薄膜太阳能电池的制备及性能研究。结果表明：在氢气气氛下退火后,BZO薄膜的载流子浓度基本无变化,但Hall迁移率显著提高,这使得BZO薄膜的导电能力提高;当采用厚度较小、透光率较高的BZO薄膜进行氢退火后作为前电极结构时,非晶硅薄膜太阳能电池的短路电流密度提高0.3~0.4 mA/cm²,电池的转化效率提高0.2%。实验结果可为通过优化前电极结构来提高非晶硅薄膜太阳能电池转化效率提供一种简易的方法。     

Transparent conductive oxide layer with monolayer closed-pack Al-doped ZnO spheres and their application to a-Si thin-film solar cells

We report a new (to the best of our knowledge) transparent conductive oxide (TCO) layer with a monolayer of closed-pack Al-doped ZnO (AZO) spheres partly embedded in an AZO thin film. The average transmittance and haze ratio in the wavelength range of 380-800 nm achieves 65% and 55%, respectively, when AZO spheres with a diameter of 500 nm are embedded in a thickness of 240 nm AZO thin films. The a-Si thin-film solar cell with a regular p-i-n TCO structure is demonstrated. Under air mass 1.5 global illumination, conversion efficiencies of 5.6%, a fill factor of 0.55, V(oc) of 0.81 V, and a J(sc) of 2.44 mA/cm2 are obtained. The Letter helps us to open up potential applications of a new TCO in advanced solar cells and light-emitting diodes.     

Characteraction of Ag-doped ZnO thin film synthesized by sol–gel method and its using in thin film solar cells

Pure 2% and 4% Ag-doped ZnO thin films have been synthesized on glass substrates by sol–gel method. The structure, morphology and optical properties of the samples have been studied by X-ray diffractometer (XRD), scanning probe microscope, UV–vis spectrophotometer, respectively. The XRD result shows that the pure ZnO has a wurtzite hexagonal structure, no phase segregation is observed. The surface morphology of pure ZnO thin film shows that the grains are growing preferentially along the c-axis orientation perpendicular to the substrates. The transmittance spectra reveal that all samples have high transmittance above 90% in visible region. With Ag doping content increase, a red shift is observed. The performance of Ag-doped ZnO films using in thin film solar cells are simulated. The results show that 4% Ag-doped ZnO thin film can greatly improve the absorption of the cells. Compare to pure ZnO, solar cell's energy conversion efficiency improvement of 2.47% is obtained with 4% Ag doped ZnO thin film.     

生长条件对脉冲激光沉积制备ZnO：Al薄膜光电性能的影响

本文研究了脉冲激光沉积(PLD)生长过程中, 铝掺量、氧压及衬底温度等实验参数对ZnO:Al(AZO)薄膜生长的影响, 并利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射、霍尔效应、光透射光谱等实验手段对其透明导电性能进行了探讨. 变温霍尔效应和光透射测量表明, 当靶材中铝掺量大于0.5 wt%时, 所制备AZO薄膜中铝施主在80 K时已完全电离, 因Bernstein-Moss (BM) 效应其带隙变大, 均为重掺杂简并半导体. 进一步系统研究了氧压和衬底温度对AZO薄膜透明导电性能的影响, 实验发现当氧压为1 Pa, 衬底温度为200 ℃时, AZO 导电性能最好, 其霍尔迁移率为28.8 cm²/V·s, 薄膜电阻率最小可达2.7×10^-4 Ω·cm, 且在可见光范围内光透过率超过了85%. 氧压和温度的增加, 都会导致薄膜电阻率变大. 关键词： 脉冲激光沉积法 ZnO：Al薄膜 透光性 导电性     

掺杂透明导电半导体薄膜的光电性能研究

掺杂氧化锌透明导电膜(AZO)是一种重要的光电子信息材料，其制备方法有真空蒸镀法、磁控溅射法，化学气相沉积和脉冲激光沉积法等。该文采用溶胶 凝胶（sol gel)工艺在普通玻璃基片上成功地制备出Al3+掺杂型ZnO透明导电薄膜。将这种薄膜在空气和真空中以不同的温度进行了退火处理，并对薄膜进行了XRD分析和光电性能研究。结果表明，所制备的薄膜为钎锌矿型结构，在c轴方向择优生长，真空退火有利于薄膜结晶状况的改善，并使薄膜的载流子浓度大幅度地增加而电阻率下降，并且真空退火对薄膜的透射率影响不大。