ⅢA族元素摻雜的硫化鎘-Si納米孔柱陣列的制備與光電特性研究.pdf

1、硫化鎘(CdS)是一種重要的II-VI族化合物半導體材料，它具有寬的直接帶隙(~2.42 eV)、高的載流子遷移率(3×105 cm2/V·s)和良好的熱穩(wěn)定性，因而在電子和光電子器件領域具有重要應用價值?；诠璨牧显陔娮庸I(yè)中的重要地位以及硅納米材料所呈現(xiàn)的優(yōu)異光電性能，對Si基納米器件的構建和光電性能研究引起了人們極大的興趣。在前期研究中，我們通過水熱腐蝕法制備出了一種具有微米-納米多層次結構的規(guī)則Si納米復合體系，即硅納米孔柱陣列

2、(Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA)。它具有特殊的物理和化學性能，可用來制備具有規(guī)則陣列結構的硅基功能性納米復合體系。在此基礎上，本課題組制備了CdS/Si-NPA納米異質結，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的整流效應和光伏性能，是一種具有重要應用前景的Si基納米光電器件。但是由于CdS薄膜較差的光電性能，阻礙了CdS/Si-NPA異質結性能的進一步提升，如電致發(fā)光(EL)發(fā)光效率和強度很低，太陽能電池的串聯(lián)電

3、阻極高，短路電流很小，轉換效率極低。因此，本文通過ⅢA族元素摻雜對CdS薄膜光電性能進行改善，從而提高CdS/Si-NPA納米異質結的性能，進而制備出高性能的CdS/Si-NPA納米光電器件。論文取得的主要研究結果如下：
　　1、CdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底，采用化學水浴法(CBD)制備了CdS/Si-NPA多界面納米異質結。該異質結的基本結構為：CdS連續(xù)薄膜居于上層；CdS納米晶

4、(nc-CdS)和硅納米晶(nc-Si)組成的多界面納米異質結居于中間；納米多孔硅層及單晶硅襯底居于下層。通過測試CdS/Si-NPA的室溫和變溫光致發(fā)光(PL)譜，發(fā)現(xiàn)不同溫度下的PL譜均由藍光、綠光、紅光和紅外四個發(fā)射峰組成，峰位分別位于~436 nm，~563 nm，~688 nm和~810 nm。其中，藍光峰來自于襯底，峰位峰強不隨溫度變化。其它三峰都來自于CdS。綠光峰來自于nc-CdS的近帶邊發(fā)射，紅光峰來自于表面態(tài)電子到鎘

5、空位相關能級的躍遷，紅外峰來自于表面態(tài)電子到硫間隙相關能級的躍遷。隨著測試溫度的升高，紅光峰不斷紅移，紅外峰幾乎不變，而綠光峰出現(xiàn)“Λ”形變化，先藍移(10-100 K)，后紅移(100-300 K)。與此同時，三峰強度逐漸減小，紅光峰的強度在高于200 K之后幾乎為0。通過相關機制研究表明，綠光峰位的反常移動應歸因于束縛激子的去局域化行為。各發(fā)射峰峰強隨溫度的演變表明PL的熱淬滅起源于與溫度相關的非輻射復合過程。綠光峰在低溫下非輻射復

6、合過程主要歸因于束縛激子的去局域化過程，而高溫下則主要歸因于LO聲子被缺陷態(tài)散射所產生的熱逃逸。紅光和紅外光在高溫下的非輻射復合過程與綠光類似，低溫下的非輻射復合過程為受主能級附近的局域態(tài)到受主能級的躍遷。
　　2、B元素摻雜CdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底、硼酸為摻雜源，采用CBD法制備了B摻雜CdS/Si-NPA。研究發(fā)現(xiàn)B元素摻雜對樣品的表面形貌和結構沒有明顯影響，依舊保持了規(guī)則的

7、陣列結構，但是對CdS薄膜的電阻率以及CdS/Si-NPA的光致發(fā)光、整流、電致發(fā)光和光伏特性(PV)都有顯著影響。通過對B摻雜CdS/Si-NPA的室溫和變溫光致發(fā)光譜測試，發(fā)現(xiàn)不同溫度下PL譜均由綠光、紅光和紅外光三個發(fā)射帶組成。隨著摻雜量增加，由于B摻入方式的改變，綠光帶先增強后又微弱減小，紅光帶和紅外光帶先減弱后增強。其中樣品B-0.01的綠光最強，紅光和紅外光幾乎消失?？紤]到太陽光譜的特征，綠光為其最強烈區(qū)域，所以B元素摻入后

8、有利于制備高效太陽能電池。隨著B摻雜量的增加，CdS電阻率非單調減小。樣品B-0.01的電阻率最小為~98Ω·cm。同時，B摻入后CdS/Si-NPA的整流特性明顯改善。其中，樣品B-0.01具有最好的整流特性，即最大的反向擊穿電壓(>3 V)和最小的理想因子(10.6)。通過控制B摻雜量可以實現(xiàn)對EL發(fā)射波長的調控。隨著B摻雜量的增加，EL譜由未摻雜時的單一綠光發(fā)射轉變?yōu)榫G光-紅光或紅光-紅外雙光發(fā)射。此外，B的摻入明顯改善了CdS/

9、Si-NPA的光伏性能。其中，樣品B-0.01的光伏性能最好，串聯(lián)電阻僅為未摻雜樣品的~3％，短路電流密度是未摻雜樣品的~20倍，轉換效率是未摻雜樣品的~300倍。這一結果表明，B摻雜是提高CdS/Si-NPA異質結光電性能的一種有效途徑，最佳摻雜量([B]/[Cd])為0.01。
　　3、Al元素摻雜CdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底、氯化鋁為摻雜源，同樣采用CBD法制備了Al摻雜CdS

10、/Si-NPA。研究發(fā)現(xiàn)Al元素摻入后沒有破壞CdS/Si-NPA的整體形貌，規(guī)則的陣列結構依舊保持，但是對樣品的均勻性和致密性有顯著影響。其中樣品Al-0.07中薄膜的均勻性和致密性最好。室溫下，Al摻雜CdS/Si-NPA的PL譜均由位于~440nm的藍光、~550nm的綠光和~800nm的紅外光三個發(fā)射峰組成，沒有紅光發(fā)射峰，且紅外發(fā)射峰強度很低。藍光來自于襯底，綠光和紅光來自于CdS。紅光峰的缺失和極低的紅外峰強表明CdS薄膜擁

11、有低的缺陷態(tài)密度。隨著Al摻雜量的增加，CdS薄膜電阻率非單調減小。樣品Al-0.07的電阻率最小為2.31×102Ω·cm。Al的摻入明顯改善了CdS/Si-NPA的整流特性。CdS/Si-NPA的開啟電壓從~2.9V降為~2.1 V，反向擊穿電壓都高于5 V。通過控制Al摻雜量可實現(xiàn)CdS/Si-NPA樣品的EL譜從單一綠光到綠光-紅光雙光發(fā)射。Al摻入后有效地減小了CdS/Si-NPA太陽能電池的串聯(lián)電阻，增加了器件的短路電流，從

12、而提高了器件的轉換效率。其中，樣品Al-0.07的光伏性能最好，串聯(lián)電阻僅為未摻雜樣品的0.3%，短路電流密度是未摻雜樣品的~30倍，轉換效率是未摻雜樣品的~150倍。這一結果表明，Al摻雜是提高CdS/Si-NPA異質結光電性能的一種有效途徑，最佳摻雜量([Al]/[Cd])為0.07。
　　4、In元素摻雜CdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底、氯化銦為摻雜源，采用連續(xù)離子層吸附與反應法(

13、SILAR)制備了In摻雜CdS/Si-NPA。研究發(fā)現(xiàn)In元素摻入后沒有破壞CdS/Si-NPA的整體形貌，規(guī)則的陣列結構依舊保持。隨著摻雜濃度的增加，CdS薄膜的粗糙度不斷降低，均勻性和致密性不斷提高。In摻雜CdS/Si-NPA的室溫PL譜只有位于~436 nm的藍光和~520 nm的綠光發(fā)射峰，沒有任何缺陷發(fā)射峰，表明In摻雜CdS薄膜具有接近的化學計量比和較低的缺陷態(tài)密度。隨著In摻雜量的增加， CdS薄膜電阻率從9.97×1

14、03Ω·cm減小到6.53×102Ω·cm。In摻入后明顯改善了CdS/Si-NPA的整流和光伏特性。CdS/Si-NPA的反向擊穿電壓從~3.0 V增加到6.5 V。CdS/Si-NPA太陽能電池的轉換效率提高了2個數量級。此外， In摻雜CdS/Si-NPA的EL譜為300-700 nm的寬譜發(fā)射，經色坐標計算為白光發(fā)射，并且通過控制摻雜濃度，可實現(xiàn)對其色坐標和色溫的有效調控。In摻入后使得CdS/Si-NPA有望成為制備硅基白光L