锑基硫族化合物深能级缺陷性质研究

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缺陷工程对半导体光伏器件至关重要,全面深入地理解缺陷形机理并合理调控缺陷有利于实现高效的太阳能源转化。准一维(Q1D)结构的锑基硫族化合物Sb2S(e)3(Sb2S3,Sb2Se3和Sb2(S,Se)3)是一类新兴的太阳能电池光收集材料,具有优异的光电性质。然而,该类太阳能电池由陷阱复合导致的严重开路电压(VOC)赤字则是制约其发展的巨大阻碍。因此,增进对Sb2S(e)3的缺陷性质基础认知和理解,实现对其缺陷的合理调控迫在眉睫。本博士论文围绕Sb2S(e)3光伏材料缺陷性质的研究展开,主要包括5个章节。第一章,介绍了半导体基本原理,涵盖半导体的定义、能带和缺陷分类。详细阐述了半导体载流子产生和复合机制,重点论述了缺陷与载流子产生和复合的关系。简要概述了几种常见半导体缺陷的检测技术,最后总结了 Sb2S(e)3材料特性及缺陷性质的研究现状,并在此基础上提出了本文的研究思路和主要内容。第二章,研究了 Sb2S3薄膜中的深能级缺陷与薄膜组分和结构的关系。采用共蒸发沉积制备富Sb和富S的Sb2S3薄膜,并利用深能级瞬态谱(DLTS)表征了薄膜中的深能级缺陷。该研究揭示了 Sb2S3深能级缺陷与元素组分的依赖关系。富Sb薄膜中存在3种电子陷阱,而在富S中则存在两种空穴陷阱。此外,Sb2S3的Q1D结构具有对间隙缺陷(Sbi)的良好包容性。该研究构筑了材料加工、缺陷化学、载流子动力学和太阳能电池性能关系,为高效Sb2S3光伏发展指明方向。第三章,研究了非化学计量比的Sb2Se3薄膜中的深能级缺陷。采用共蒸发沉积制备富Sb和富Se的Sb2Se3薄膜。DLTS表征结果显示Sb2Se3深能级缺陷受化学计量比影响较大。富Se中薄膜检测到2个空穴陷阱,而富Sb薄膜中则存在1个电子陷阱和1个空穴陷阱,但却对应同1个两性的SbSe反位缺陷。该缺陷具有等效地俘获电子和空穴的能力,对电荷复合和器件性能至关重要。此外,研究发现化学计量比附近的Sb2Se3具有改善的缺陷性质和延长的载流子寿命。第四章,研究了 Sb2(S,Se)3薄膜中深能级缺陷的形成机制及随Se/(S+Se)原子比例的变化趋势。采用水热离子沉积制备了不同Se/(S+Se)比例的Sb2(S,Se)3薄膜。DLTS分析发现水热法制备的Sb2(S,Se)3薄膜中存在三种空穴陷阱,分别对应三种位置的Sbs反位缺陷,而适量Se的引入可有效钝化薄膜中的深能级缺陷,从而抑制陷阱复合,该研究丰富了对Sb2(S,Se)3缺陷性质的理解。第五章,总结了本论文的主要研究内容,即系统地开展了Sb2S(e)3深能级缺陷的实验研究,揭示了深能级缺陷的形成机理及其对载流子输运和器件性能的影响。探讨了当前Sb2S(e)3在浅能级缺陷调控、深能级缺陷钝化和太阳能电池结构设计方面存在的主要问题,并对该类太阳能电池发展进行了展望。
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