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氧化锌(ZnO)是一种直接宽带隙半导体材料,室温下具有较大的禁带宽度(3.37eV)和较高的激子束缚能(60meV)。由于热稳定性高,抗辐射能力强以及成本低等特点,ZnO材料在光电器件领域,特别是太阳能电池方面有着很大的应用前景。近些年来,人们已在ZnO薄膜和纳米材料研究方面取得了许多有意义的成果。然而,ZnO材料在太阳能电池的实用化方面仍有很多的困难。本论文对于面向太阳能电池用的ZnO基透明导电氧化物(TCO)薄膜以及纳米ZnO薄膜进行了较为详细的研究,具体的研究结果如下:
1.采用化学溶液沉积(CSD)法制备了ZnO:Al薄膜,发现当Al含量为0.5at.％时,薄膜具有最小的电阻率:随Al含量增加,薄膜的光学带隙先增大而后趋于饱和;空气中退火温度升高有利于薄膜结晶质量的改善,但是温度过高会引起电阻率急剧增大;还原气氛中退火温度升高可使薄膜的光学带隙增大,但会导致薄膜结晶质量下降;随胶体浓度增加,薄膜的颗粒尺寸和光学带隙均有所增大。
2.采用CSD法制备了ZnO:Cd薄膜,发现ZnO:Cd薄膜具有较高的可见光透过率(＞80%);薄膜的光学带隙随Cd含量增加而减小,随退火温度升高而增大;600℃退火的10at.%Cd掺杂的ZnO薄膜具有最小的电阻率～0.0341Ω·cm,在ITO玻璃沉积的ZnO:Cd薄膜具有减反膜的作用。
3.采用CSD法制备了ZnO:Sb薄膜,发现Sb的掺入导致ZnO薄膜结晶度降低;Ar气氛或真空中退火处理有利于薄膜结晶质量的改善;真空中退火的0.35at.%Sb掺杂的ZnO薄膜表现为p型导电;同时,在ZnO:Sb/ZnO同质结的Ⅰ-Ⅴ结果中也观察到p-n结整流特性行为。
4.采用全化学法制备了纳米ZnO薄膜,发现在有种子层的衬底上生长的纳米ZnO薄膜为纳米棒阵列结构,以此结构所构建的DSCs光电转化效率更高;随前驱溶液浓度增加,纳米棒直径增大,DSCs转化效率降低;种子层厚度增加导致ZnO纳米棒阵列密度以及DSCs转化效率提高。