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晶格常数在6.1A附近的Ⅱ-Ⅵ与Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物的禁带宽度几乎连续覆盖了整个太阳光谱,将这些材料结合起来研制全光谱高效多结太阳能电池是目前国际上高效光伏技术研究领域的前沿热点方向。然而,对于这一新型光伏器件的研究尚处于理论设计和性能模拟的初级阶段,从材料的生长,子电池和隧道结的制备,到器件工艺等方面都需要进行广泛的研究以获取第一手资料。
本论文的目的是生长新型高效Ⅱ-Ⅵ与Ⅲ-Ⅴ族多结太阳电池用高质量Ⅱ-Ⅵ族(Zn,Cd,Se,Te)光伏材料。主要内容包括GaAs和GaSb衬底上ZnTe、CdSe、CdTe和CdSeTe材料的分子束外延(MBE)生长及性能分析；CdSe、CdTe和CdSeTe材料的n型掺杂研究等。本论文所取得的主要成果如下:
1、对一台用于GaN生长的国产Ⅳ型MBE设备的左生长室进行了全面的技术改造和维修,安装了新的源炉、四极质谱仪、温度控制系统和专用PC机等设备,为生长优质的Ⅱ-Ⅵ族光伏材料奠定了实验基础。
2、研究了生长参数和缓冲层对MBE生长ZnTe/GaAs异质外延薄膜的影响,并在GaSb衬底上生长出高质量的ZnTe单晶薄膜。首先获得了ZnTe的最佳生长条件,即衬底温度在360℃附近,Ⅵ/Ⅱ比在4.0-6.4之间。其次发现插入低温同质缓冲层后ZnTe的结构、形貌和发光质量都得到了显著提高,(004)峰双晶X射线摇摆曲线(DCXRC)的半高宽(FWHM)从529arcsec减小到421arcsec,表面均方根(RMS)粗糙度从6.05nm下降到3.93nm。最后在GaSb衬底上生长了ZnTe薄膜,其DCXRC的FWHM仅为43arcsec,表明该样品具有很好的晶体质量。
3、对GaAs上CdSe薄膜的生长和n型掺杂作了研究。随衬底温度的升高,CdSe的结晶质量迅速提高,在320℃以上可以得到二维生长盼CdSe单晶薄膜。DCXRC和室温光致发光(PL)谱测试表明提高Ⅵ/Ⅱ比能增强薄膜的结构和发光特性。Ⅵ/Ⅱ比为3.81时,掺入适量的C1能改善CdSe的晶体质量,但ZnCl2源炉的温度(T(ZnCl2))升到180℃后薄膜质量明显下降。T(ZnCl2)为140℃时获得了最高的载流子浓度(n=3.8×1018cm-3)。通过降低Ⅵ/Ⅱ比进一步提高了掺杂水平,当Ⅵ/Ⅱ为1.0时n达到了9.5×1018cm-3,迁移率为100cm2/V·S。实验证明降低生长速率几乎不会使n增大,但有助于改善薄膜质量。
4、对CdTe薄膜生长的研究表明,直接生长在GaAs(001)上的CdTe为(111)取向,而插入不同温度下(320℃和360℃)生长的ZnTe缓冲层后得到了高质量的CdTe(001)单晶薄膜,而且发现高温下生长的ZnTe对提高CdTe薄膜的质量有更显著的效果。研究了Ⅵ/Ⅱ比对ZnTe缓冲层上生长的CdTe:Cl薄膜的电学和结构特性的影响。随着Ⅵ/Ⅱ比的减小,n逐渐增大,薄膜的结晶度下降。Ⅵ/Ⅱ比降到1.2时n达到6.1×1017cm-3,对掺杂水平较低的原因作了分析。
5、通过改变Te和(Se+Te)的束流压强比(PTe/PSe+Te),在GaAs(001)上生长了不同组分的CdSe1-xTex薄膜,根据X射线衍射(XRD)数据得到了组分x租PTe/PSe+Te的关系。发现当x=0.68时CdSe1-xTex薄膜中已混有(111)取向的晶粒。研究了与GaSb晶格匹配,且适合用来制作CdSeTe/GaSb双结太阳电池的CdSe0.85Te0.15薄膜的n型掺杂特性。在Ⅵ/Ⅱ比为4.4的条件下,未掺杂的CdSeTe薄膜显示弱n型导电性,当T(ZnCl2)=150℃时获得了最大的载流子浓度,为6.3×1018cm-3。