全In组分可调InGaN的分子束外延生长

Ⅲ族氮化物InxGa1-xN合金为直接带隙半导体,其禁带宽度随着In组分变化从3.43 e V(Ga N)到0.64e V(In N)连续可调,波长范围覆盖了0.3–1.9μm,具有电子饱和速度高和光学吸收系数大等特点,是制备高效率全光谱太阳能电池和白光照明器件的理想材料.由于缺少合适的衬底,In N和InxGa1-xN薄膜通常生长在蓝宝石或Ga N模板上.本论文综述了采用MBE方法,在蓝宝石衬底和Ga N模板上生长了In N和全组分InxGa1-xN薄膜的生长行为和材料物理性质.利用MBE边界温度控制法在蓝宝石衬底上生长高室温电子迁移率的InN薄膜,利用温度控制外延法在Ga N/蓝宝石模板上制备了全组分InxGa1-xN薄膜.     

CdS,ZnO1-xSx电子结构和光学特性的第一性原理研究

 采用基于密度泛函理论(DFT)框架下广义梯度近似(GGA)的PBE平面波超软赝势方法,研究了闪锌矿型CdS和ZnO_1-xS_x(x=0,0.25,0.5,0.75,1)的电子结构和光学特性.计算并分析了闪锌矿型CdS和ZnO_1-xS_x的复介电函数、光电导率、吸收系数和损失函数.研究结果表明,闪锌矿型CdS和ZnO_1-xS_x(x=0,0.25,0.5,0.75,1)均为直接带隙半导体材料.ZnO中一定浓度的硫掺杂,导致带隙宽度变窄,而晶格常数随掺杂基本呈线性变化.就目前制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池普遍使用CdS缓冲层而言,ZnO_1-xS_x具有与CdS类似的电子结构,但光学特性上高频特性有明显改善.这些特性对于改善电池吸收层表面性能和光吸收特性、制备高效CIGS薄膜太阳能电池非常有利.     

非晶硅太阳电池中吸收层的氢稀释微控作用

基于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术制备非晶硅太阳电池,通过微量调节氢稀释(R_H),研究其对本征非晶硅吸收层的光学带隙及微结构的影响。实验结果显示当R_H由6.5增加到10时,本征非晶硅吸收层的光学带隙由1.796eV提高到1.973eV,电池效率随R_H的降低先升高后降低。并在R_H=7时达到最大值,此时的本征非晶硅薄膜的光学带隙约为1.836eV,其电池效率达到8.4%(V_(oc)=897.2mV,J_(sc)=14.86mA/cm~2,FF=62.96%)。实验表明R_H的提高并不能单调增加电池的效率。通过对微结构的分析发现,这主要是由于R_H过低或过高时,其Si-H_2键成分比例较高,微结构因子R较大,使得薄膜中缺陷较多所引起电池恶化导致的。     

热致漂白效应对非晶Ge34Ga2S64薄膜结构和光学特性的影响

采用热蒸发法技术沉积Ge34Ga2S64非晶薄膜,并对薄膜样品在375℃热处理2h。通过分光光度计、表面轮廓仪和显微拉曼光谱仪测试热处理前后薄膜样品的透过曲线、薄膜厚度和拉曼结构。利用薄膜干涉曲线的波峰和波谷计算了薄膜的厚度和折射率,并根据Swanepoel方法以及Tauc公式分别计算了薄膜折射率色散曲线和光学带隙等参数。结果表明,Ge34Ga2S64非晶薄膜经热处理后发生热致漂白效应,大分子团簇以及Ge-Ge、S-S同极错键含量明显减少,网络结构无序性降低,从而引起薄膜的光学吸收边蓝移、折射率降低、表面粗糙度(Ra)降低0.515nm和光学带隙增大0.118eV。     

In、Ga掺杂对SnO2的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法，建立了本征SnO2、SnO2:In、SnO2:Ga和SnO2:(In,Ga) 超晶胞模型并进行了几何结构优化，对其能带结构、 态密度、 电荷密度及光学性质进行了模拟计算. 结果显示，相比于SnO2:In和SnO2:Ga，SnO2:(In, Ga)的晶格常数更接近于本征SnO2，可有效降低SnO2材料掺杂体系的晶格畸变. SnO2中In、Ga的掺入能够增大材料的带隙值，且能带结构向高能方向移动，材料呈现典型的p型半导体特性. SnO2:(In, Ga)中，In与Ga掺杂原子和O原子的电子云呈现出共价键特性. 光学性能表明，SnO2:(In, Ga)晶体中，光子能量在0~2.45eV和大于6.27eV的范围内表现出良好的介电性能，在微型微电子传感器机械系统器件和高密度信息存储等方面具有良好的应用前景. SnO2:(In, Ga)在可见光范围内具有105cm-1数量级的吸收系数，能够强烈地吸收光能，在光电器件的吸收材料中具有潜在的应用前景.     

In、Ga掺杂SnO_2的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,建立了本征SnO_2、SnO_2∶In、SnO_2∶Ga和SnO_2∶(In,Ga)超晶胞模型并进行了几何结构优化,对其能带结构、态密度、电荷密度及光学性质进行了模拟计算.结果显示,与SnO_2∶In和SnO_2∶Ga相比,SnO_2∶(In,Ga)的晶格常数更接近于本征SnO_2,可有效降低SnO_2材料掺杂体系的晶格畸变.SnO_2中In、Ga的掺入能够增大材料的带隙值,且能带结构向高能方向移动,材料呈现典型的p型半导体特性.SnO_2∶(In,Ga)中,In与Ga掺杂原子和O原子的电子云呈现出共价键特性.光学性能表明,SnO_2∶(In,Ga)晶体中,光子能量在0~2.45 e V和大于6.27 e V的范围内表现出良好的介电性能,在微型微电子传感器机械系统器件和高密度信息存储等方面具有良好的应用前景.SnO_2∶(In,Ga)在可见光范围内具有10~5cm~(-1)数量级的吸收系数,能够强烈地吸收光能,在光电器件的吸收材料中具有潜在的应用前景.     

LPE法生长GaP/Si材料初探

用普通的液相外延(LPE)方法,在Si衬底上生长了厚约10μm的GaP外延层,并对以Ga,In或Sn为生长熔体进行生长得到的结果做了比较.结果表明,Si在Ga中溶解度很大,Ga不适合做熔体;In为熔体时生长出InGaP合金,Si含量较高,而且出现化学计量比偏离现象;Sn为熔体生长的GaP层中Si含量小于In熔体,而且GaP符合化学计量比.测得GaP外延层带隙波长为540     

工作气压对溅射沉积铜铟镓硒薄膜形态和光学性能的影响

采用射频磁控溅射法,通过直接溅射铜铟镓硒四元合金靶在镀有Mo背电极的soda-lime玻璃衬底上获得铜铟镓硒(CIGS)薄膜.利用X线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)和X线能量色散谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDS)研究薄膜的结构、表面形貌和组织成分的变化,并通过紫外-可见分光光度计(ultraviolet and visible spectrophotometer,UV/VIS)获得薄膜的透过率光谱,研究不同工作气压对CIGS薄膜晶体结构、表面形貌和光学性能的影响.实验结果表明:在工作气压为0.8 Pa时制得的薄膜表面均匀致密,可见光范围内透光率接近于零,nCu/nIn+Ga=0.83,nGa/nIn+Ga=0.3,nSe/nCu+In+Ga=1,证明溅射所得CIGS吸收层薄膜的性能接近高效吸收层的要求.     

预制层结构对CZTS薄膜微观组织和光学性能的影响

研究了叠层顺序对磁控溅射沉积铜锌锡硫（CZTS）吸收层的微观结构、表面形貌和光学性能的影响.试验结果表明：当预制层结构为Cu/ZnS/SnS₂时,制备的CZTS薄膜在（112）晶面具有择优生长取向,并具有较好的结晶一致性,在288,335和368 cm^-1处呈现出特征拉曼（Raman）峰,薄膜表面晶粒较大、形状规则、薄膜空隙较少、比较致密,可见光范围内的吸收系数较高,光学带隙1.5 eV,适合作为CZTS薄膜太阳能电池的吸收层;当预制层结构为SnS₂/Cu/ZnS和ZnS/SnS₂/Cu时,由于在预制层硫化过程中造成一定的Zn和Sn流失,使CZTS薄膜中含有CuS杂相,导致薄膜表面质量下降,禁带宽度增加,不适合做CZTS薄膜太阳能电池的吸收层.     

SnS2/SnS薄膜太阳能电池的制备与性能研究

文章采用水热法合成SnS2、SnS纳米晶体,用浸涂法制备了相应薄膜及其太阳能电池.用XRD和TEM分析了纳米晶体的晶型和颗粒形貌,用SEM对SnS2薄膜进行了表征,测量了SnS2、SnS薄膜的UV-Vis、UV-Vis-NIR吸收性能.结果表明,所制备的SnS2、SnS颗粒分别呈球形和片状结构且结晶性良好,SnS2薄膜的直接带隙为2.6 eV、间接带隙为2.2 eV,SnS薄膜的直接带隙为1.2 eV,间接带隙为1.0 eV,得到的SnS2/SnS薄膜太阳能电池的短路电流密度为1.1 μA/cm2,开路电压为25 mV.     

ZnSe和CuXSe2(X=Al,Ga,In)结构和光学性质的研究

利用赝势平面波基组的密度泛函理论方法,首先优化太阳能材料ZnSe和CuXSe_2(X=Al,Ga,In)的晶体结构,得到晶格参数、键长,并预测了CuXSe_2带隙和光学性质,带隙按照Al→Ga→In依次减小,但晶格参数和形变参数依次增加;通过光学性质中介电函数、吸收系数,反射率和光电导率分析发现,吸收系数的最强峰都在紫外区域,在3种晶体中光学性能按照Al→Ga→In依次增强。     

硫化锑太阳电池的数值模拟分析

利用Afors-het一维器件模拟仿真软件，研究传统CdS/Sb₂S₃异质结太阳电池器件中Sb₂S₃吸收层和CdS缓冲层厚度、带隙、吸收层受主浓度以及缺陷对电池性能的影响。结果表明，一定厚度的吸收层可以提高器件的短路电流密度，但过厚的吸收层会减小填充因子。研究CdS薄膜发现，过厚的CdS对电池的开路电压，短路电流密度以及填充因子损害较大。Sb₂S₃最优的带隙宽度在1.5～1.6 eV之间。提高Sb₂S₃受主浓度可以有效改善开路电压，但施主缺陷态密度与缺陷态在能级中能量的增加将会使电池效率降低。同时模拟结果表明，当吸收层中载流子寿命达到10^-7 s时，电池的短路电流密度可以得到明显改善。     

I层对PIN型InGaN太阳电池性能影响的研究

利用wx AMPS软件研究了I层对PIN型In Ga N太阳电池性能的影响及物理机制.通过模拟计算发现,在同质结的PIN型In Ga N太阳电池中,随着I层厚度的增加,In Ga N电池的开路电压几乎恒定,而短路电流增加,因此太阳能转换效率增加.在异质结的PIN型In Ga N太阳电池中,I层与P层和N层的In组分之差变大,会使异质结带阶变大,降低了太阳电池的能量转换效率.研究结果表明,适当选择I层厚度和In组分可以实现太阳电池转换效率提升和成本控制.     

铅基钙钛矿太阳能电池界面工程的研究

在wxAMPS太阳能电池数值模拟软件微平台上,对ITO/ZnO/界面层(IFL)/MAPbI₃/Sprio-OMeTAD/Au结构的钙钛矿太阳能电池(PSCs)的电子传输层(ETL)/吸收层的界面工程进行研究。结果表明:在界面层缺陷密度低于1014 cm-3时,PSCs的电池性能几乎不变,当缺陷密度高于1014 cm-3时,PSCs的电池性能急剧下滑。当界面层与吸收层亲和势差(Δχ)在-0.7~-0.1 eV范围时,各项电池性能参数均随Δχ的增大而增大;当Δχ在-0.1~0.5 eV范围时,各项电池性能呈平缓增长;当Δχ大于0.5 eV时,电池的短路电流(J_SC)呈平缓增长趋势,而开路电压(V_OC)、填充因子(FF)及光电装换效率(PCE)快速降低。当带隙E_g在0.9~1.4 eV范围内增大时,PSCs的V_OC、FF和PCE均上升;当带隙E_g大于1.4 eV,PSCs的各项性能参数基本不变。     

Ge基GaInP材料结构和光学性质研究

采用高分辨透射电子显微图像(HRTEM)、光致发光谱(PL)和原子力显微镜(AFM)技术等研究了金属有机化学气相沉积(MOVPE)技术制备的Ge基Ga In P异质外延层的结构和光学性质.研究表明,Ga In P带边发光峰能量位置随温度变化的倒"S"型变化来源于局域态和本征态发光之间的竞争;同时,实验中观察到了由[Ge(Ga,In)-V(Ga,In)]络合物所引起的1.4 e V左右的宽发光峰.不同偏角衬底的Ga In P外延层的变温PL谱和AFM分析表明,9°偏角的Ge衬底上生长的Ga In P外延层的有序度比6°偏角时减小,表面形貌更为平整.此外,Ge衬底和Ga In P之间插入超薄Al As层会增加Ga In P材料的有序度.当Al As界面层厚度由0.5 nm增加到5 nm时,观察到了由于应力增加所导致的Ga In P材料有序度的增加,从而导致载流子弛豫时间增加且呈双指数规律衰减.在Ge/Al As/Ga In P结构中,100 K下的PL谱中出现了与P空位相关的1.57 e V左右宽发光峰,并且该发光峰强度随Al As界面层厚度的增加而增强.     

可调带隙量子阱的柔性太阳能电池研究

采用新型材料作为本征层很大层度上解决了薄膜材料光衰减的问题,有效保证了薄膜太阳能电池的发电效率。采用可调带隙以及具有量子阱结构InxGa1-xN晶体薄膜作为Ⅰ层,可以有效提高薄膜太阳能电池转换效率,再采用GZO透明薄膜既作为缓冲层又作为透明导电电极,增加了薄膜太阳能电池的透光率,同时提高了透明电极的耐腐蚀性能,使得薄膜太阳能电池的光电转换效率得到了很大的提高。采用AlN作为绝缘层,其晶格失配率相差很小,可以制备出质量均匀的Al背电极。该柔性电池具有优异的柔软性,重量轻,携带方便,具有潜在的市场空间,而且制备工艺简单,可实现规模生产。     

氢化纳米非晶硅(na-Si:H)p-i-n太阳电池

文章报道了通过适当氢稀释(RH=15)和合适的衬底温度(Ts=170℃)下,用PECVD制备得到的宽带隙氢化纳米非晶硅(na-Si:H)薄膜,并将其用作pin太阳电池的本征层。经过电池结构和工艺条件的优化设计,在p/i,i/n界面插入渐变带隙缓冲层,制备出了glass/ITO/p-a-SiC:H/i-na-Si:H/n-nc-Si:H/Al结构的pin太阳电池。电池初始开路电压(Voc)高达0.94V,同时还能保证0.72的填充因子(FF)。光电转换效率(Eff)达到8.35%(AM1.5,100mW/cm2)。     

宽光谱高效硅基薄膜太阳电池的基础研究报告

介绍高绒度MOCVD-ZnO:B透明导电薄膜用作非晶硅太阳电池前电极、非晶硅太阳电池BZO/p-a-SiC:H接触特性改善、非晶硅界面缓冲层对非晶硅锗电池性能的影响以及非晶硅锗电池性能的调控等方面的研究内容及结果。首先我们将自行研制的具有优异陷光效果的掺硼氧化锌BZO用作p-i-n型非晶硅太阳电池的前电极,并且将传统商业用U型掺氟二氧化锡FTO作为对比电极。结果表明相对FTO电池,尽管BZO电池的电流优势明显,但当本征层厚度较薄时其Voc和FF却较差。原因是相对于表面较为平滑的FTO,BZO表面呈大类金字塔的绒面结构会在本征层生长过程中触发阴影效应,形成大量的高缺陷材料区和漏电沟道,进而恶化电池的Voc和FF。在不修饰BZO表面形貌的情况下,通过调节非晶硅本征层的沉积温度来消弱BZO高绒度表面引起的这种不利影响,改善后的电池Voc和FF均有提升。在仅有Al背电极的情况下,当本征层厚度为200 nm时,BZO前电极非晶硅太阳电池效率达7.34%。其次,我们采用重掺杂的p型微晶硅来改善前电极掺硼氧化锌(ZnO:B)和窗口层p型非晶硅碳(p-aSiC)之间的非欧姆接触特性。通过优化插入层p型微晶硅的沉积参数(氢稀释比H_2/SiH_4、硼掺杂比B_2H_6/SiH_4)获得了较薄厚度下(20 nm)暗电导率高达4.2 S/cm的p型微晶硅材料。在本征层厚度约为150 nm,仅采用Al背反射电极的情况下,获得了效率6.37%的非晶硅顶电池,开路电压Voc和填充因子FF均较无插入层的电池有大幅提升。第三,采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术,进行了非晶硅锗薄膜太阳电池的研究。针对非晶硅锗薄膜材料的本身特性,通过调控硅锗合金中硅锗的比例,实现了对硅锗薄膜太阳电池中开路电压和短路电流密度的分别控制。借助于本征层硅锗材料帯隙梯度的设计,获得了可有效用于多结叠层电池中的非晶硅锗电池。最后,介绍了针对非晶硅锗电池本征层高锗含量时界面带隙失配以及高界面缺陷密度造成电池开路电压和填充因子下降的问题,通过在P/I界面插入具有合适带隙的非晶硅缓冲层,不仅有效缓和了带隙失配,降低界面复合,同时也通过降低界面缺陷密度,改善内建电场分布从而提高了电池的收集效率。进一步引入I/N界面缓冲层以及对非晶硅锗本征层进行能带梯度设计,在仅采用Al背电极时,单结非晶硅锗电池转换效率达8.72%。总之,通过以上优化措施,最后获得了效率为14.06%的非晶硅/非晶硅锗/微晶硅三结叠层太阳电池。     

基于光电子晶体的高效太阳能电池反射器的研究

薄膜太阳能电池的出现大大降低了太阳能电池的生产成本,但其光电转化效率明显低于传统太阳能电池。这是由于薄膜太阳能电池过薄的吸收层严重降低了电池对长波长入射光的捕获效率。为了提高薄膜太阳能电池对长波长入射光的捕获效率,可在电池吸收层背部增加一个反射器。该文从一维光子晶体的结构特点出发,在证明一维光子晶体中具有光子禁带的基础上,通过获取的数值,模拟计算出了一维光子晶体禁带的随周期数、折射率比值等。同时,提出了一种新型的展宽全方向反射带的方法,并且设计了一个由三个基本一维光子晶体合成的一维结构,得到了较大的全方向反射带。     

ALD法制备二维二硫化钼薄膜的研究现状及展望

二硫化钼(M oS2)是一种典型的过渡金属硫属化合物,其二维结构表现出优异的光学性能、热电性能及光电性能,在光电器件领域具有广阔的应用前景.M oS2薄膜的带隙可通过原子层数进行调控,随层数减少其带隙呈逐渐增大趋势,当层数减至一层,将由间接带隙转为直接带隙.因此,制备层数可控的MoS2薄膜是其应用的基础.原子层沉积(A...