FeS2及FeS2-TiO2復(fù)合薄膜的制備與光電性能研究.pdf

1、立方晶系的FeS2(pyrite)是一種黃鐵礦結(jié)構(gòu)的化合物半導(dǎo)體,其理論禁帶寬度為0.95 eV,光吸收系數(shù)高達(dá)105cm-1,較高的光吸收系數(shù)使FeS2薄膜不需要很大的厚度就可以充分吸收太陽(yáng)光,從而使其成為一種非常有潛力的太陽(yáng)能電池光吸收材料。目前,制備FeS2薄膜的工藝路線大多采用一步法和兩步法。一步法直接制備的FeS2薄膜一般存在S空位及FeS2-x等過(guò)渡相,偏離化學(xué)計(jì)量比現(xiàn)象嚴(yán)重,而采用兩步法,即首先制備先驅(qū)體薄膜再在特定的硫氣

2、氛中退火處理,可以得到成分比較理想的薄膜材料。
　　 緊跟國(guó)際研究進(jìn)展,本文首先采用低成本,非真空的溶膠凝膠技術(shù)制備了氧化鐵先驅(qū)體并結(jié)合后續(xù)硫化熱處理得到了性能優(yōu)良的FeS2薄膜?？紤]到先驅(qū)體薄膜的組織特性及后續(xù)硫化過(guò)程中硫化參數(shù)的變化對(duì)最終薄膜組織和性能具有決定性的影響,首先考察了溶膠凝膠過(guò)程參數(shù)對(duì)先驅(qū)體氧化鐵膜組織特征的影響規(guī)律,然后研究了硫化溫度,硫化時(shí)間及摻雜效應(yīng)對(duì)FeS2薄膜結(jié)構(gòu)和光電性能的影響機(jī)制。在得到性能穩(wěn)定的F

3、eS2薄膜后,將其與TiO2納米多孔膜、TiO2納米管有序陣列組成無(wú)機(jī)窄禁帶半導(dǎo)體敏化太陽(yáng)能電池復(fù)合電極,對(duì)其結(jié)構(gòu),光學(xué)和光電化學(xué)性能的變化規(guī)律進(jìn)行了初步探索。主要工作及結(jié)論如下:
　　 采用溶膠凝膠工藝結(jié)合硫化熱處理制備出了沒(méi)有雜質(zhì)相的多晶FeS2薄膜,并研究了硫化溫度和硫化時(shí)間對(duì)薄膜沉積的影響。發(fā)現(xiàn)在300℃硫化時(shí),先驅(qū)體氧化鐵沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)變,但在400～600℃硫化時(shí)所有的Fe2O3先驅(qū)體薄膜都轉(zhuǎn)變?yōu)镕eS2。在400℃硫化

4、溫度下,退火處理1h即可得FeS2薄膜,硫化過(guò)程中先驅(qū)體氧化鐵膜具有的疏松多孔形貌為反應(yīng)原子提供了快速擴(kuò)散通道和反應(yīng)進(jìn)行的有利環(huán)境,是FeS2得以快速形成的主要原因。隨著入射光子能量的增加,在不同硫化參數(shù)下制備的FeS2薄膜的光吸收系數(shù)曲線均呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律,并在強(qiáng)吸收區(qū)薄膜的吸收系數(shù)值穩(wěn)定在105cm-1數(shù)量級(jí)。隨硫化溫度升高,FeS2薄膜的光學(xué)禁帶寬度明顯減小,但硫化時(shí)間對(duì)禁帶寬度的影響不明顯。不同硫化參數(shù)下制備的FeS2薄膜均為

5、P型,隨硫化溫度升高,薄膜電阻率增加,載流子濃度減小,而隨硫化時(shí)間增加,薄膜的霍爾遷移率減少,載流子濃度增加,電阻率先減小后增大。
　　 通過(guò)溶膠凝膠過(guò)程引入Cu、Al元素,不改變FeS2薄膜的立方晶黃鐵礦結(jié)構(gòu)。低濃度摻雜時(shí)薄膜的晶粒細(xì)化,表面平整致密,對(duì)光學(xué)性能影響較小,但可使載流子濃度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,且導(dǎo)電類型可控。而過(guò)量摻雜時(shí)薄膜內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)部分雜質(zhì)的局部富集,造成晶格常數(shù)和表面形貌的變化,不利于FeS2光電器件性能的

6、提升。
　　 采用sol-gel法和陽(yáng)極氧化法分別制備了TiO2納米多孔膜和TiO2納米管有序陣列薄膜,并與FeS2進(jìn)行復(fù)合得到了不同結(jié)構(gòu)的FeS2/TiO2復(fù)合薄膜光電極,初步探索了制備工藝對(duì)其結(jié)構(gòu)、光學(xué)及光電化學(xué)性能的影響,分析了薄膜復(fù)合機(jī)理。利用sol-gel法在TiO2納米多孔膜上沉積FeS2可以實(shí)現(xiàn)兩者的有效復(fù)合,但光電極整體性能不佳,電極結(jié)構(gòu)、界面匹配、電極接觸及材料內(nèi)部缺陷等因素是造成這一結(jié)果的主要原因。相比于Fe