FeS-,2-薄膜制備及光電性能.pdf

1、立方晶系的FeS2具有合適的禁帶寬度，較高的光吸收系數(shù)，元素儲量豐富，環(huán)境相容性好，制備成本較低，是一種較有研究價(jià)值的新型太陽能電池材料。 本文在緊密跟蹤國際研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，采用Fe及Fe3O4先驅(qū)體膜硫化法制備了FeS2薄膜，研究了硫化工藝參數(shù)對晶體結(jié)構(gòu)及光電性能的影響、晶體織構(gòu)分布、晶體表面缺陷等對FeS2薄膜性能的影響以及FeS2應(yīng)用于染料敏化太陽能電池系統(tǒng)，在不同先驅(qū)體膜轉(zhuǎn)化規(guī)律與機(jī)制、FeS2晶體生長擇優(yōu)取向誘導(dǎo)與控

2、制、FeS2/In2S3復(fù)合薄膜的制備、薄膜比表面能變化的作用以及利用FeS2與多孔TiO2復(fù)合膜制備光陽極測試光電轉(zhuǎn)換性能等方面，取得了相應(yīng)結(jié)果。主要結(jié)論如下： 磁控濺射制備的Fe膜及電沉積并氧化制備的Fe3O4膜在400℃硫化溫度及80kPa硫化壓力條件下均能較好地轉(zhuǎn)變?yōu)镕eS2薄膜。Fe3O4膜的硫化反應(yīng)速率高于Fe膜的硫化反應(yīng)速率，前者合適的硫化時(shí)間為10h，后者合適的硫化時(shí)間為20h。 Fe膜硫化的FeS2薄膜

3、平整致密，晶粒較大，光吸收系數(shù)較高，禁帶寬度接近理論值。Fe3O4膜硫化的FeS2薄膜表面疏松多孔，晶粒細(xì)小，載流子濃度和電阻率較高。當(dāng)電沉積溶液的pH較低時(shí)，以ITO膜為基底的Fe3O4先驅(qū)膜熱硫化可以形成有In2S3伴生的FeS2薄膜。 不同先驅(qū)體膜硫化形成FeS2薄膜中存在晶格畸變、過渡相、空位、間隙原子、晶界及幾何不連續(xù)等缺陷。相變比容變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和原子擴(kuò)散產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷導(dǎo)致了FeS2薄膜晶格常數(shù)的變化。硫化反應(yīng)不徹底

4、殘留的過渡相會降低其光吸收系數(shù)。過渡相、空位及間隙原子等晶體缺陷也能夠引入缺陷能級而降低FeS2薄膜的禁帶寬度。隨晶粒尺寸的減小禁帶寬度增加。 薄膜厚度變化引起比表面積、位向分布比例、內(nèi)應(yīng)力分布、過渡相數(shù)量、點(diǎn)缺陷和面缺陷濃度的變化。厚度在120～550nm變化的FeS2薄膜晶體生長以(200)位向比例最高，其它位向的比例隨薄膜厚度增加發(fā)生一定程度的改變。隨FeS2薄膜厚度增加，晶粒尺寸逐漸增加并在380nm時(shí)出現(xiàn)最大值，飽和吸

5、收區(qū)光吸收系數(shù)及禁帶寬度均減小，載流子濃度持續(xù)下降而電阻率持續(xù)上升。FeS2與In2S3共生FeS2的晶格常數(shù)小于標(biāo)準(zhǔn)值，并隨硫化時(shí)間的增加而進(jìn)一步減小。 通過改變基底晶體類型能夠在一定程度上控制FeS2薄膜生長的晶體位向分布。對于Fe膜在400℃硫化合成的FeS2薄膜，當(dāng)基底為單晶Si(100)、Si(111)及具有(111)板織構(gòu)的Al時(shí)，均出現(xiàn)(200)擇優(yōu)取向。當(dāng)基底為具有(101)織構(gòu)的微晶TiO2膜時(shí)，(200)及(

6、220)擇優(yōu)取向共存。非晶玻璃基底對FeS2薄膜形成的位向分布影響不明顯。 當(dāng)基底為非晶結(jié)構(gòu)或與FeS2晶體有較大的錯(cuò)配度時(shí)，不能做為制約FeS2結(jié)晶位向的有效界面改變位向分布比例，F(xiàn)eS2晶體取向分布主要受表面能及晶粒優(yōu)先生長方向控制。當(dāng)基底為晶態(tài)并與FeS2某些位向的錯(cuò)配度較小時(shí)，F(xiàn)eS2晶體取向分布除受表面能、晶粒優(yōu)先生長方向控制外，還同時(shí)受界面應(yīng)變能的控制。相對單晶Si(111)基底而言，非晶玻璃基底上生長的FeS2薄膜