ⅢA族元素?fù)诫s的硫化鎘-Si納米孔柱陣列的制備與光電特性研究.pdf

1、硫化鎘(CdS)是一種重要的II-VI族化合物半導(dǎo)體材料，它具有寬的直接帶隙(~2.42 eV)、高的載流子遷移率(3×105 cm2/V·s)和良好的熱穩(wěn)定性，因而在電子和光電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。基于硅材料在電子工業(yè)中的重要地位以及硅納米材料所呈現(xiàn)的優(yōu)異光電性能，對(duì)Si基納米器件的構(gòu)建和光電性能研究引起了人們極大的興趣。在前期研究中，我們通過(guò)水熱腐蝕法制備出了一種具有微米-納米多層次結(jié)構(gòu)的規(guī)則Si納米復(fù)合體系，即硅納米孔柱陣列

2、(Silicon Nanoporous Pillar Array，Si-NPA)。它具有特殊的物理和化學(xué)性能，可用來(lái)制備具有規(guī)則陣列結(jié)構(gòu)的硅基功能性納米復(fù)合體系。在此基礎(chǔ)上，本課題組制備了CdS/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的整流效應(yīng)和光伏性能，是一種具有重要應(yīng)用前景的Si基納米光電器件。但是由于CdS薄膜較差的光電性能，阻礙了CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)性能的進(jìn)一步提升，如電致發(fā)光(EL)發(fā)光效率和強(qiáng)度很低，太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電

3、阻極高，短路電流很小，轉(zhuǎn)換效率極低。因此，本文通過(guò)ⅢA族元素?fù)诫s對(duì)CdS薄膜光電性能進(jìn)行改善，從而提高CdS/Si-NPA納米異質(zhì)結(jié)的性能，進(jìn)而制備出高性能的CdS/Si-NPA納米光電器件。論文取得的主要研究結(jié)果如下：
　　1、CdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底，采用化學(xué)水浴法(CBD)制備了CdS/Si-NPA多界面納米異質(zhì)結(jié)。該異質(zhì)結(jié)的基本結(jié)構(gòu)為：CdS連續(xù)薄膜居于上層；CdS納米晶

4、(nc-CdS)和硅納米晶(nc-Si)組成的多界面納米異質(zhì)結(jié)居于中間；納米多孔硅層及單晶硅襯底居于下層。通過(guò)測(cè)試CdS/Si-NPA的室溫和變溫光致發(fā)光(PL)譜，發(fā)現(xiàn)不同溫度下的PL譜均由藍(lán)光、綠光、紅光和紅外四個(gè)發(fā)射峰組成，峰位分別位于~436 nm，~563 nm，~688 nm和~810 nm。其中，藍(lán)光峰來(lái)自于襯底，峰位峰強(qiáng)不隨溫度變化。其它三峰都來(lái)自于CdS。綠光峰來(lái)自于nc-CdS的近帶邊發(fā)射，紅光峰來(lái)自于表面態(tài)電子到鎘

5、空位相關(guān)能級(jí)的躍遷，紅外峰來(lái)自于表面態(tài)電子到硫間隙相關(guān)能級(jí)的躍遷。隨著測(cè)試溫度的升高，紅光峰不斷紅移，紅外峰幾乎不變，而綠光峰出現(xiàn)“Λ”形變化，先藍(lán)移(10-100 K)，后紅移(100-300 K)。與此同時(shí)，三峰強(qiáng)度逐漸減小，紅光峰的強(qiáng)度在高于200 K之后幾乎為0。通過(guò)相關(guān)機(jī)制研究表明，綠光峰位的反常移動(dòng)應(yīng)歸因于束縛激子的去局域化行為。各發(fā)射峰峰強(qiáng)隨溫度的演變表明PL的熱淬滅起源于與溫度相關(guān)的非輻射復(fù)合過(guò)程。綠光峰在低溫下非輻射復(fù)

6、合過(guò)程主要?dú)w因于束縛激子的去局域化過(guò)程，而高溫下則主要?dú)w因于LO聲子被缺陷態(tài)散射所產(chǎn)生的熱逃逸。紅光和紅外光在高溫下的非輻射復(fù)合過(guò)程與綠光類(lèi)似，低溫下的非輻射復(fù)合過(guò)程為受主能級(jí)附近的局域態(tài)到受主能級(jí)的躍遷。
　　2、B元素?fù)诫sCdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底、硼酸為摻雜源，采用CBD法制備了B摻雜CdS/Si-NPA。研究發(fā)現(xiàn)B元素?fù)诫s對(duì)樣品的表面形貌和結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯影響，依舊保持了規(guī)則的

7、陣列結(jié)構(gòu)，但是對(duì)CdS薄膜的電阻率以及CdS/Si-NPA的光致發(fā)光、整流、電致發(fā)光和光伏特性(PV)都有顯著影響。通過(guò)對(duì)B摻雜CdS/Si-NPA的室溫和變溫光致發(fā)光譜測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同溫度下PL譜均由綠光、紅光和紅外光三個(gè)發(fā)射帶組成。隨著摻雜量增加，由于B摻入方式的改變，綠光帶先增強(qiáng)后又微弱減小，紅光帶和紅外光帶先減弱后增強(qiáng)。其中樣品B-0.01的綠光最強(qiáng)，紅光和紅外光幾乎消失?？紤]到太陽(yáng)光譜的特征，綠光為其最強(qiáng)烈區(qū)域，所以B元素?fù)饺牒?/p>

8、有利于制備高效太陽(yáng)能電池。隨著B(niǎo)摻雜量的增加，CdS電阻率非單調(diào)減小。樣品B-0.01的電阻率最小為~98Ω·cm。同時(shí)，B摻入后CdS/Si-NPA的整流特性明顯改善。其中，樣品B-0.01具有最好的整流特性，即最大的反向擊穿電壓(>3 V)和最小的理想因子(10.6)。通過(guò)控制B摻雜量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)EL發(fā)射波長(zhǎng)的調(diào)控。隨著B(niǎo)摻雜量的增加，EL譜由未摻雜時(shí)的單一綠光發(fā)射轉(zhuǎn)變?yōu)榫G光-紅光或紅光-紅外雙光發(fā)射。此外，B的摻入明顯改善了CdS/

9、Si-NPA的光伏性能。其中，樣品B-0.01的光伏性能最好，串聯(lián)電阻僅為未摻雜樣品的~3％，短路電流密度是未摻雜樣品的~20倍，轉(zhuǎn)換效率是未摻雜樣品的~300倍。這一結(jié)果表明，B摻雜是提高CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)光電性能的一種有效途徑，最佳摻雜量([B]/[Cd])為0.01。
　　3、Al元素?fù)诫sCdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底、氯化鋁為摻雜源，同樣采用CBD法制備了Al摻雜CdS

10、/Si-NPA。研究發(fā)現(xiàn)Al元素?fù)饺牒鬀](méi)有破壞CdS/Si-NPA的整體形貌，規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)依舊保持，但是對(duì)樣品的均勻性和致密性有顯著影響。其中樣品Al-0.07中薄膜的均勻性和致密性最好。室溫下，Al摻雜CdS/Si-NPA的PL譜均由位于~440nm的藍(lán)光、~550nm的綠光和~800nm的紅外光三個(gè)發(fā)射峰組成，沒(méi)有紅光發(fā)射峰，且紅外發(fā)射峰強(qiáng)度很低。藍(lán)光來(lái)自于襯底，綠光和紅光來(lái)自于CdS。紅光峰的缺失和極低的紅外峰強(qiáng)表明CdS薄膜擁

11、有低的缺陷態(tài)密度。隨著Al摻雜量的增加，CdS薄膜電阻率非單調(diào)減小。樣品Al-0.07的電阻率最小為2.31×102Ω·cm。Al的摻入明顯改善了CdS/Si-NPA的整流特性。CdS/Si-NPA的開(kāi)啟電壓從~2.9V降為~2.1 V，反向擊穿電壓都高于5 V。通過(guò)控制Al摻雜量可實(shí)現(xiàn)CdS/Si-NPA樣品的EL譜從單一綠光到綠光-紅光雙光發(fā)射。Al摻入后有效地減小了CdS/Si-NPA太陽(yáng)能電池的串聯(lián)電阻，增加了器件的短路電流，從

12、而提高了器件的轉(zhuǎn)換效率。其中，樣品Al-0.07的光伏性能最好，串聯(lián)電阻僅為未摻雜樣品的0.3%，短路電流密度是未摻雜樣品的~30倍，轉(zhuǎn)換效率是未摻雜樣品的~150倍。這一結(jié)果表明，Al摻雜是提高CdS/Si-NPA異質(zhì)結(jié)光電性能的一種有效途徑，最佳摻雜量([Al]/[Cd])為0.07。
　　4、In元素?fù)诫sCdS/Si-NPA的制備、表征及其光電性能
　　以Si-NPA為襯底、氯化銦為摻雜源，采用連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)法(

13、SILAR)制備了In摻雜CdS/Si-NPA。研究發(fā)現(xiàn)In元素?fù)饺牒鬀](méi)有破壞CdS/Si-NPA的整體形貌，規(guī)則的陣列結(jié)構(gòu)依舊保持。隨著摻雜濃度的增加，CdS薄膜的粗糙度不斷降低，均勻性和致密性不斷提高。In摻雜CdS/Si-NPA的室溫PL譜只有位于~436 nm的藍(lán)光和~520 nm的綠光發(fā)射峰，沒(méi)有任何缺陷發(fā)射峰，表明In摻雜CdS薄膜具有接近的化學(xué)計(jì)量比和較低的缺陷態(tài)密度。隨著In摻雜量的增加， CdS薄膜電阻率從9.97×1

14、03Ω·cm減小到6.53×102Ω·cm。In摻入后明顯改善了CdS/Si-NPA的整流和光伏特性。CdS/Si-NPA的反向擊穿電壓從~3.0 V增加到6.5 V。CdS/Si-NPA太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率提高了2個(gè)數(shù)量級(jí)。此外， In摻雜CdS/Si-NPA的EL譜為300-700 nm的寬譜發(fā)射，經(jīng)色坐標(biāo)計(jì)算為白光發(fā)射，并且通過(guò)控制摻雜濃度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其色坐標(biāo)和色溫的有效調(diào)控。In摻入后使得CdS/Si-NPA有望成為制備硅基白光L