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半导体氧化铁薄膜的制备、表征及光伏特性研究

作　者: 孙新利
导　师: 季振国；杨永德
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 氧化铁 太阳能电池 激光脉冲沉积 薄膜
分类号: O484.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


氧化铁薄膜是一种具有较大应用前景的多功能金属氧化物材料,具有性能稳定、无污染而且资源丰富等优点。氧化铁可以用于光催化电解水来制备氢,可以作为有机电解溶液电池中的电极,可以作为气敏传感器,还可应用在磁记录器件等领域。由于氧化铁薄膜的禁带宽度与太阳光谱的峰值波长接近（约2.0eV）,因此氧化铁还有可能在光伏转换以及太阳能电池中得到应用。但是,目前国内外对于氧化铁薄膜已经在光电领域的应用目前研究不多,因此,对氧化铁薄膜的制备工艺研究及其光学性能,电学性能的研究对于探索新型太阳能电池材料有重要意义。本文系统地概述了目前太阳能电池的发展前景及对太阳能电池材料的要求,总结了氧化铁薄膜的制备方法及其优缺点,并利用激光脉冲沉积法（PLD法）和金属铁靶沉积了氧化铁薄膜,研究了薄膜的成份、晶体结构、光学性能、电学性能和表面形貌等,并在此基础上制备出了基于氧化铁的太阳能电池结构。具体如下:（1）采用激光脉冲沉积法（PLD法）和金属铁靶材在普通玻璃衬底上制备了氧化铁薄膜,并利用X射线衍射仪和X光电子能谱仪分析了其化学组成,确定为三氧化二铁薄膜。（2）研究了衬底温度、氧气流量、沉积时间、衬底材料对薄膜结晶性能的影响,发现衬底温度是影响薄膜结晶质量的最主要原因。（3）研究了衬底温度、氧气流量、沉积时间、衬底材料对薄膜光学性能的影响。得到Fe2O3薄膜直接禁带宽度大约在1.73eV 2.0eV之间,间接禁带宽度大约在1.47eV1.52eV之间。（4）研究了衬底温度、氧气流量、沉积时间、衬底材料对薄膜电学性能的影响。得到最佳未掺杂Fe2O3薄膜的最低电导率约为13.28Ωcm,Fe2O3薄膜击穿电压为6.6V。（5）研究了衬底温度、衬底材料对薄膜表面形貌与结构的影响,得出衬底温度低时生长的薄膜晶粒较小,但表面较为平整;衬底温度高时薄膜晶粒较大,但表面粗糙,起伏较大。同时衬底材料平整度对薄膜有一定影响,在单晶硅衬底上沉积的薄膜表面最平整,石英次之,玻璃衬底沉积的薄膜表面最不平整。（6）制作了P-Si /N-氧化铁结构的光伏电池,并测试了其光伏性能。这种光伏电池的最大开路电压为105mV,最大短路电流密度为54.5 mA/cm2。虽然与目前硅太阳能电池相比存在很大的差距,但是由于我们的制作工艺与设备十分简陋,能够获得上述结果已经证明氧化铁在光伏领域是有潜在的应用前景。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章 绪论  12-30
  1.1 太阳能和光电转化  12-20
    1.1.1 研究背景  12-13
    1.1.2 太阳能电池的发展史  13-14
    1.1.3 太阳能电池的工作原理  14-16
    1.1.4 太阳能电池的技术指标  16-17
    1.1.5 太阳能光伏材料  17-19
    1.1.6 太阳能电池的发展方向  19-20
  1.2 铁的氧化物的性质  20-22
    1.2.1 铁的氧化物的种类  20
    1.2.2 铁的氧化物的性质  20-22
  1.3 氧化铁材料的应用  22-23
  1.4 氧化铁材料的研究现状  23-24
    1.4.1 氧化铁材料的气敏研究现状  23
    1.4.2 氧化铁的磁性能研究现状  23-24
    1.4.3 氧化铁材料的光催化性能研究现状  24
    1.4.4 氧化铁材料的光伏性能研究现状  24
  1.5 氧化铁薄膜的制备方法  24-28
    1.5.1 化学气相沉积法  24-25
    1.5.2 溶胶-凝胶法  25
    1.5.3 喷雾热解法  25-26
    1.5.4 磁控溅射法  26
    1.5.5 热蒸发法  26-27
    1.5.6 激光脉冲沉积法  27-28
  1.6 本论文的研究内容和意义  28-29
  1.7 本章小结  29-30
第2章 氧化铁薄膜的制备  30-38
  2.1 激光脉冲沉积的制膜机理  30-31
  2.2 激光脉冲沉积设备介绍  31-32
  2.3 薄膜制备准备  32-33
    2.3.1 靶材  32
    2.3.2 衬底的选择与清洗  32-33
  2.4 实验方案  33-34
  2.5 氧化铁薄膜的性能测试  34-37
    2.5.1 射线衍射(XRD)测试  34
    2.5.2 薄膜的光学性质测试  34
    2.5.3 薄膜的电学性能测试  34-35
    2.5.4 X 射线电子能谱测试（XPS）  35-36
    2.5.5 原子力显微镜测试（AFM）  36
    2.5.6 I-V 特性曲线测试  36-37
  2.6 本章小结  37-38
第3章 薄膜的晶体结构和成份分析  38-51
  3.1 氧化铁薄膜的成份分析  38-39
  3.2 衬底温度变化对薄膜结晶性能的影响  39-43
  3.3 氧气流量变化对薄膜晶体结构的影响  43-46
  3.4 沉积时间变化对薄膜晶体结构的影响  46-48
  3.5 衬底材料变化对薄膜晶体结构的影响  48-50
  3.6 本章小结  50-51
第4章 氧化铁薄膜的光学性能分析  51-59
  4.1 衬底温度变化对薄膜光学性能的影响  51-53
  4.2 氧气流量变化对薄膜光学性能的影响  53-54
  4.3 沉积时间变化对薄膜光学性能的影响  54-55
  4.4 衬底材料变化对薄膜光学性能的影响  55-58
  4.5 本章小结  58-59
第5章 氧化铁薄膜的电学性能分析  59-65
  5.1 衬底温度变化对薄膜电学性能的影响  59-60
  5.2 氧气流量变化对薄膜电学性质的影响  60-61
  5.3 沉积时间变化对薄膜电学性质的影响  61-63
  5.4 衬底材料变化对薄膜电学性质的影响  63
  5.5 薄膜的击穿特性  63-64
  5.6 本章小结  64-65
第6章 氧化铁薄膜的表面形貌分析  65-68
  6.1 结晶质量不同对薄膜表面形貌影响  65-66
  6.2 衬底材料不同对薄膜表面形貌影响  66-67
  6.3 本章小结  67-68
第7章 氧化铁薄膜太阳能电池的制备及其光伏性能测试  68-76
  7.1 重掺P-硅/N-氧化铁薄膜太阳能电池的制备  68-71
    7.1.1 硅片清洗  68-70
    7.1.2 PN 结制备  70-71
    7.1.3 电极制备  71
  7.2 光伏性能测试及分析  71-73
    7.2.1 光伏性能测试原理  71-72
    7.2.2 重掺P-硅/N-氧化铁薄膜太阳能电池的测试及分析  72-73
  7.3 本章小结  73-74
  7.4 全文总结  74-75
  7.5 有待深入研究的问题  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-83
附录  83

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 固体物理学 > 薄膜物理学 > 薄膜的生长、结构和外延
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