半导体氧化铁薄膜的制备、表征及光伏特性研究

【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Fe_2O_3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1.47eV~1.52eV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Fe_2O_3薄膜的最低电导率约为13.28Ωcm,Fe_2O_3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/cm~2。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。