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氢气引入对宽光谱Mg和Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜的特性影响

田淙升 陈新亮 刘杰铭 张德坤 魏长春 赵颖 张晓丹

氢气引入对宽光谱Mg和Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜的特性影响

田淙升, 陈新亮, 刘杰铭, 张德坤, 魏长春, 赵颖, 张晓丹
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  • 为适应宽光谱高效率硅基薄膜太阳电池的应用需求,本文尝试采用直流磁控溅射技术在553 K衬底温度下生长氢化Mg和Ga共掺杂ZnO(HMGZO)透明导电氧化物(TCO)薄膜. 通过对薄膜微观结构、表面形貌、电学以及光学性能的测试和分析,详细地研究了氢气(H2)流量(0–16.0 sccm)对HMGZO薄膜结晶特性及光电性能的影响. 实验结果表明:生长获得的HMGZO薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,择优取向为(002)晶面生长方向. 薄膜的生长速率随着氢气流量的增加呈现逐渐减小趋势,主要归因于溅射产额的减小. 适当的氢气引入会引起晶粒尺寸的增加. 随着氢气流量由0增加至4.0 sccm,ZnO 薄膜电阻率从177 Ω·cm急剧减小至7.2×10-3 Ω·cm,主要是由于H施主的引入显著地增加了载流子浓度;然而进一步增加氢气流量(4.0–16.0 sccm)造成电阻率的轻微增加,主要归因于载流子浓度的减小以及过多氢杂质引入造成杂质散射的增加. 所有生长获得的HMGZO薄膜平均光学透过率在波长λ~320–1100 nm范围内可达87%以上. 由于Mg的作用及Burstein-Moss效应的影响造成了带隙展宽,带隙变化范围~3.49–3.70 eV,其中最大光学带隙Eg可达~3.70 eV.
    • 基金项目: 国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00705,2011CBA00706,2011CBA00707)、天津市应用基础及前沿技术研究计划(批准号:13JCZDJC26900)、天津市重大科技支撑计划项目(批准号:11TXSYGX22100)、国家高技术研究发展计划(批准号:2013AA050302)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:65010341)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-07-13
  • 修回日期:  2013-10-22
  • 刊出日期:  2014-02-05

氢气引入对宽光谱Mg和Ga共掺杂ZnO透明导电薄膜的特性影响

  • 1. 南开大学光电子薄膜器件与技术研究所; 南开大学光电子薄膜器件与技术天津市重点实验室; 南开大学光电信息技术科学教育部重点实验室, 天津300071
    基金项目: 

    国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00705,2011CBA00706,2011CBA00707)、天津市应用基础及前沿技术研究计划(批准号:13JCZDJC26900)、天津市重大科技支撑计划项目(批准号:11TXSYGX22100)、国家高技术研究发展计划(批准号:2013AA050302)和中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:65010341)资助的课题.

摘要: 为适应宽光谱高效率硅基薄膜太阳电池的应用需求,本文尝试采用直流磁控溅射技术在553 K衬底温度下生长氢化Mg和Ga共掺杂ZnO(HMGZO)透明导电氧化物(TCO)薄膜. 通过对薄膜微观结构、表面形貌、电学以及光学性能的测试和分析,详细地研究了氢气(H2)流量(0–16.0 sccm)对HMGZO薄膜结晶特性及光电性能的影响. 实验结果表明:生长获得的HMGZO薄膜均为六角纤锌矿结构的多晶薄膜,择优取向为(002)晶面生长方向. 薄膜的生长速率随着氢气流量的增加呈现逐渐减小趋势,主要归因于溅射产额的减小. 适当的氢气引入会引起晶粒尺寸的增加. 随着氢气流量由0增加至4.0 sccm,ZnO 薄膜电阻率从177 Ω·cm急剧减小至7.2×10-3 Ω·cm,主要是由于H施主的引入显著地增加了载流子浓度;然而进一步增加氢气流量(4.0–16.0 sccm)造成电阻率的轻微增加,主要归因于载流子浓度的减小以及过多氢杂质引入造成杂质散射的增加. 所有生长获得的HMGZO薄膜平均光学透过率在波长λ~320–1100 nm范围内可达87%以上. 由于Mg的作用及Burstein-Moss效应的影响造成了带隙展宽,带隙变化范围~3.49–3.70 eV,其中最大光学带隙Eg可达~3.70 eV.

English Abstract

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