光伏技术与工艺论文.docx

景德镇陶瓷学院光伏技术与工艺论文姓名： 学号：指导老师：半导体材料是支撑现代信息社会的基石,也是新型能源开发和利用的重要基础ZnO 作为一种新型半导材料,因具有宽带隙!高激子束缚能,而被广泛应用于太阳能电池!表面声波器件!液晶显示!气敏传感器!压敏器件等但是,目前性能优异!稳定重复性好的 p 型 ZnO 仍未真正实现其主要原因是:一!ZnO 掺杂非对称性使 p 型难以实现;二!ZnO 的晶格不匹配基础上的掺杂因此,本文致力于从理论上系统地计算和设计 p 型 ZnO本文采用基于密度泛函(DFT)的第一性原理计算方法,着重研究了掺杂对 ZnO 体材料及表面缺陷对 ZnO 导电性影响的机制 1!研究了单掺杂对 ZnO 对其电学性质的影响1)对纯净 ZnO 的电子结构分析得出:上价带主要由 Zn-d 态贡献,下价带主要由 O-s 态贡献而导带部分主要由 Zn-s 提供2)对 N 单掺杂 ZnO 的电子结构研究发现:费米能级进入价带,在价带顶存在一定的峰值,体系呈现 p 型特征,但由于空穴的相互作用使得载流子局域性很强,从而降低氮的固溶度,在费米能级附近形成深受主能级,限制了载流子浓度,不利于 p 型 ZnO 的形成3)对 Zn1-xMxO(M=Sn,Y)的电子结构研究发现,掺杂体系均呈现 n 型特征但是 Sn 掺杂 ZnO 体系发生红移现象,Y 掺杂 ZnO 体系发生蓝移现象,而且,在高掺杂条件下,浓度越低,体系的导电率越高 2!研究了共掺杂对 p 型 ZnO 的电学性质的影响1)对于(nN,Mg)共掺杂 ZnO,计算了体系的缺陷形成能!离化能!结合能和导电因子以及电子结构研究发现,4N-Mg 共掺杂 ZnO,可以得到低离化能和高电导率的 p 型 ZnO2)对于(N,Ag)共掺杂 ZnO,结果表明:随着 N 浓度增加,p 型导电性增强,当 N 与 Ag 的浓度达到 3:1 时,导电性最强3)对于(nN,B)共掺杂模型,研究发现,当 N 与 B 浓度比为 1:1 时,表现为本征态但是在该浓度比下,存在一个 Zn 空位时,体系逐渐由本征态转变为弱 p 型当逐渐增加 N 的浓度时,体系逐渐表现为强 p 型4)对于 F-Li 共掺杂 ZnO,研究结果发现:Li 浓度增加时,可以提高 p 型导电率 3!研究了 ZnO(101? 0)表面缺陷对其电学性质的影响1)计算了纯净ZnO(101? 0)表面的表面能!电子结构和功函数结果表明,ZnO(101? 0)表面的表面能最小,是解理面从分波态密度图中发现,在表面形成成键的表面态2)计算了含有空位缺陷的 ZnO(101?0)表面的形成能!表面能和电子结构结果发现,表面 Zn 空位和 O 空位对对晶格畸变影响都较大,空位更易在表面形成含 Zn空位时,表现为弱 p 型含 O 空位时,具有 n 型的特征3)采用 Nudged Elastic Band(NEB)方法研究了 ZnO(101? 0)面中的本征缺陷扩散的问题研究结果发现: Zn 间隙的直接扩散至次近邻的间隙位所需要克服的势垒最小,表明直接扩散是 Zn 间隙的直接扩散是其最有可能的扩散机制Zn 空位的直接扩散势垒比较高,表明 Zn 空位在 ZnO(101? 0)表面较易稳定存在;O 间隙的直接扩散的势垒较高,这说明氧原子在表面的不易扩散,比较稳定;O 空位由第一层扩散到第二层的直接扩散势垒很高,这表明 ZnO(101?0)表面的氧空位比较稳定,这是 ZnO 制备易呈现 n 型的一个主要原因 2难以实现二是和 ZnO 在晶格匹配基础上的掺杂目前,性能优异!稳定可靠重复性好的 p 型 ZnO 的生长!高质量 ZnO 基多量子阱和超晶格结构的制备是制造高效电致发光 ZnO 基光电器件的关键 1.2 ZnO 的结构和基本性质 大多数二元-族化合物半导体的原子通过 sp3轨道杂化后,每个原子形成四个共价键,他们通常具有立方闪锌矿或六方纤锌矿型晶体结构这两种晶体结构的原子排列方式都是 1 个阳离子被 4 个阴离子包围,而 1 个阴离子同时又被 4 个阳离子包围由于阴阳离子之间存在电负性差异,sp3轨道杂化形成的化学键具有一定的离子型ZnO 作为一种-族氧化物半导体材料,有三种晶体结构如图 1.1 所示,分别为:(a)纤锌矿结构 Wurtzite(B4),(b)闪锌矿结构 Zinc blende(B3)和(c)岩盐矿结构 Rocksalt(B1) 图 1.1 ZnO 的三种晶体结构:(a)岩盐矿结构,(b)闪锌矿结构,(c)纤锌矿结构其中黑色原子为 O 原子,白色的为 Zn 原子 在室温下,纤锌矿结构是最为稳定的相,其纤锌矿呈现六方密堆积,适合高质量的定向外延薄膜生长该结构是其中 Zn 位于四个 O 原子所构成的四面体中,而 O 又位于四个 Zn 所形成的四面体中由于 Zn 和 O 之间的电负性的不同,导致这种嵌套结构形成的化学键具有一定的离子性所以,ZnO 中的 Zn 和 O 的结合处于共价键与离子键之间因此,ZnO 在 c 轴方向上具有较强的极性纤锌1空穴对复合发光相比,激子发光效率更高,所需要的激射值也很低,因此,ZnO在短波长发光器件中得到应用,可以作为白光的起始材料通过 Mg 掺杂 ZnO 的带隙宽度可以扩展到紫外区域,并且 ZnO 具有较高的光增益和能量转换率以及高的光响应,在紫外光电探测器领域具有巨大的应用前景 施主掺杂 ZnO 可以使得在可见光区域具有高的透射率和低的电阻率,而且在氢等离子气氛处理中有较高的热稳定性和化学稳定性,n 型 ZnO 是一种良好的透明电极材料和宽禁带窗口材料,可以应用于太阳能电池和平板显示 ZnO 在 4002000nm 甚至更长的波长范围内都是透明的,再加上具有光电!压电等效应,使其成为集成光电器件中一种极具潜力的材料 3矿 ZnO 的基本物理性质如表 1.1 所示本文主要是对纤锌矿型晶体结构的 ZnO进行探讨 表 1.1 纤锌矿结构 ZnO 的基本物理参数 物理性质 数值 a 0.325nm c 0.521nm a/c 1.602(理想的六方结构为 1.633) L 0.345 密度 5.606g/cm3 300K 时的稳定相 纤锌矿结构 熔点 1975e 热熔 0.494J/gK 内聚能 1.89eV 热导率 0.595,1.2 W/cmK 膨胀系数 a 6.510-6 膨胀系数 c 3.010-6 静压电常数 8.656 折射系数 2.01 2.03 带隙 3.4eV 本征载流子浓度 106/cm3 激子束缚能 60meV 电子有效质量 0.24 电子霍尔迁移率 200cm2/Vs 空穴有效质量 0.59 空穴霍尔迁移率 550cm2/Vs 1.3 ZnO 的应用 ZnO 是一种多功能的化合物材料,它的独有特性决定它在光电!压电!铁磁!气敏!光敏等领域具有广阔的和潜在的应用前景,特别是蓝/紫外光电器件的应用更为突出 1.3.1 光电方面的应用 从理论的角度上看,ZnO 在室温或更高温度下激子能够受激发射和电子-4空穴对复合发光相比,激子发光效率更高,所需要的激射值也很低,因此,ZnO在短波长发光器件中得到应用,可以作为白光的起始材料通过 Mg 掺杂 ZnO 的带隙宽度可以扩展到紫外区域,并且 ZnO 具有较高的光增益和能量转换率以及高的光响应,在紫外光电探测器领域具有巨大的应用前景 施主掺杂 ZnO 可