Sm、Tm掺杂ZnO的光电特性及其在太阳能电池中的应用研究

Sm、Tm掺杂ZnO的光电特性及其在太阳能电池中的应用研究

ZnO属于典型的II-VI族直接宽带隙氧化物,在常温条件下的带隙宽为3.37eV,激子束缚能可以达到60meV,性质非常稳定而且具有优异的光学、电学与磁学性能。ZnO在太阳能电池、光电子器件、半导体激光器、新型电子显示器以及光催化剂等诸多领域有巨大的应用潜力,在短波长半导体领域是GaN后又一个关注热点。

通常情况下,纯ZnO由于其本征缺陷的存在呈现n型导电性,但其高温下的光电特性很不稳定。在ZnO晶体中引入杂质原子进行掺杂,可以引入新的杂质能级,从而引发材料光电性质发生稳定转变。

对不同掺杂原子的不断试验有利于发现更优良透光性和导电性的ZnO材料,因此,掺杂ZnO已成为研究半导体材料领域的热点,而稀土系列元素由于特殊的原子壳层结构,以其作为掺杂源掺杂ZnO材料受到了国内外学者的广泛关注。本文运用Materials Studio软件中的CASTEP子模块,借助第一性原理平面波超软赝势法,计算分析了稀土元素(Sm、Tm)掺杂ZnO前后的能带结构、态密度以及光学性质变化情况。

计算结果表明,掺杂后体系的能带部分变得稠密,出现新的杂质能级,费米能级从价带顶处上移进入导带部分,出现载流子简并现象,形成简并半导体,掺杂体系显示出更强的金属性,呈现良好的n型导电现象。光学性质部分静态介电常数显著增大,掺杂体系的光学吸收性能获得了显著改善并且展现出明显的上转换效应。

设计了TCO/p-p-Si/n-ZnO:Sm(Tm)异质结薄膜太阳能电池,因Sm,Tm掺杂ZnO薄膜良好的n型导电性质,非常适合用作电池PN结中的n型层,当掺杂薄膜用作

电池的TCO透明导电电极时具有如下两点显著优势:1.改进了太阳光在透明导电电极的整体透过率,使得太阳光在透过电极层时的损耗大大降低。2.可在受光面对太阳光进行光谱波段转换,让敏感波段光透过而被电池基底材料吸收,将非敏感波段光转变为敏感波段光再被基底材料吸收,从而最大程度实现对整个太阳光谱能量的充分利用。

采用磁控溅射的实验方法,在一定工艺参数下在玻璃衬底上依次溅射TCO透明电极、p型层、n型层以及Ti/Ag电极,完成了薄膜太阳能电池的分层制备,通过中科院苏州纳米技术与仿生研究所的太阳光模拟器光伏测试平台对薄膜电池的性能进行了测试表征,光电转换率达到了6.64%。

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