AlSb多晶薄膜的制备及性质
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第16卷第1期功能材料与器件学报Vol116,No11 2010年2月JOURNAL OF F UNCTI O NAL MATER I A LS AND DE V I CES Feb.,2010文章编号:1007-4252(2010)01-0011-06AlSb多晶薄膜的制备及性质贺剑雄1,武莉莉1,夏庚培1,2,郑家贵1,冯良桓1,雷智1,李卫1,张静全1,黎兵1(1.四川大学材料科学与工程学院,成都610064;2.国家光伏产品质量监督检验中心,成都610200)摘要:用磁控溅射法制备了A l/Sb多层薄膜,通过X射线衍射(XRD)、X射线荧光(XRF)、Hall效应、暗电导率温度关系及透过谱的测试研究了退火前后薄膜的结构和性质。
XRD测试结果表明,刚沉积的薄膜只有Sb的结晶相,而A l则以非晶态形式存在,500℃退火后化合为A lSb多晶,且沿(111)择优取向。
Hall效应测试、电导激活能及光能隙的计算结果表明,所制备的A lSb多晶薄膜为P型材料,且载流子浓度为1019c m-3,光能隙为1.64e V,电导率随温度的变化可分为两个过程,在30℃到110℃,薄膜的电导率随温度的增加而缓慢增加,而在110℃到260℃间增加明显,升温电导激活能为0.11e V和0.01e V,这与A lSb多晶薄膜在升温过程中的结构变化有关。
将制备的A lSb 多晶薄膜应用于TCO/CdS/A lSb/ZnTe:Cu/Au结构的太阳电池器件中,已观察到明显的光伏效应,说明用这种方法制备的A lSb多晶薄膜适于作太阳电池的吸收层。
关键词:A lSb;薄膜;磁控溅射法;退火中图分类号:T M914.4+2 文献标识码:APrepara ti on and properti es of A lSb polycryst a lli n e f il m sHE J ian2xi ong1,WU L i2li1,X I A Geng2pei1,2,ZHENG J ia2gui1,FENG L iang2huan1,LE I Zhi1,L IW ei1,Z HANG J ing2quan1,L IB ing1(1.College of Materials Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu610064,China;2.Nati onal Phot ovoltaic Pr oducts Quality Supervisi on and I ns pecti on Center,Chengdu610064,China)Abstract:The A l/Sb multi-layer thin fil m s were p repared by magnetr on s puttering method.The struc2 tural,op tical and electrical p r operties of the fil m s before and after annealing have been studied with X-ray diffracti on(XRD),X-ray fluorescence(XRF),Hall effect,the te mperature dependence of the fil m dark conductivity and UV-V is trans m issi on s pectra.The XRD results showed that only the Sb poly2 crystalline peaks were observed in as-deposited fil m s while A l existed in a mor phous state.After annea2 ling at500℃,the fil m s showed A lSb peaks with(111)p referred orientati on,which suggested that A l and Sb at om s have combined t o f or m A lSb by interdiffusi on.The measure ment results of Hall effect indi2 cated that the p repared A lSb fil m s were p-type se m iconduct ors with the carrier concentrati on of1019收稿日期:2008-11-03; 修订日期:2009-04-22基金项目:国家高技术研究与发展计划(2006AA05Z418).作者简介:贺剑雄(1983-),男,山西人,在读博士,从事新能源材料与器件研究(E-mail:xiaoxi ong174@).联系作者:武莉莉(1977-),女,博士,讲师,从事薄膜材料与器件研究(E-mail:wulily77@).c m-3.The energy band-gap of the A lSb fil m s obtained fr om UV-V is data were about1.64e V.The te mperature dependence of the fil m conductivity showed t w o stages.I n the heating p r ocess fr om30℃t o 110℃,the conductivity of the fil m increased sl owly with the te mperature.I n the stage fr om110℃t o 260℃,the fil m conductivity increased more quickly with the te mperature.The calculated conductivity activati on energy was0.01e V and0.11e V,res pectively.This result had cl ose relati onshi p with the struc2 tural changes of the multi-layer A l/Sb fil m s in the heating p r ocess.The obvi ous phot ovoltaic effect has been observed in T CO/CdS/A lSb/ZnTe:Cu/Au devices,which de monstrated the potential of A lSb as the abs orber layer in s olar cells.Key words:A lSb;fil m;magnetr on s puttering;anneal0 引言薄膜太阳电池已经逐渐成为太阳电池领域的重点研究对象,现有的薄膜太阳电池材料因其原材料的供应、成本和毒性等问题,不能满足未来廉价的、大规模使用的需求,寻求新型光电转换材料的工作越来越重要[1]。
A lSb是具有闪锌矿结构的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。
在室温下,A lSb的间接带隙为1. 62e V,与可见光有很好的光谱匹配,非常适合作为太阳电池中的光吸收层,理论转换效率高达28%[2-11]。
另外,A l和Sb在地球上的资源丰富,在生产和使用过程中无毒。
因此,A lSb用作太阳电池有良好的应用前景。
A lSb薄膜的制备较为困难,并且非常容易潮解[12,13]。
许多工作者采用不同方法制备了A lSb薄膜,并研究了它们的性质。
例如,K. Lal等人用体A lSb化合物作为源材料,采用热蒸发方法制备了A lSb薄膜[14]。
Ta m inder Singh等人研究了热壁外延法(H W E)在单晶KCl衬底上制备A lSb薄膜的性质[15]。
KCl.J.E.Johns on报道了采用共蒸发法在玻璃衬底上制备A lSb薄膜[16]。
L. Baufay等人研究了激光辐照自发外延生长A lSb薄膜的可行性[17]。
然而,这些研究尚处于初始阶段,有关A lSb多晶薄膜的结构和性能报导甚少,更未见将A lSb多晶薄膜用于太阳电池的报道。
我们采用磁控溅射法制备了A l/Sb多层薄膜,并在真空环境下进行高温退火来获得A lSb多晶薄膜。
通过XRD测试研究了退火处理对薄膜结构的影响,讨论了退火后A lSb薄膜的电学和光学性质。
1 实验1.1 样品的制备我们采用磁控溅射法在石英玻璃上制备了A l/Sb多层薄膜。
使用纯度都为99.999%的A l和Sb 作为靶材,靶位置在圆柱形真空室壁的同一水平面上。
样品架处于真空室的中间位置,与两个靶的距离相等,并且在额定工作电压下可以绕靶匀速旋转。
样品制备时的本底真空为4×10-3Pa,溅射时用高纯氩气作工作气体,气压为0.35Pa,A l靶和Sb靶的溅射电压都为350V,样品架的工作电压为30V。
A l 和Sb亚层的厚度分别约为6～12nm和16～32n m,通过调节A l和Sb亚层的厚度可以得到不同原子配比的A l/Sb多层薄膜。
在我们的工作中,A l/Sb多层薄膜的制备采用"衬底/A l/Sb/A l/Sb/…/Sb/A l"结构,如图1所示。
将制备好的样品在真空环境下进行高温退火处理,使A l和Sb原子加速扩散,从而化合形成A lSb。
1.2 样品的测试X射线衍射测试(XRD)在中国辽宁丹东方圆仪器有限公司生产的DX-1000X射线衍射仪上进行,使用CuKα(λ=0.154184nm)辐射测试,扫描范Fig.1 Structural pattern of A l/Sb multi-layer fil m s p repared by magnetr on s puttering.图1 磁控溅射法制备的A l/Sb多层薄膜的结构图21 功能材料与器件学报 16卷围2θ为10°～55°,扫描速度0.03°/s 。
薄膜的厚度由台阶仪(Ambi os XP -2)测量。
薄膜组分由X 射线荧光(XRF,R igaku ZSX Pri m us Ⅱ)测量。
Hall 效应由美国生产的Keithley Hall Analyzer 测量。
薄膜的电导率-温度关系由自制的两探针法测量,测量的温度范围是297K -497K 。
样品的透过谱由德国生产的SPEC ORD 200PC 紫外-可见分光光度计测量。
