稀土Dy摻雜ZnTe薄膜光學性能及其XPS研究
本文采用真空蒸發法,在玻璃襯底上制備了稀土元素Dy 摻雜的ZnTe 薄膜。利用X 射線衍射儀、原子力顯微鏡、紫外- 可見分光光度計、XPS 對薄膜的物相結構、表面形貌、光學特性、元素成分等進行了測試。XRD 測試結果表明,薄膜的結構均為立方晶系閃鋅礦結構,擇優取向為(111)晶面,Dy 摻雜會使(111)峰強減弱;透射光譜表明Dy 摻雜會使薄膜的光學帶隙減小;XPS 分析表明,薄膜的主要成分為ZnTe,摻雜后Zn 和Te 的特征峰均向高能端發生移動。
全球的能源危機和環境污染問題越來越嚴重,高效且無污染的太陽能越來越受到人們的重視。CdTe 是直接帶隙半導體,禁帶寬度約為1.45 eV,有著太陽能電池需要的最優能隙,因此CdTe 太陽能電池獲得了迅速的發展。但是,CdTe 存在自補償效應,難以實現重摻雜,所以獲得穩定的歐姆接觸是CdTe 太陽電池制備的關鍵技術之一。研究發現在P-CdTe 和金屬背電極間沉積一層背接觸層,由背接觸層與金屬之間的量子隧道輸運機制實現低電阻接觸,使CdTe 費米能級與金屬背電極匹配,可以獲得良好的歐姆接觸。真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)經過調研認為理論與實踐都表明,ZnTe 與CdTe 價帶偏移小于0.1 eV,這么小的價帶偏移可使ZnTe 與CdTe 的接觸電阻很小或零勢壘, 載流子很容易穿過。
ZnTe 可以實現重摻雜,非常適合做CdTe 太陽電池背接觸層,成為一種很有潛力的過渡層材料。自從Meyers 提出用重摻雜P-ZnTe 作為CdTe 吸收層和金屬背電極間的過渡層以來,很多研究者用不同的制備方法制備了ZnTe 薄膜并進行了研究,Peter Meyers 首先在CdTe 吸收層和金屬背電極間使用重摻雜的ZnTe 作為過渡層,并且利用熱蒸發ZnTe:Cu 創造了當時轉換效率11.2%的薄膜電池的最高紀錄,T.A.G 等人用濺射法制備ZnTe:Cu 薄膜,Born 等人研究了用濺射法制備Cu 和N 摻雜的ZnTe 薄膜,使之成為p型半導體,A. Ichiba 等人研究用分子束外延的方法制備Al 和N 摻雜ZnTe 薄膜,X. J. Hou 研究用MBE的方法對ZnTe 進行Cr 的摻雜,邵軍用Ti 對ZnTe進行摻雜研究發光,四川大學馮良桓等人研究了共蒸發制備的摻Cu 的ZnTe 多晶薄膜,并且發現隨著溫度的升高,薄膜呈反常電導率溫度關系,進一步發展了CdTe 太陽電池的背接觸技術。有研究表明,稀土摻雜可改變ZnTe 薄膜的晶格常數、能帶結構、電子態密度及光電特性等。本文利用真空蒸發雙源法制備了稀土元素Dy 摻雜ZnTe 薄膜,發現摻雜并沒有改變薄膜的物相結構,但對薄膜的結晶、形貌及光學性質產生了明顯影響,為CdTe 太陽電池背接觸層的進一步發展提供了實驗依據。
1、實驗
1.1、薄膜的制備
將純的ZnTe 粉末放入第一蒸發源,純的稀土Dy 放入第二蒸發源,再將清洗干凈烘干的玻璃襯底放入蒸發室。玻璃襯底溫度為室溫,待蒸發室抽真空度達到5.0×10-4 Pa 以上時,調節襯底的轉速為180 r/min,然后控制第一蒸發源的蒸發電流為45 A,通過改變第二蒸發源的蒸發電流制備不同摻雜濃度的Dy-ZnTe 薄膜,第二蒸發源的蒸發電流分別控制為50 A、60 A、70 A。
將制備好的薄膜置于自動控溫擴散爐中,并在N2 氣氛中進行熱處理,熱處理溫度為500 ℃,處理時間為10 min。
1.2、薄膜的性能測試
利用荷蘭Philip 公司生產的PW-1830/40 型X 射線衍射儀對薄膜樣品的物相和結構進行測試,輻射源為CuKα 線,波長為0.15418 nm;利用安捷倫科技有限公司生產的Agilent Technogies 5500型原子力顯微鏡對薄膜的表面形貌進行了測試;利用美國PerkinElmer 公司生產的Lambda-750s紫外- 可見分光光度計對樣品的光學性能進行測試; 利用英國ULVAC-PHI.INC 生產的KratosAmicus 型X 射線光電子能譜儀對薄膜的化學成分進行研究,分析室真空度為2×10-7 Pa,通過樣品的全譜圖、各元素的特征峰進行精細掃描,分析元素成分的變化。
2、結果與討論
2.1、薄膜物相結構分析
圖1 為不同摻雜濃度的ZnTe 薄膜XRD 圖譜,樣品的熱處理溫度均為T=500 ℃,Dy 摻雜ZnTe 與純ZnTe 的物相結構均為立方閃鋅礦結構,并未出現六方纖鋅礦結構,薄膜中也未出現其他物相,說明薄膜中的鏑可能以替位原子形式存在。所有薄膜的三強峰仍對應(111)、(220)、(311)晶面,擇優取向均為(111)晶面。但是隨著摻雜量增加,(111)、(311) 峰的峰強逐漸減弱,(220) 峰的峰強有增強的趨勢,并在衍射角為27.48°處還出現強度較弱的Te(011)的衍射峰,隨著摻雜濃度的增加,單質Te 的衍射峰增強,Dy 摻雜抑制了薄膜的結晶。
圖1 純ZnTe 和Dy 摻雜ZnTe 薄膜的XRD 圖譜
根據謝樂公式和布拉格公式:
式中,D 為晶粒尺寸,K=0.89 為常數,λ 為x 射線波長,B 為半高寬,θ 為衍射角,d 為晶面間距,n為衍射級數。分別計算了樣品晶粒尺寸、晶格常數和晶胞體積,如表1 所示。由表中數據可知摻雜樣品的晶粒尺寸、晶格常數、晶胞體積比純ZnTe 樣品的尺寸要小。但隨著摻雜量的增大,樣品的晶粒尺寸等逐漸增大。可能由于摻雜Dy3+ 的離子半徑大于Zn2+ 的離子半徑。Dy3+ 以替位的形式取代Zn2+。由于Zn 離子與Dy 離子大小不同,摻雜使晶格發生畸變,引起ZnTe 薄膜中額外殘余應力的產生,使晶格常數變大。
表1 Dy-ZnTe 薄膜的晶粒尺寸、晶格常數和晶胞體積
3、結論
(1)XRD 測試結果表明所有薄膜的三強峰仍對應(111)、(220)、(311)晶面,擇優取向均為(111)晶面;隨著摻雜量增加(111)、(311)峰的峰強逐漸減弱,(220)峰的峰強有增強的趨勢,Dy摻雜抑制了薄膜的結晶。
(2)XRD 和原子力顯微鏡表面形貌測試都表明,摻雜后薄膜的晶粒尺寸減小。
(3) 光透射圖譜表明純ZnTe 薄膜的光學帶隙最大,隨著摻雜濃度的增加光學帶隙逐漸減小。
(4)XPS 圖譜分析表明薄膜的主要成分為ZnTe,摻雜后Zn 和Te 的特征峰都向高能端發生移動。