用于太陽電池的AlSb多晶薄膜

楊凱

摘 要：該文采用多靶共濺射方法先預沉積了Al-Sb復合薄膜，然后在N2氣氛下進行退火得到AlSb多晶薄膜。用XRD分析了AlSb多晶薄膜的結構，用XRF測定了Al和Sb的原子比。最后用AMPS-1D模擬了采用該AlSb多晶薄膜的太陽電池的光伏特性。結果表明，共濺射的方法可以獲得結晶性能良好的AlSb多晶薄膜，并且使用該薄膜的太陽電池可以具有較高的轉換效率。

關鍵詞：AlSb多晶薄膜 共濺射 太陽電池

中圖分類號：TM914.42；O484.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（c）-0152-02

隨著對太陽電池材料研究的不斷深入，尋找一種無污染、低能耗、高效率的太陽電池材料及其制造方法已經(jīng)發(fā)展成一個重要的研究方向。具有閃鋅礦結構的III-V族化合物半導體AlSb，具有1.6 eV的禁帶寬度，很好地匹配了地面的太陽光譜，使用其作為吸收材料的太陽電池的理論效率可達到27%[1]。因此，AlSb是一種很有潛力的新型光電轉換材料。

該文采用共濺射方法在浮法玻璃襯底上先預制AlSb復合薄膜，然后對預制復合薄膜進行退火，分析了襯底溫度、退火溫度與AlSb多晶薄膜的結構、組分和形貌的關系。最后模擬了采用AlSb多晶薄膜的太陽電池的器件性能。

1 實驗

1.1 Al-Sb復合薄膜的制備

制備條件為： Al靶和Sb靶均為5N純度，濺射氣壓約為1.1 Pa。Al靶的濺射偏壓為300 V，電流為0.3A，Sb靶的濺射偏壓為340 V，電流為0.7A，襯底溫度為分別30 ℃，濺射時間為20 min，在N2氣氛下、300 ℃～540 ℃之間的退火溫度下進行退火，退火時間分別為30 min、120 min。

1.2 測試

薄膜晶體結構采用X射線衍射儀測量，薄膜組分用熒光光譜分析儀測量，膜厚用探針式臺階儀測量。

2 結果與討論

2.1 共濺射速率的確定

用臺階儀對不同濺射功率制備的Al、Sb薄膜的厚度進行測量，并換算得到Al靶的濺射速率VAl=0.30 nm·min-1W·-1，Sb靶的濺射速率VSb=0.21 nm·min-1·W-1，因此，預制復合膜中Al和Sb的原子比為：

，

其中Al的密度Al=2.70g·cm-3，Al原子量為MAl=26；Sb的密度Sb=6.68 g·cm-3， Sb原子量為121。因此，共濺射的Al靶和Sb靶的等效濺射功率比PAl/PSb的最佳值應該為0.37∶1，我們采用的共濺射功率比與此接近。

2.2 組成

通過X射線熒光光譜法（XRF）測定薄膜中原子比，樣品退火前Al∶Sb=46.13%∶53.87%，退火后Al∶Sb=48.82%∶51.18%，可見，共濺射方法對薄膜中的元素比例進行有效控制，以接近化學配比。由于Sb在較高溫下蒸氣壓較大，易揮發(fā)，造成了退火后Sb的相對含量減少[2]。

2.3 結構

圖1為30 ℃的襯底溫度沉積的薄膜退火前后的XRD圖譜。未退火的樣品無明顯的衍射峰，只是在2θ=26.03°附近有一個非晶衍射峰；并沒有出現(xiàn)Al、Sb或者AlSb的衍射峰。退火后，在XRD圖譜上觀察到明顯的衍射峰，2θ=25.16°，28.70°，39.97°， 41.96°，49.13°，51.40°，這些主要衍射峰對應了立方晶系的AlSb的主相和六方晶系的Sb的次相，但是沒有觀察到單質Al的衍射峰。隨著退火溫度的逐漸提高，AlSb和Sb的衍射峰逐漸增強，峰高比更大，可見，退火有助于AlSb和Sb的結晶化。在2θ=28.70°處，AlSb（200）衍射峰逐漸和Sb（012）衍射峰分離，在2θ=41.96°處，峰位逐漸左移，從Sb（110）向AlSb（220）偏移，由此可以推斷，在退火階段，Sb和Al進一步化合成AlSb。圖1中曲線e、f具有相同的退火溫度，退火時間分別為30 min和120 min，其XRD峰位和強度并無顯著區(qū)別，說明Al和Sb已經(jīng)完全化合生成AlSb。另一方便，根據(jù)XRF測量結果，薄膜中Al，Sb原子比為45∶55，所以，Al全部轉化為AlSb，延長退火時間并不能進一步促進AlSb的形成和結晶化。

將測試的XRD圖譜與標準PDF卡片對比之后，制備的AlSb薄膜具有閃鋅礦晶體結構，通過布拉格公式

計算的晶格常數(shù)為0.615 nm，通過謝樂公式計算的AlSb平均晶粒尺寸為46.3 nm。

樣品退火之后，原非晶衍射峰的位置出現(xiàn)了AlSb（111）、（200）晶面衍射峰，并且該峰強度為退火前的1/2。我們制備的是薄膜樣品，所以非晶衍射峰可能是AlSb非晶衍射和玻璃襯底的共同信息。

2.4 形貌

預制的復合薄膜在退火前呈銀白色鏡面，經(jīng)過退火之后，表面顏色變暗，粗糙度略有增加。樣品在大氣環(huán)境下容易潮解，所以宜在真空環(huán)境下保存樣品，并用氬氣保護。

3 AlSb多晶薄膜太陽電池模擬

采用S.Fonash[3]設計的AMPS-1D仿真軟件對n-AlSb/p-AlSb同質結和p-（ZnTe：Cu）/n-AlSb異質結結構太陽電池進行了模擬，n-AlSb/p-AlSb同質結太陽電池的結果為：Jsc（26.10 mA/cm2）、Eff（19.3%）、Voc（0.92 V）、FF（80.3%），p-ZnTe：Cu/n-AlSb異質結太陽電池結果為：Jsc（25.5 mA/cm2）、Eff（18.1%）、Voc（1.01 V）、FF（69.9%）。

4 結語

用共濺射方法沉積了AlSb多晶薄膜，基本具有化學計量比Al：Sb，退火可以促進薄膜中AlSb結晶化，并具有閃鋅礦晶體結構，晶格常數(shù)為0.6147 nm，晶粒尺寸約為46.3 nm。模擬計算的結果表明n-p AlSb同質結和p-ZnTe：Cu/n-AlSb異質結太陽電池均可以取得較高的轉換效率。

參考文獻

[1] 雷永泉，萬群，石永康，等.新能源材料[M].天津：天津大學出版社，2000：238-312.

[2] 趙天從.銻[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1987：1-10.

[3] Stephen J，F(xiàn)onash.Solar Cell Device Physics[M].New York：Academic Press，INC，1981.