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發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，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別，說明Al和Sb已經完全化合生成AlSb。另一方便，根據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，經過退火之后，表面顏色變暗，粗糙度略有增加。樣品在大氣環境下容易潮解，所以宜在真空環境下保存樣品，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：冶金工業出版社，1987：1-10.

[3] Stephen J，Fonash.Solar Cell Device Physics[M].New York：Academic Press，INC，1981.