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摘要
基于硅量子点(Si-QDs)的全硅叠层太阳电池被认为是最有潜质的高效太阳电池之一。目前所报道的硅量子点薄膜存在硅量子点数密度低、缺陷多等问题,限制了硅量子点太阳电池的光电转换效率。微波退火(microwave annealing,MWA)被认为是一种有益于制备纳米结构材料的方法。微波退火的非热效应可以降低形核能,改善薄膜的微结构和光电性能。因此,采用磁控共溅射技术并结合微波退火工艺,在不同的脉冲功率下制备了含硅量子点SiCx薄膜;采用掠入射X射线衍射(GIXRD)、拉曼(Raman)光谱、紫外-可见-近红外分光光度计和光致发光(PL)光谱表征薄膜的物相结构及光谱特性;研究不同脉冲功率对硅量子点数密度和性能的影响,进而改进磁控共溅射工艺,制备硅量子点数密度较高和性能良好的薄膜。样品的GIXRD谱和Raman谱均显示其中存在硅量子点,其强度先增大后减小;通过谢乐(Scherrer)公式估算出硅量子点尺寸呈现先增大后减小的规律,脉冲功率为80W时尺寸达到最大(8.0nm)。在Raman光谱中还观察到中心位于511cm-1处出现硅量子点Si-Si横向光学振动模式的拉曼峰,其强度也呈现先增大后减小的趋势;对拉曼光谱做最佳高斯(Gauss)分峰拟合,得出薄膜的晶化率均高于62.58%,脉冲功率为80W时制备的薄膜具有最高的晶化率(79.29%)。上述分析表明薄膜中均有硅量子点的形成,且数量先增加后减小,脉冲功率为80 W时硅量子点数量最多。通过测量样品的透射率T、反射率R等光学参数,利用Tauc公式估算出薄膜的光学带隙,发现带隙值随溅射功率的增加先减小后增大,在脉冲功率为80W时最小(1.72eV)。硅量子点尺寸与光学带隙成反比,说明薄膜中的硅量子点具有良好的量子尺寸效应。通过PL光谱分析样品的发光特性,对其做最佳高斯拟合,发现样品中均有6个发光峰。结合Raman光谱的分析结果,可以得出波长位于463～624nm的发光峰源于硅量子点的作用;而波长位于408和430nm的发光峰则源于薄膜内部的缺陷态,峰位没有偏移,但强度有变化。根据发光峰对应的波长可计算其能带分布,从而确定缺陷态类型:408nm的发光峰归因于≡Si°→Ev电子辐射跃迁,430nm的发光峰则归因于≡Si°→≡Si-Si≡的缺陷态发光。还研究了硅量子点的尺寸对发光峰移动的影响。结果表明,随硅量子点尺寸变小(大),发光峰蓝移(红移)。综上,溅射功率为80W时制备的含硅量子点SiCx薄膜性能最佳。研究结果为硅量子点太阳电池的后续研究奠定了基础。
