基于硒化物层状材料的湿法刻蚀和光电特性研究-电子科学与技术专业论文.docxVIP

I I 摘 要 摘 要 硒化物层状材料具有独特的光学、电学特性，在薄膜太阳电池、热电器件等 领域具有良好的应用前景，已引起学术和产业界的高度重视。本文研究了 Bi2Se3 (V-VI 族)和 In2Se3(III-VI 族)为代表的硒化物的性质、制备方法及其应用。分别从 硒化物层状材料的刻蚀以及材料的光学电学性能来探讨了硒化物层状材料的特性 和发展。研究在 Si(111)衬底上采用物理气相沉积（PVD）制备出单晶的 Bi2Se3 薄 膜和分子束外延（MBE）的方法制备出单晶的 In2Se3 薄膜，重点研究了 Bi2Se3 材 料的湿法刻蚀和单相 In2Se3 的光学特性。具体研究内容和结论如下： (1) 研究了 K2Cr2O7-H2SO4 和 K2Cr2O7-HCl 两种不同刻蚀液对 Bi2Se3 薄膜的 刻蚀作用效果和反应机理。虽然两种刻蚀液对 Bi2Se3 薄膜的刻蚀都有效果，但刻 蚀出来的界面还是有很大的差别。H+浓度为 12 mol/L 的 K2Cr2O7-H2SO4 刻蚀液， 刻蚀 30 秒后的界面存在许多大的直径在 20 nm~300 nm 之间的岛状物，而且其界 面的粗糙度要高于 K2Cr2O7-HCl 刻蚀后的界面，这不能算是好的刻蚀界面；而 H+ 浓度为 8 mol/L 的 K2Cr2O7-HCl 刻蚀液刻蚀 30 秒的界面平整光滑，虽然刻蚀之后 的界面是一个富 Bi 的界面，但其横向刻蚀性能良好。它们的刻蚀速率在室温下均 为 120 nm/min。上述工作第一次系统的研究了 Bi2Se3 层状材料的刻蚀，为 Bi2Se3 硒化物薄膜在热电器件制备领域中的应用提供了参考。 (2) 研究了 In2Se3 薄膜的可控生长和基于 In2Se3 薄膜的光电器件的变温 I-V 特 性和光电转换效率。我们过控制 In2Se3 薄膜生长的衬底温度，成功制备除了 α-In2Se3 单晶薄并利用 XRD 和 SEM 观测了其形貌；利用 α-In2Se3 单晶薄膜制备出了太阳 能电池结构，并对该器件进行了外量子转换效率(EQE)的测量，尽管我们制作的太 阳能器件没有做任何的抗反射图层或者吸收窗口，器件在可见光波段 530 nm 到 880nm 的范围内，EQE 的值超过 20%，而且它的光响应下降边缘达到 880 nm。器 件的面积为 0.2 cm2， 在 1 个标准太阳光强照射下(100 mW cm-2)，器件的短路光 电流密度(JSC)，开路电压(VOC)和占空因数(ff)的值分别为：JSC = 9.6 mA cm-2, VOC = 247 mV and ff = 32.3%，单位面积的光电转换效率达到了 0.77%。结果表明，利用 MBE 技术制备的 In2Se3-Si 光电池达到了比较高的光电转化效率，同时表明了 In2Se3 薄膜在光电领域中具有巨大的发展潜力良好的应用前景。 关键词：金属硒化物，硒化铋，湿法刻蚀，硒化铟，光电特性 II II ABSTRACT ABSTRACT Selenide layered materials are most extensively studied semiconducting compound because of their properties that make them attractive for applications in in the field of thin film solar cells and thermoelectric devices. In this paper, we have studied the properties, preparation methods and application of Bi2Se3 (V-VI) and In2Se3 (III-VI), respectively. Single crystalline Bi2Se3 thin films grown on (111)-oriented Si substrates by physical vapor deposition (PVD) are employed in this study. The single crystalline α-phase In2Se3 thin films were achieved on Si (111) substrate by molecular beam epitaxy (MBE). We have researched the etching properties of Bi2Se3 and the optical electrical properties of In2Se3 to explore the charac