退火温度对生长在TiO2 缓冲层上的ZnO 薄膜的影响

退火温度对生长在TiO2 缓冲层上的ZnO 薄膜的影响
退火温度对生长在TiO2 缓冲层上的ZnO 薄膜的影响

第29卷 第10期2008年10月

半 导 体 学 报

J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RS

Vol.29 No.10

Oct.,2008

通信作者.Email :xyl @https://www.360docs.net/doc/5c4920086.html, 2008203225收到,2008204230定稿

Ζ2008中国电子学会

退火温度对生长在Ti O 2缓冲层上的ZnO 薄膜的影响

徐林华1 李相银1, 史林兴1 沈 华2

(1南京理工大学应用物理系,南京 210094)(2南京理工大学电光学院,南京 210094)

摘要:采用电子束蒸发技术在TiO 2缓冲层上沉积了ZnO 薄膜,研究了不同的退火温度对薄膜晶化质量及发光性质的影

响.利用X 射线衍射仪和扫描探针显微镜分析了薄膜样品的结构性质,利用荧光光谱仪研究了薄膜样品的光致发光性质.分析结果表明,退火处理后的ZnO 薄膜都沿c 轴择优生长.在600℃下退火的样品具有最强的(002)衍射峰、最强的紫外发射和最弱的可见光发射,其晶粒大小均匀,紧密堆积.而对于在500和700℃下退火的样品,其可见光发射较强.这表明在600℃下退火的样品具有最好的晶化质量.关键词:ZnO 薄膜;TiO 2缓冲层;晶化质量;光致发光PACC :6110;6150J ;6855中图分类号:O 484 文献标识码:A 文章编号:025324177(2008)1021992206

1 引言

由于信息技术的迅速发展,相应领域迫切需要研制出优质的短波长光电器件,因此宽禁带半导体材料的研究备受人们关注.ZnO 是一种直接宽带隙化合物半导体,具有良好的化学稳定性和热稳定性.在室温下,其禁带宽度为3137e V [1],激子束缚能高达60meV 且激子不易热离化,因此,ZnO 具备了作为室温或更高温度下短波长发光材料的特征.1997和1998年,

Ta ng ,Zu ,B agnall 等人[2~4]

报道了ZnO 薄膜在室温下的光抽运近紫外受激发射现象,使ZnO 迅速成为了半导体材料领域的研究热点.随着2006年ZnO 基纳米发电机的研制成功[5],人们对ZnO 材料的研究更是如火如荼,以期早日实现ZnO 材料的商业化应用.

对于ZnO 材料的研究,目前仍以薄膜形态为主.

ZnO 薄膜在紫外发光二极管[6,7]

、紫外激光器[8]、光信

息存储器件[9]、紫外光电探测器[10]

等很多方面都有重要应用价值.大量研究表明,ZnO 薄膜的光电性质与其晶化质量有直接关系.因此,若要制造出性能优良的ZnO 基光电器件,必须首先制备出高质量的ZnO 薄膜,而ZnO 薄膜的质量又与衬底材料密切相关.人们已经使用过的ZnO 薄膜的衬底材料有Sapp hire ,SiO 2,Pt ,Si ,石英,玻璃等.与其他衬底材料相比,Si 的原料丰富且单晶Si 的制备工艺成熟,特别是Si 是目前半导体微电子行业的基石.如果能在Si 衬底上生长出高质量的ZnO 薄膜,将有利于光电集成.然而,在Si 衬底上直接生长ZnO 薄膜存在两个方面的问题:一方面Si 和ZnO 之间存在较大的晶格失配(约15%)和热失配[11,12];另一方面在Si 衬底上直接生长ZnO 薄膜时或ZnO 薄膜在高温退火时,Si 的表面原子很容易“掠取”

ZnO 薄膜中的氧原子[12]

,致使ZnO 薄膜中出现较多

的O 空位等点缺陷,这些都影响了制备出的薄膜质量.因此很多研究者在ZnO 薄膜与Si 衬底之间采用缓冲层来提高ZnO 薄膜的质量,有的使用了同质缓冲层[13],有的使用了异质缓冲层如Ca F 2[14],MgO [15],

Si C [11,16],Ti [17]

等.

作者及合作者在前一阶段的研究中[18,19],采用电子束蒸发技术制备了用TiO 2作缓冲层的ZnO 薄膜,研究了不同的衬底和生长温度对ZnO 薄膜性质的影响,并发现TiO 2缓冲层在很大程度上提高了ZnO 薄膜的质量.我们之所以选TiO 2作缓冲层是基于以下几点考虑:(1)TiO 2和ZnO 具有很多相似之处,如它们都是宽禁带半导体材料,具有高的折射率、高的化学稳定性和热稳定性;它们的纳米结构,如纳米晶、纳米薄膜等具有良好的光催化性能;再者TiO 2薄膜和ZnO 薄膜在可见光波段具有很高的透射率,在紫外区则呈强吸收特性.因此用TiO 2薄膜作缓冲层或复合层制备出的ZnO 薄膜在很多领域有潜在应用价值,如紫外发光二极管、全彩色平面显示、太阳能电池、光催化剂等;(2)TiO 2原料丰富,价格便宜,适合大规模生产的要求;(3)虽然ZnO 和TiO 2的晶体结构(ZnO 是六方晶系纤锌矿结构,而TiO 2有3种晶型:板钛矿、锐钛矿和金红石,其中板钛矿属于正交晶系,而锐钛矿和金红石属于四方晶系)和热膨胀系数存在较大差别,但在已报道的结果中,也有很多研究用异质缓冲层制备出了高质量ZnO 薄膜,而这些缓冲层材料和ZnO 在晶体结构或热膨胀系数上也存在较大的差别[12,14];(4)在我们查阅的

文献中,了解到已经有人用ZnO 作缓冲层生长出了高质量TiO 2薄膜[20],因此我们设想用TiO 2作缓冲层可能也会生长出高质量ZnO 薄膜.

在本研究中,为了更深入地了解TiO 2缓冲层的作

第10期徐林华等: 退火温度对于生长在TiO2缓冲层上的ZnO

薄膜的影响

图1 ZnO薄膜的X射线衍射图谱

Fig.1 X2ray diff raction p atter ns of ZnO t hin films

用,我们对在250℃下生长的非晶态ZnO薄膜进行了退火处理,利用X射线衍射仪、扫描探针显微镜和荧光光谱仪分别研究了在不同温度下退火的ZnO薄膜的结构与光致发光性质.

2 实验

镀膜设备采用韩国普卢泰公司生产的PM C90S高真空蒸发式光学镀膜机.采用离子束辅助反应电子束蒸发法在Si(100)衬底上沉积TiO2缓冲层和ZnO薄膜.镀膜原料是高纯度的TiO2和ZnO颗粒;衬底采用Si(100)面,单面抛光.在镀膜前依次用丙酮、乙醇、去离子水对Si片进行超声清洗,镀膜时将Si片放在离蒸发源115m处匀速旋转的工作架上.首先在Si片上沉积TiO2缓冲层:镀膜前将镀膜室抽气至2166×10-3Pa,然后充入A r(18sccm)和O2(25sccm),衬底温度设为200℃,电子枪的工作电压是7111kV,工作电流是246mA.接下来在TiO2缓冲层上沉积ZnO薄膜,此时充入的A r为18sccm,O2为50scc m,衬底温度设为250℃,电子枪的工作电压是7111kV,工作电流是78mA.利用石英晶体膜厚控制器控制沉积速率和膜厚,最后使TiO2缓冲层厚为200n m,ZnO薄膜厚为300n m.一共制备了4个薄膜样品,其中3个样品分别在500,600和700℃下退火1h.

利用X射线衍射仪(B ruker D8A dva nce,Cu Kαλ=0115406nm)分析了ZnO/TiO2的晶相和晶向;利用扫描探针显微镜(CSPM4000)分析了ZnO薄膜的微观形貌;采用荧光光谱仪(J OBIN YVON2SPEX)测量了ZnO薄膜在室温下的光致发光谱,激发光源为Xe灯,激发波长为325nm.

3 结果与讨论

3.1 退火温度对生长在TiO2缓冲层上的Z nO薄膜结

构的影响

图1所示为在250℃下直接生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜和在不同温度下退火处理的ZnO薄膜

表1 由X射线衍射数据计算得到的结果

Table1 Result s calculated from XRD data

Sample2θ/(°)FW HM/(°)D/nm c/nm

A nnealed at500℃34170°1135°6110015166

A nnealed at600℃34145°0185°9131015199

A nnealed at700℃34165°0185°9170015173

的X射线衍射谱.由图可见,在250℃下直接生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜是非晶态,但TiO2缓冲层已经结晶,其出现的衍射峰对应于板钛矿相的(121)峰.在500℃退火的ZnO薄膜,已经由非晶态转变为结晶态,图谱中明显地出现了(002)衍射峰,但衍射强度较弱,这说明它还未充分晶化;同时,还可以看到TiO2出现了锐钛矿相的(200)衍射峰,表明TiO2经500℃退火处理后已经转变成了锐钛矿相.当退火温度上升至600℃时,ZnO薄膜的(002)衍射峰明显地增强了,而且半高全宽(F W HM)也窄化了,这表明ZnO薄膜的晶化质量在很大程度上提高了.同时TiO2缓冲层出现了金红石相的(211)衍射峰,这意味着此时TiO2缓冲层中是锐钛矿相和金红石相共存的状态.当退火温度升高到700℃时,ZnO薄膜的(002)衍射峰不但没有增强反而有些减弱,而TiO2缓冲层基本上完全转变为金红石相了.由上述分析可知,退火后的ZnO薄膜都是六角纤锌矿结构且沿垂直于衬底表面的c方向择优生长.随着退火温度的升高,ZnO薄膜的结晶质量逐渐提高,当退火温度为600℃时,薄膜的结晶质量最好,然而当退火温度再升高时,ZnO薄膜的晶化质量又下降了.

为了更深入地了解退火温度对生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜的影响,我们利用布拉格公式和谢乐公式对上述薄膜样品的结构参数进行了计算.所用的公式如下[21]:

D=0189λ/βcosθ(1)

2dsinθ=λ(2) a=d hkl

4

3

(h2+hk+k2)+l2(a/c)2(3)式中 D为ZnO微晶粒径平均大小;λ为X射线波长;β为(002)衍射峰的半高全宽;θ为衍射角;d为晶面间距;h,k,l为密勒指数;a与c是晶格常数.单晶ZnO 的晶格常数c0=015205nm.计算结果如表1所示.

由表1的计算结果可以知道,在600℃下退火的ZnO薄膜具有与c0最接近的晶格常数c,表明此时ZnO薄膜的内应力最小,晶格结构较为理想.ZnO薄膜沿c轴的应变εzz可由下式计算[22]:

ε

zz=

c-c0

c0

×100%(4) 应变与退火温度的关系如图2所示.ZnO薄膜的内应力与很多因素有关,如薄膜中的缺陷、薄膜生长过程、衬底等.在使用TiO2缓冲层后,由于缓冲层阻止了衬底表面Si原子从ZnO薄膜中“掠取”氧原子,因而大大减少了由于氧空位等点缺陷造成晶格畸变所产生的内应力,这时ZnO薄膜中存在的内应力主要与ZnO 薄膜的生长过程及衬底有关系.

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图2 应变与退火温度之间的关系

Fig.2 Relationship between st rain and a nnealing te mperature

250℃下生长在TiO 2缓冲层上的ZnO 薄膜呈非晶

态.由于沉积速率较高,薄膜结构较为致密.当这个非晶态薄膜在500℃退火时,它逐渐转变为结晶态,但由于

退火温度不高且薄膜结构致密,ZnO 晶格在退火过程中不能形成理想的结构.当退火温度升高到600℃时,ZnO 的晶格结构得到进一步调整,晶格常数c 与c 0很接近,此时ZnO 薄膜的内应力最小.但当退火温度进一步升高时,ZnO 薄膜与TiO 2缓冲层之间的原子互扩散作用加强,一部分Ti 可能进入到ZnO 薄膜中,并且进入了晶格取代了Zn.由于Ti 4+的离子半径小于Zn 2+的离子半径,Ti 4+替代Zn 2+导致晶格扭曲[23],进而使得ZnO 薄膜的内应力又增大了.

因此,对于生长在TiO 2缓冲层上的ZnO 薄膜,适当的退火温度是使其达到最好的晶化质量的关键.

图3所示为在250℃下直接生长在TiO 2缓冲层上的ZnO 薄膜和在不同的温度下退火处理的ZnO 薄膜的表面形貌图.对于在250℃下直接生长在TiO 2缓冲层上的ZnO 薄膜,其结构较为致密,表面呈高度的织物状结构.对于在500℃下退火的样品,薄膜中开始出现颗粒状结构,而当退火温度上升至600

℃,从图3(c )可以很明显地看到圆形的、大小均匀的ZnO 颗粒.当

图3 直接沉积的(a )和在500℃(b )、600℃(c )和700℃(d )退火的ZnO 薄膜的表面形貌图

Fig.3 Surf ace morp hologies of as 2dep osited (a ),a nnealed at 500℃(b ),600℃(c )a nd 700℃(d )ZnO t hin films

4

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第10期徐林华等: 退火温度对于生长在TiO2缓冲层上的ZnO

薄膜的影响

图4 生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜的光致发光谱

Fig.4 Phot oluminesce nce spect ra of ZnO t hin films p rep ared on TiO2buff er

退火温度上升至700℃时,ZnO颗粒又进一步长大但大小不均匀了.随着退火温度的升高,ZnO颗粒逐渐长大,这和很多研究报道的结果是一致的.但是,由扫描探针显微镜观察到的ZnO颗粒尺寸很明显地大于由X射线衍射数据计算出来的ZnO晶粒大小,这是因为扫描探针显微镜给出的信息是基于薄膜表面特征,而X射线衍射给出的是薄膜微结构的信息[24].从扫描探针显微镜分析的结果可知,在600℃退火的样品具有外形更规则、大小更均匀的颗粒和致密的结构,它的质量是最好的.这个分析结果和X射线衍射分析结果是吻合的.

3.2 退火温度对生长在TiO2缓冲层上的Z nO薄膜的

光致发光性质的影响

图4所示为所制备的4个ZnO薄膜样品的光致发光谱.对于在250℃直接生长在TiO2缓冲层上的ZnO 薄膜,它除了具有较强的紫外发射以外,还具有紫光和绿光发射(详细的讨论参见文献[19]).对于非晶态ZnO薄膜的近紫外发射已经有文献报道了[25],但它的紫光和绿光发射很令人费解,具体的原因还有待更深入的研究,这里只对晶态ZnO薄膜的发光性质作一定讨论.对于在600℃退火的ZnO薄膜,它具有最强的紫外发射和最弱的绿光发射,而且它的紫光发射几乎完全消失了.在500和700℃退火的薄膜样品都有紫外、紫光和绿光发射,但在700℃退火的ZnO薄膜还出现了位于469nm左右的蓝光发射,而且它的绿光发射也明显地增强了.很多研究结果也已经报道了ZnO薄膜的多色发光现象[18,26,27].

对于ZnO薄膜位于387nm左右的紫外发射,一般认为它是激子复合所致[28,29],而激子密度与ZnO薄膜的晶化质量密切相关,薄膜晶化质量越好,激子发射越强.而我们所制备的在600℃退火的薄膜样品,其紫外发射峰几乎比其他样品的高一倍,这意味着它的晶化质量是最好的.对于ZnO薄膜的可见光发射,由于影响它的因素众多,目前仍是国际上关于ZnO的热点研究问题,至今还没有公认的结论.紫光发射可能与ZnO晶界处的界面陷阱有关[11].在600℃退火的ZnO

薄膜的

图5 生长在Si衬底上的ZnO薄膜的光致发光谱

Fig.5 Photoluminescence of ZnO thin film prepared on Si sub2 strate

结晶质量最好,界面陷阱大大地减少了,因此紫光发射几乎完全消失了;而在700℃退火时,由于ZnO薄膜与TiO2缓冲层之间的原子互扩散运动增强,ZnO薄膜的晶化质量弱化,界面陷阱又增多了,这导致了紫光发射的再一次增强.对于ZnO薄膜的绿光发射,这是一个比较普遍的现象,而且对于它也有比较长的研究历史[30].但绿光发射机理仍存在很大争议:有人认为它与氧空位缺陷有关[31~33],也有人认为它与氧反位缺陷有关[34,35],还有人认为它主要与氧间隙缺陷有关[36].而我们倾向于认为绿光发射与ZnO薄膜中的氧空位缺陷有关.当退火温度升高至700℃时,ZnO薄膜表面的氧解析增强,因此导致薄膜中的氧空位缺陷增多,使绿光发射增强.ZnO薄膜的蓝光发射也是一个比较普遍的现象[37~39].在文献[37]中,Maity等人采用溶胶2凝胶法在Si和玻璃衬底上制备了ZnO薄膜,并发现它们在波长468nm左右有蓝光发射,他们认为这个蓝光发射可能与氧空位和氧间隙有关.在文献[38]中,Wei等人采用脉冲激光沉积技术在蓝宝石衬底上制备了ZnO薄膜,并发现它们在波长467nm左右有蓝光发射,他们认为这个蓝光发射与Zn间隙和Zn空位有关.在文献[39]中,Peng等人采用磁控溅射技术在Si衬底上制备了Cu掺杂的ZnO薄膜并发现它们有很强的蓝紫光发射,他们也认为这个蓝光发射与Zn间隙和Zn空位有关.我们倾向于后两者的看法.当ZnO薄膜在700℃退火时,由于ZnO薄膜与TiO2缓冲层之间的原子互扩散运动增强,可能ZnO薄膜中出现了较多的Zn间隙和Zn 空位缺陷,这导致了蓝光发射.

图5所示为在600℃退火的直接生长在Si衬底上的ZnO薄膜(这个薄膜和带有TiO2缓冲层的ZnO薄膜是在同样的条件下制备的)的光致发光谱.其紫外发光强度低于生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜的紫外发光强度,但绿光发射强度却比生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜的强.这主要是因为在Si衬底上直接生长ZnO薄膜时,衬底表面的Si原子从ZnO薄膜中“掠取”O原子,导致薄膜中出现较多O空位等点缺陷.

由以上的光致发光分析可以看到,在600℃退火的生长在TiO2缓冲层上的ZnO薄膜具有最强的紫外发

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半 导 体 学 报第29卷

射和最弱的可见光发射,这从另一个侧面表明了它晶化质量高,内部缺陷少.

4 结论

采用电子束蒸发技术在Si衬底上沉积了TiO2缓冲层,然后在250℃下在TiO2缓冲层上生长了ZnO薄膜,对直接在TiO2缓冲层上生长的ZnO薄膜分别在500,600和700℃下退火.对这些样品的结构分析表明,在600℃退火的薄膜样品具有最强的(002)衍射峰、最小的内应力,ZnO薄膜的颗粒大小均匀,形状规则.对样品的光致发光行为研究表明,所有ZnO薄膜都有紫外、紫光和绿光发射,而在700℃下退火的ZnO薄膜还有蓝光发射;在600℃下退火的ZnO薄膜具有最强的紫外发射和最弱的可见光发射.紫光发射可能与晶界处的界面陷阱有关,蓝光发射可能与Zn间隙和Zn 空位有关,而绿光发射则很可能是O空位缺陷引起的. TiO2缓冲层阻止了在ZnO薄膜生长时或在高温下退火时,衬底表面Si原子从ZnO薄膜中“掠取”O原子,因而大大减少了ZnO薄膜中的O空位等点缺陷,从而提高了ZnO薄膜的晶化质量.但退火温度过高时,ZnO 薄膜与TiO2缓冲层之间的原子互扩散运动增强,导致ZnO薄膜中的O空位、Zn间隙等缺陷增多.因此,选择适当的退火温度对于保证ZnO薄膜的质量很重要.

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[38] Wei X Q,Man B Y,Liu M,et al.Blue luminescent centers and mi2

crostructural evaluation by XPS and Raman in ZnO t hin films an2 nealed in vacuum,N2and O2.Physica B,2007,388:145

[39] Peng Xingping,Xu Jinzhang,Zang Hang,et al.Structural and PL

properties of Cu2doped ZnO films.J Lumin,2008,128:297

E ffect of Annealing T emperature on ZnO Thin Film

G row n on a TiO2Buffer Layer

Xu Linhua1,Li Xiangyin1, ,Shi Linxing1,and Shen Hua2

(1Depart ment of A p plied Physics,N anj ing Universit y of S cience and Technology,N anj ing 210094,China)

(2I nstit ute of Elect ronic Engineering and Photo2Elect ric Technology,N anj ing Universit y of Science and Technology,N anj ing 210094,Chi na)

Abstract:ZnO t hin films were dep osited on TiO2buff er layers by elect ron bea m evap oration.The eff ect of a nnealing te mperature on crystalline quality a nd p hot oluminesce nce of t he films was studied.The st ructural characteristics of t he as2dep osited a nd a nnealed films were investigated by a n X2ray diff ract ometer a nd a sca nning p robe microscope.The p hot oluminesce nce was studied by fluorop hot ome2 ter.The analysis results show t hat all t he a nnealed ZnO t hin films grow n on TiO2buff er layers are p ref ere ntially orie nted along t he c2 axis.The film annealed at600℃has t he highest(002)diff raction pea k,t he st rongest ult raviolet emission,a nd t he wea kest visible e2 mission.Its grain sizes are unif or m a nd its grains are closed p acked.The samples a nnealed at500a nd700℃have relatively st rong visi2 ble emissions t hat originated f rom def ects.These indicate t hat t he film a nnealed at600℃has t he best crystalline quality.

K ey w ords:ZnO t hin film;TiO2buff er layer;crystalline quality;p hot oluminesce nce

PACC:6110;6150J;6855

Article ID:025324177(2008)1021992206

Corresp onding aut hor.Email:xyl@https://www.360docs.net/doc/5c4920086.html,

 Received25March2008,revised ma nuscrip t received30Ap ril2008Ζ2008Chinese Institute of Elect ronics

7991

大学物理仿真实验报告材料-碰撞与动量守恒

大学物理仿真实验报告 实验名称 碰撞与动量守恒 班级: : 学号: 日期:

碰撞和动量守恒 实验简介 动量守恒定律和能量守恒定律在物理学中占有非常重要的地位。力学中的运动定理和守恒定律最初是冲牛顿定律导出来的,在现代物理学所研究的领域中存在很多牛顿定律不适用的情况,例如高速运动物体或微观领域中粒子的运动规律和相互作用等,但是能量守恒定律仍然有效。因此,能量守恒定律成为了比牛顿定律更为普遍适用的定律。 本实验的目的是利用气垫导轨研究一维碰撞的三种情况,验证动量守恒和能量守恒定律。定量研究动量损失和能量损失在工程技术中有重要意义。同时通过实验还可提高误差分析的能力。 实验原理 如果一个力学系统所受合外力为零或在某方向上的合外力为零,则该力学系统总动量守恒或在某方向上守恒,即 (1) 实验中用两个质量分别为m1、m2的滑块来碰撞(图4.1.2-1),若忽略气流阻力,根据动量守恒有 (2) 对于完全弹性碰撞,要求两个滑行器的碰撞面有用弹性良好的弹簧组成的缓冲器,我们可用钢圈作完全弹性碰撞器;对于完全非弹性碰撞,碰撞面可用尼龙搭扣、橡皮泥或油灰;一般非弹性碰撞用一般金属如合金、铁等,无论哪种碰撞面,必须保证是对心碰撞。 当两滑块在水平的导轨上作对心碰撞时,忽略气流阻力,且不受他任何水平方向外力的影响,因此这两个滑块组成的力学系统在水平方向动量守恒。由于滑块作一维运动,

式(2)中矢量v可改成标量,的方向由正负号决定,若与所选取的坐标轴方向相同则取正号,反之,则取负号。 1.完全弹性碰撞 完全弹性碰撞的标志是碰撞前后动量守恒,动能也守恒,即 (3) (4) 由(3)、(4)两式可解得碰撞后的速度为 (5) (6) 如果v20=0,则有 (7) (8) 动量损失率为 (9) 能量损失率为 (10) 理论上,动量损失和能量损失都为零,但在实验中,由于空气阻力和气垫导轨本身的原因,不可能完全为零,但在一定误差围可认为是守恒的。 2.完全非弹性碰撞 碰撞后,二滑块粘在一起以10同一速度运动,即为完全非弹性碰撞。在完全非弹性碰撞中,系统动量守恒,动能不守恒。 (11) 在实验中,让v20=0,则有 (12) (13) 动量损失率 (14) 动能损失率 (15) 3.一般非弹性碰撞

CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料的研究进展

?136?材料导报A:综述篇2012年lo月(上)第26卷第10期CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料的研究进展+ 王卫兵1,刘平2,李伟2,马凤仓2,刘新宽2,陈小红2 (1上海理工大学机械工程学院,上海200093;2上海理工大学材料科学与工程学院,上海200093) 摘要CIGS薄膜太阳能龟池的缓冲层为低带隙C1GS吸收层与高带隙ZnO窗口层之间形成过渡,减少两者带隙的晶格失配和带隙失调,并可防止溅射Zn0窗口层时给CIGS吸收层带来损害等,对提高CIGS薄膜太阳能电池效率起了重要作用。介绍了CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料的分类和制备工艺,主要阐述了CdS、ZnS及InzS3薄膜缓冲层材料及化学水浴法、原子层化学气相沉积法、金属化合物化学气相沉积法等制备工艺的研究现状,最后指出CIGS太阳能电池缓冲层在制备工艺、环境保护及大规模工业化生产中遇到的问题,并展望了其发展方向。 关键词CIGS太阳能电池缓冲层 ResearchProgressonBufferLayerMaterialsofCIGSThinFilmSolarCell WANGWeibin91,LIUPin92,LIWei2,MAFengcan92,LIUXinkuan2,CHENXiaohon92 (1SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093;2SchoolofMaterialsScienceandEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093) AbstractThebufferlayersofCIGSthinfilmsolarcellscanformtransition1ayersbetween10WbandgapCIGSabsorberlayersandhighbandgapofZnOwindowlayers,whichreducesthelatticematchingandbandgapdifference,andpreventsdamageofCIGSabsorberlayerfromsputteringZnOwindowlayer,andthereforeplaysanimportantroleinimprovingefficiencyOfCIGSthinfilmsolarcells.ClassificationandpreparationtechnologyofCIGSthimfJimsolarcellsmaterialarediscussed,includingtheresearchprogressofCdS,ZnSandIn2S3thinfilmbufferlayermaterials,andchemicalbathdeposition(CBD)。atomiclayerchemicalvapordeposition(ALCVD)。metalorganicchemicalvapordepo—sition(MOCVD)andotherpreparationtechnologies.Theproblemsanddevelopmentdirectionsofbufferlayermate-rialsofCIGSthinfilmsolarcellsinpreparationprocess,environmentprotectionandlarge-scaleindustrialproductionarefinallyprospected. KeywordsCIGS,solarcells,bufferlayer 0引言 CIGS薄膜太阳能电池具有成本低、光电转化效率高、性能稳定等特点,是最有发展前景的新型光伏电池之一[1],越来越受到人们的关注。1974年,美国Belt实验室的Wagner等[23首先研制出了光电转化率为5%的单晶体CIS太阳能电池。1982年波音(Boeing)公司的Chen等[3]采用蒸发Cdl。一Z珥S代替CdS为缓冲层,与CIS多晶体薄膜形成异质结,提高了器件的开路电压,使CIS多晶体太阳能电池的光电转化率达到10.6%。1985年,Potter等[41研究出了以CIS为吸收层、CdS为缓冲层、Zn0为窗口层结构的新型电池,很好地改善了电池的性能。随着CIGS太阳能电池的逐渐发展,2008年美国可再生能源实验室(NREL)制备了光电转化效率为19.9%的CIGS薄膜太阳能电池bj。2010年4月,德国太阳能和氢能研究机构(ZSW)创造了光电转化效率为20.1%的记录,同时也标志着CIGS太阳能电池的光电转化效率首次突破20%。2010年8月ZSW又报道了CIGS薄膜太阳能电池光电转化效率达20.3%[6],这是迄今为止最好的光电转化效率,与多晶体硅太阳能电池的光电转化效率的差距缩d,N了0.1%。CIGS薄膜太阳能电池的典型结构由玻璃衬底、底电极Mo层、CIGS吸收层、缓冲层、i-ZnO和Al—Zn0窗口层、减反射层及顶电极7层材料组成[7]。 缓冲层是低带隙CIGS与高带隙Zn0窗口层之间的过渡层,其减少了两者之闭的带隙台阶与晶格失配,调整导带边失调值,对提高CIGS薄膜太阳能电池的pn结质量有重要作用。由于沉积方法与制备工艺条件的不同,缓冲层还有修复CIGS吸收层表面及防止溅射ZnO窗口层时给CIGS吸收层带来损害等作用∞]。很多学者和专家对缓冲层的重要性做了论证,结果表明,加缓冲层CdS或含CdS的CIGS薄膜太阳能电池与不加时的光电转化率相差4%~6%[9]。本文综述了常用缓冲层材料及缓冲层制备工艺的研究现状,并指出了其存在的问题,展望了其发展方向。 *上海市科技攻关项目(08110511600);上海市教委重点学科项目(J50503) 王卫兵:男,硕士研究生,主要从事CIGS薄膜太阳能电池的研究Tel:021—55271692E-mail:wangwb421@163.corn刘平:男,教授,博士生导师,主要从事金属功能材料的研究和开发 万方数据

InN薄膜的退火特性

第27卷 第2期2006年2月 半 导 体 学 报 C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICON D U C TO RS V ol.27 N o.2 Feb.,2006 3国家重点基础研究发展规划(批准号:G2000068305),国家高技术研究发展规划(批准号:2001AA311110,2003AA311060,2004AA311080), 国家自然科学基金(批准号:6039072,60476030),国家杰出青年基金(批准号:60025411)和江苏省自然科学基金(批准号:B K2005210,B K2003203)资助项目 通信作者.Email :xzl @https://www.360docs.net/doc/5c4920086.html, 2005208224收到,2005210212定稿ν2006中国电子学会 In N 薄膜的退火特性 3 谢自力 张 荣 修向前 毕朝霞 刘 斌 濮 林 陈敦军 韩 平 顾书林 江若琏 朱顺明 赵 红 施 毅 郑有  (南京大学物理系江苏省光电功能材料重点实验室,南京 210093) 摘要:对InN 薄膜在氨气氛下的高温退火行为进行了研究.利用XRD ,S EM 和XPS 对样品进行了分析.结果表 明,InN 薄膜的结晶质量和表面形貌并不随退火温度单调变化.由于高温退火时N 原子的挥发,剩下的In 原子在样品表面聚集形成In 颗粒.当退火温度高于425℃时,In 原子的脱吸附作用增加,从而导致样品表面的In 颗粒在退火温度高于425℃时逐渐减少.XRD 和S EM 结果表明In 颗粒密度最高的样品具有最差的结晶质量.这种现象可能是由于In 颗粒隔离了其下面的InN 与退火气氛的接触,同时,金属In 和InN 结构上的差异也可能在InN 中导致了高密度的结构缺陷,从而降低了InN 薄膜的结晶质量. 关键词:InN ;热退火;X 射线衍射;扫描电子显微镜;X 射线光电子谱PACC :7360F ;7155;6820 中图分类号:TN30412+3 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)022******* 1 引言 在Ⅲ族氮化物半导体中,I nN 有其特殊的物理性质.例如,I nN 具有最小的电子有效质量,它决定了I nN 具有最高的峰值和饱和电子漂移速率.这使I nN 在高速、高频电子器件如高电子迁移率晶体管方面有着极为重要的应用价值.I nN 具有最小的禁带宽度(最新报道为017eV ),其和GaN 的合金I n x Ga 1-x N 的带隙宽度覆盖了从红外到紫外的波长范围.因此I n GaN 合金不仅可以用来做紫外和红外光电子器件,而且目前光纤通信中所应用的光学器件也有可能用I n GaN 合金来制备.另外,调节I n x Ga 1-x N 中的I n 组分可以用来制备不同禁带宽度的多结太阳能电池,其理论效率可达到70%以上.因此,I nN 作为Ⅲ族氮化物半导体中的一员,有 着重要的研究价值[1] .但是直到现在,对于I nN 材料的研究还不够充分,一些光电子参数比如光学常数、禁带宽度、载流子的有效质量和声子波数等都有待更精确地确定,这主要是因为高质量的I nN 薄膜很难制备[2]. 由于I nN 具有低的离解温度(≥600℃分解)要求低温生长,而作为氮源的N H 3的分解温度较高,在1000℃左右,这是I nN 生长的一对矛盾.其次,对 于I nN 材料生长缺少与之匹配的衬底材料.这就使 得高质量I nN 材料生长特别困难.因此I nN 材料的研究几乎没有取得什么进展.我们对I nN 材料的性质知之甚少[3,4]. 最近几年,由于科学技术的进步和发展,I nN 材料生长技术也越来越成熟.生长的I nN 材料中杂质也越来越少.特别是2002年,对I nN 材料本征能隙认识的新突破,对于纯度更纯的I nN 材料,其能隙是016~017eV ,而不是人们一直认为的119eV.这使得I nN 材料在微电子和光电子领域中的应用将有更好的表现.在国际上也因此掀起了一股I nN 材料的研究热潮.因而有必要对I nN 材料进行研究[5]. 本文对I nN 薄膜在氨气氛下的高温退火行为进行了研究.利用X RD ,S EM 和XPS 对样品进行了分析.结果表明,I nN 薄膜的结晶质量和表面形貌并不随退火温度单调变化.由于高温退火时N 原子的挥发,剩下的I n 原子在样品表面聚集形成I n 颗粒.当退火温度高于425℃时,I n 原子的脱吸附作用增加,从而导致样品表面的I n 颗粒逐渐减少.X 射线衍射(X RD )和电子显微镜(S EM )结果表明,I n 颗粒密度最高的样品具有最差的结晶质量.这种现象可能是由于I n 颗粒隔离了其下面的I nN 与退火气氛的接触,同时,金属I n 和I nN 结构上的差异也

Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池

Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳电池 摘要 叠层太阳电池是一种重要的新概念电池。本文简要介绍了叠层太阳电池的基本概念,了解了Ⅲ-Ⅴ族化合物的特点及为何Ⅲ-Ⅴ族化合物适用于制作叠层电池。怎样实现Ⅲ-Ⅴ族化合物叠层太阳能电池的工作原理、光伏特性及影响转换效率的因素等。探讨了相关的技术发展概况和技术难点,并就未来的发展趋势进行了展望。 关键词:Ⅲ-Ⅴ族化合物;太阳电池;新概念能源

III-V compound semiconductor multi-junction monolithic solar cell Abstract Multi-junction monolithic solar cells is a new important concept of battery.This paper briefly introduces the basic concept of multi-junction monolithic solar cells,to understand the characteristics of III-V compound and why III-V compound is suitable for manufacturing multi-junction monolithic solar cells.How to realize the III-V compound laminated working principle of solar cells,photovoltaic properties and Influence factors of conversion efficiency etc.The relative progress and difficulty in technology was discussed.And the future direction was prospected. Key words:III-V compound;solar cells;new concept resource

物理创新设计实验报告 大学物理

浙江海洋学院 物理创新设计实验报告 实验名称:利用霍尔效应法测量空间的磁场分布指导教师:鲁晓东 专业:数学与数学应用 班级:B10数学 实验者:于祥雨吴联帅 学号:100601108 100601118 实验日期:2011年12月01日

利用霍尔效应法测量空间的磁场分布 实验者:于祥雨 同组实验者:吴联帅 指导老师:鲁晓东 (B10数学 100601108 654495 ;B10数学 100601118 670903) 【摘要】通过霍尔效应法测量霍尔电流和励磁电流的方法,并使用“对称测量法”消除副效应的影响,最终通过多组数据的处理,得出空间磁场分布。 【关键词】霍尔效应;霍尔电流;对称测量法;磁场分布 一、引言 空间磁场实际存在,但是人眼看不到,因此用直接的方法测量是行不通的。本实验正是考虑了这点,通过测量霍尔电流和励磁电流的方式,通过霍尔电流、励磁电流和磁场强度的关系,间接的测出磁场强度。并结合多组数据的处理,最大程度减小误差,使实验更加科学、严谨,从而使得实验方法具有可实施性和借鉴性。 二、设计原理 2.1简介 置于磁场中的载流体,如果电流方向与磁场垂直,则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场,这一现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的,后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段,而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动自动检测和控制的今天,作为敏感元件之一的霍尔器件,将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验,对日后的工作将有益处。 2.2霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种,当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这个电势差就被叫做霍尔电势差。 导体中的载流子在外加磁场中运动时,因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移,并在材料两侧产生电荷积累,形成垂直于电流方向的电场,最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡,从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。 因此,对于一个已知霍尔系数的导体,通过一个已知方向、大小的电流,同时测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小,就可以得出该导体所处磁场的方向和大小。 2.3实验原理 霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场,即霍尔电场H E 。如图2-1所示的半导体式样,若在X 方向通以电流H I ,在Z 方向加磁场B ,则在Y 方向即试样2-4电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图2-1所示的N 型试样,霍尔电场为Y -方向。显然,霍尔电场H E 是阻止载流子继续向侧面偏移,当载流子所受的横向电场力H eE 与洛伦兹力evB 相等,样品两侧电荷的积累就达到动态平衡,故: H eE evB = (2.3.1) 其中H E 为霍尔电场,v 是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

大物实验模拟仿真实验报告

西安交通大学实验报告 课程:数据结构实验实验名称:利用单摆测量重力加速度 系别:实验日期: 专业班级:实验报告日期: 姓名:学号: 第 1页 / 共3页 一、实验简介 单摆实验是个经典实验,许多著名的物理学家都对单摆实验进行过细致的研究。本实验的目的是学习进行简单设计性实验的基本方法,根据已知条件和测量精度的要求,学会应用误差均分原则选用适当的仪器和测量方法,学习累积放大法的原理和应用,分析基本误差的来源及进行修正的方法。 二、实验原理 单摆的结构参考图1单摆仪,一级近似的周期公式为 由此通过测量周期摆长求重力加速度。 三、实验内容 1、设计要求: (1) 根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法. (2) 写出详细的推导过程,试验步骤. (3) 用自制的单摆装置测量重力加速度g,测量精度要求△g/g < 1%. 2、可提供的器材及参数: 游标卡尺、米尺、千分尺、电子秒表、支架、细线(尼龙线)、钢球、摆幅测量标尺(提供硬白纸板自制)、天平(公用).

假设摆长l≈70.00cm;摆球直径D≈2.00cm;摆动周期T≈1.700s; 米尺精度△米≈ 0.05cm;卡尺精度△卡≈0.002cm;千分尺精度△千≈0.001cm;秒表精度△秒≈0.01s;根据统计分析,实验人员开或停秒表反应时间为0.1s左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为△人≈0.2s. 3、对重力加速度g的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求. 4、自拟实验步骤研究单摆周期与摆长,摆角,悬线的质量和弹性系数,空气阻力等因素的关系,试分析各项误差的大小. 5、自拟试验步骤用单摆实验验证机械能守恒定律. 四、实验仪器 单摆仪,摆幅测量标尺,钢球,游标卡尺 五、实验操作 1. 用米尺测量摆线长度; 2. 用游标卡尺测量小球直径; 3. 把摆线偏移中心不超过5度,释放单摆,开始计时,单摆摆过50个周期后停止计时,记录所用时间; 六、实验结果

CIGS薄膜太阳能电池缓冲层的研究及其发展

2010年(第39卷)第3期甘肃科技纵横 CIGS薄膜太阳能电池缓冲层的研究及其发展 赵静,王智平,王克振,冯晶晖 (兰州理工大学可再生能源研究院,甘肃兰州730050) 摘要:本论述简要介绍了CIGS薄膜太阳能电池缓冲层的发展,重点阐述了CdS和ZnS缓冲层的研究现状,指出缓冲层的制备工艺上以化学水浴法居多,从成膜机理到工艺参数的优化都做了充分的研究,对真空蒸发法的制备工艺研究则相对较少,而且大部分都集中在蒸发温度、衬底温度和沉积温度对薄膜性能的影响上。最后指出了发展过程中遇到的两个问题:一Cd对环境的污染,二化学水浴法不利于工业化大生产。 关键词:CIGS;薄膜电池;缓冲层;CdS薄膜;ZnS薄膜 CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为Al/MgF2/ ZnO/CdS/CIGS/Mo/衬底,并以衬底为支撑。该电池成本低,性能稳定、抗辐射能力强、光电转换效率高、光谱响应范围宽、弱光性好,有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。不加缓冲层CdS,其转换效率只有7%。如果在ZnO和CIGS之间加上缓冲层CdS,则太阳能电池的转换效率达到11%至13%,缓冲层改善了CIGS太阳能电池的性能[1]。由于缓冲层中含有有毒元素Cd,限制了薄膜太阳能电池的大规模使用;同时其制备工艺通常采用化学水浴法,但制备电池器件需要进出真空室,不利于一次成型,限制了电池的大规模生产。正是由于缓冲层对CIGS薄膜太阳能电池有着重要影响,使得很多学者对它做了深入的研究。 1缓冲层的形成及发展 1974年Bell实验室的Wagner等人[2]采用提拉法制备出了第一块CIS太阳能电池。到了1975年,经过结构改进,电池的光电转换效率为12.5%,这是CIGS 太阳能电池的雏形。1982年Boeing公司采用ZnxCd1-xS代替CdS,电池效率为10%[3]。直到1985年,R.R.Potter等人[4]才研究出了目前这种CIS电池的基本结构,即其中铜铟硒(CIS)为吸收层,CdS为缓冲层,ZnO 为窗口层,这种结构改善了电池的短波响应。薛玉明等人[5]建立异质结模型,得出了形成异质结前后的能带图。蒋方丹等[6]对CdS做为缓冲层的作用和弊端做了分析。认为CdS是非常适合作为CIGS薄膜太阳能电池缓冲层材料,但由于Cd有毒、能隙偏窄、制备工艺不匹配等因素的制约,限制了电池的大规模应用。因此,目前对缓冲层的研究主要集中在薄膜的制备工艺和无镉缓冲层材料方面。2CdS缓冲层及其制备方法 2.1化学水浴法(CBD) 化学水浴法是在溶液中利用化学反应在衬底上沉积薄膜的一种技术。因为它成本低、工艺简单、成膜质量好、反应参数易于控制等优点,因此人们从成膜机理到浓度、温度等参数优化上都做了大量的研究。 2.1.1成膜机理的研究 周向东等人[7]对成膜机理做了深入的研究,提出CdS薄膜的成核机理是Cd(NH3)42+先附着在衬底表面形成晶核,然后Cd(NH3)42+和S2-同晶核作用长大成膜,此时Cd(NH3)42+在热驱动下变得不稳定,放出氨气,同时Cd2+同S2-相互作用形成CdS。 2.1.2浓度对CdS薄膜质量影响的研究 南开大学的孙云、敖建平等人[8,9]研究了醋酸氨、硫脲的浓度对CdS薄膜晶相、S/Cd原子比、沉积速率的影响。研究表明,增加醋酸氨的浓度有利于立方相的生成,以立方相CdS制备的电池最佳效率可达到12.17%;沉积速率和S/Cd原子比随着醋酸氨、硫脲浓度的增大而增大。李华维等人[10]研究了Cd2+浓度对薄膜晶相的影响,发现随着Cd2+浓度(0.002~0.008mol·L-1)增加,沉积速率加快,薄膜晶相由六方相向立方相转变。可见关于对各溶质的不同浓度对CdS薄膜的晶相、沉积速率、S/Cd原子比和形貌的影响都做了研究。2.1.3PH值对CdS薄膜质量影响的研究 崔岩等人[11]通过加氨水调节溶液的PH值在8.43~10.09间变化,研究了薄膜的表面形貌、晶体结构、能隙等特征。结果表明,薄膜全为立方晶型,随着pH值的降低,晶粒尺寸逐渐变大,颗粒尺寸逐渐变小,晶粒倾向于沿着立方(111)面择优生长,能隙增大。敖建平 资源环境70

退火温度和时间对制备多晶硅薄膜的影响

退火温度和时间对制备多晶硅薄膜的影响 摘要:通过PECVD法于不同温度直接沉积非晶硅(a-Si∶H)薄膜,选择于850℃分别退火2h、3h、6h、8h,于700℃分别退火5h、7h、10h、13h,于900℃分别退火1h、3h、8h,分别于720℃、790℃、840℃、900℃、940℃退火1h,然后用拉曼光谱和SEM进行对比分析,发现退火温度与退火时间的影响是相互关联的,并且出现一系列晶化效果好的极值点。 关键词:PECVD法;非晶硅薄膜;多晶硅薄膜;二次晶化;拉曼光谱;扫描电镜 0引言 太阳能电池作为一种清洁能源正越来越受到人们的重视。太阳能电池分为单晶硅、多晶硅和薄膜太阳能电池等。单晶硅和多晶硅电池技术成熟、效率高,但成本较高。薄膜材料与单晶硅和多晶硅材料相比,在成本降低方面具有诱人的前景。硅薄膜材料分非晶硅和多晶硅2种,非晶硅薄膜材料制造工艺相对简单,但转换效率低、寿命短、稳定性差,将其进一步晶化成寿命长、转换效率相对高的多晶硅薄膜材料被认为是薄膜太阳能电池未来发展的方向,将非晶硅薄膜材料二次晶化成为多晶硅薄膜是有意义的研究方向。 多晶硅薄膜泛指晶粒在几(十)纳米到厘米级的硅薄膜。制备多晶硅薄膜主要包括2个过程---沉积硅膜和再晶化。2个过程都可采用不同的方法。沉积可采用化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD)。低温下沉积硅薄膜难以形成较大的晶粒,不利于制备较高效率的电池,需要通过二次晶化技术,提高晶粒尺寸。目前,二次晶化的方法主要有固相晶化法(SPC)金属诱导晶化(MIC)、区熔晶化(ZMR)等。本实验先用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD法)在玻璃上低温沉积非晶硅薄膜,再利用常规电阻加热炉退火制备多晶硅薄膜。 1实验 第一步,将清洗过的石英玻璃衬底置于PECVD系统中,射频辉光放电分解SiH4+H2制得非晶硅薄膜。真空度为5.6×10-4Pa,氢稀释比为95%,沉积室中电极间距为2cm,工作气压为133.3Pa,放电功率为60W,沉积时间为2.5h,厚度约为0.84μm。第二步,氮气保护下,样品于850℃分别退火2h、3h、6h、8h,于700℃分别退火5h、7h、10h、13h,于900℃分别退火1h、3h、8h,分别于720℃、790℃、840℃、900℃、940℃退火1h,自然冷却后取出。第三步,采用REN-ISHAW-2000拉曼光谱分析样品,计算晶化率,并采用JEOLJSM-5610LV扫描电镜观察样品。 2结果与分析 图1是非晶硅薄膜于850℃分别退火2h、3h、6h、8h的拉曼光谱图。由图1可知,在退火温度不变的情况下,随着退火时间的延长,非晶硅薄膜的晶化越来越充分,520cm-1处的晶硅特征峰非常明显,晶化效果很好。850℃退火2h的晶化率为55%,从520cm-1处的晶硅特征峰的相对高度看,850℃退火3h硅膜结晶的情况相对较好,晶化率为67%。在退火温度不变的情况下,随着退火时间的延 长,520cm-1处的晶硅特征峰相对高度降低,8h时晶化率为58%。从图1可以看

(整理)薄膜太阳能电池种类

薄膜太阳能电池种类 为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物,硫化镉,碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。 上述电池中,尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料,其能隙为1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,与太阳光谱的匹配较适合,且能耐高温,在250℃的条件下,光电转换性能仍很良好,其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。 砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,砷化镓需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸,比硅晶圆的12英寸要小得多。 磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种,一种是化学的MOCVD,一种是物理的MBE。 GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LPE技术,其中 MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错,反应压力,III-V比率,总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ,产品耐高温和辐射,但生产成本高,产量受限,目前主要作空间电源用。以硅片作衬底,MOCVD技术异质外延方法制造GaAs电池是降用低成本很有希望的方法。已研究的砷化镓系列太阳电池有单晶砷化镓,多晶砷化镓,镓铝砷--砷化镓异质结,金属-半导体砷化镓,金属--绝缘体--半导体砷化镓太阳电池等。 砷化镓材料的制备类似硅半导体材料的制备,有晶体生长法,直接拉制法,气相生长法,液相外延法等。由于镓比较稀缺,砷有毒,制造成本高,此种太阳电池的发展受到影响。除GaAs外,其它III-V化合物如Gasb,GaInP等电池材料也得到了开发。 1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为 24.2%,为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7%。另外,该研

大学物理实验报告优秀模板

大学物理实验报告优秀模板 大学物理实验报告模板 实验报告 一.预习报告 1.简要原理 2.注意事项 二.实验目的 三.实验器材 四.实验原理 五.实验内容、步骤 六.实验数据记录与处理 七.实验结果分析以及实验心得 八.原始数据记录栏(最后一页) 把实验的目的、方法、过程、结果等记录下来,经过整理,写成的书面汇报,就叫实验报告。 实验报告的种类因科学实验的对象而异。如化学实验的报告叫化学实验报告,物理实验的报告就叫物理实验报告。随着科学事业的日益发展,实验的种类、项目等日见繁多,但其格式大同小异,比较固定。实验报告必须在科学实验的基础上进行。它主要的用途在于帮助实验者不断地积累研究资料,总结研究成果。 实验报告的书写是一项重要的基本技能训练。它不仅是对每次实验的总结,更重要的是它可以初步地培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力,是科学

论文写作的基础。因此,参加实验的每位学生,均应及时认真地书写实验报告。要求内容实事求是,分析全面具体,文字简练通顺,誊写清楚整洁。 实验报告内容与格式 (一) 实验名称 要用最简练的语言反映实验的内容。如验证某程序、定律、算法,可写成“验证×××”;分析×××。 (二) 所属课程名称 (三) 学生姓名、学号、及合作者 (四) 实验日期和地点(年、月、日) (五) 实验目的 目的要明确,在理论上验证定理、公式、算法,并使实验者获得深刻和系统的理解,在实践上,掌握使用实验设备的技能技巧和程序的调试方法。一般需说明是验证型实验还是设计型实验,是创新型实验还是综合型实验。 (六) 实验内容 这是实验报告极其重要的内容。要抓住重点,可以从理论和实践两个方面考虑。这部分要写明依据何种原理、定律算法、或操作方法进行实验。详细理论计算过程. (七) 实验环境和器材 实验用的软硬件环境(配置和器材)。 (八) 实验步骤 只写主要操作步骤,不要照抄实习指导,要简明扼要。还应该画出实验流程图(实验装置的结构示意图),再配以

三种主要的薄膜太阳能电池详解

三种主要的薄膜太阳能电池详解 摘要:上述电池中,尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。 关键字:薄膜太阳能电池, 砷化镓, 单晶硅电池 单晶硅是制造太阳能电池的理想材料,但是由于其制取工艺相对复杂,耗能大,仍然需要其他更加廉价的材料来取代。为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅,非晶硅薄膜太阳能电池外,又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物,硫化镉,碲化镉及铜锢硒薄膜电池等。来源:大比特半导体器件网 上述电池中,尽管硫化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会对环境造成严重的污染,因此,并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代。砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。来源:大比特半导体器件网 砷化镓太阳能电池 GaAs属于III-V族化合物半导体材料,其能隙为 1.4eV,正好为高吸收率太阳光的值,与太阳光谱的匹配较适合,且能耐高温,在250℃的条件下,光电转换性能仍很良好,其最高光电转换效率约30%,特别适合做高温聚光太阳电池。砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同,砷化镓需要采用磊晶技术制造,这种磊晶圆的直径通常为4—6英寸,比硅晶圆的12英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台,同时砷化镓原材料成本高出硅很多,最终导致砷化镓成品IC成本比较高。磊晶目前有两种,一种是化学的MOCVD,一种是物理的MBE。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用MOVPE和LP E技术,其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错,反应压力,III-V比率,总流量等诸多参数的影响。GaAs(砷化镓)光电池大多采用液相外延法或MOCVD技术制备。用GaAs作衬底的光电池效率高达29.5%(一般在19.5%左右) ,产品耐高温和辐射,但生产成本高,产量受限,目前主要作空间电源用。以硅片作衬底,MOCVD技术

大学普通物理实验报告模板

大学普通物理实验报告模板 预习报告: 1.试验目的。(这个大学物理试验书上抄,哪个试验就抄哪个)。 2。实验仪器。照着书上抄。 3.重要物理量和公式:把书上的公式抄了:一般情况下是抄结论性的公式。再对这个公式上的物理量进行分析,说明这些物理量都是什么东东。这是没有充分预习的做法,如果你充分地看懂了要做的试验,你就把整个试验里涉及的物理量写上,再分析。 4.试验内容和步骤。抄书上。差不多抄半面多就可以了。 5.试验数据。做完试验后的记录。这些数据最好用三线图画。注意标上表号和表名。EG:表1.紫铜环内外径和高的试验数据。 6.试验现象.随便写点。 试验报告:

1.试验目的。方法同上。 2.试验原理。把书上的归纳一下,抄!差不多半面纸。在原理的后面把试验仪器写上。 3。试验数据及其处理。书上有模板。照着做。一般情况是求平均值,标准偏差那些。书上有。注意:小数点的位数一定要正确。 4.试验结果:把上面处理好的数据处理的结果写出来。 5.讨论。如果那个试验的后面有思考题就把思考提回答了。如果没有就自己想,写点总结性的话。或者书上抄一两句比较具有代表性的句子。 实验报告大部分是抄的。建议你找你们学长学姐借他们当年的实验报告。还有,如果试验数据不好,就自己捏造。尤其是看到坏值,什么都别想,直接当没有那个数据过,仿着其他的数据写一个。 不知道。建议还是借学长学姐的比较好,网络上的不一定可以得高分。每个老师对报告的要求不一样,要照老师的习惯写报告。我现在还记得我第一次做迈克尔逊干涉仪实验时我虽然用心听讲,但是再我做时候却极为不顺利,因为我调节仪器时怎么也调不出干涉条纹,

物理仿真实验报告1

物理仿真实验报告1

物理仿真实验报告 受迫振动 班级应物01 姓名赵锦文 学号10093020

一、实验简介 在本实验中,我们将研究弹簧重物振动系统的运动。在这里,振动中系统除受弹性力和阻尼力作用外,另外还受到一个作正弦变化的力的作用。这种运动是一类广泛的实际运动,即一个振动着的力学体系还受到一个作周期变化的力的作用时的运动的一种简化模型。如我们将会看到的,可以使这个体系按照与施加力相同的频率振动,共振幅既取决于力的大小也取决于力的频率。当力的频率接近体系的固有振动频率时,“受迫振动”的振幅可以变得非常大,这种现象称为共振。共振现象是重要的,它普遍地存在于自然界,工程技术和物理学各领域中.共振概念具有广泛的应用,根据具体问题中共振是“利”还是“害”,再相应地进行趋利避害的处理。 两个相互耦合的简谐振子称为耦合振子,耦合振子乃是晶体中原子在其平衡位置附近振动的理想模型。 本实验目的在于研究阻尼振动和受迫振动的特性,要求学生测量弹簧重物振动系统的阻尼常数,共振频率。 二、实验原理 1.受迫振动 砝码和挂钩 弹簧 弹簧 振荡器 图13.1 受迫振动 质量M 的重物按图1放置在两个弹簧中间。静止平衡时,重物收到的合外力为0。当重物被偏离平衡位置时,系统开始振动。由于阻尼衰减(例如摩擦力),最终系统会停止振动。振动频率较低时,可以近似认为阻力与振动频率成线性关系。作用在重物上的合力: x M x Kx x x k x k F 21=--=---=ββ 其中k1, k2是弹簧的倔强系数。

K = k1+ k2是系统的等效倔强系数。 x 是重物偏离平衡位置的距离, β 是阻尼系数。 因此重物的运动方程可表示为: 22 0=++x x x ωγ 其中 γβ=M and ω02 =K M 。 在欠阻尼状态时(ωγ0>),方程解为: ) cos(22 0 φγωγ+-=-t Ae x t A, φ 由系统初始态决定。方程的解是一个幅度衰减的谐振动,如图2所示。 T 图13.2 衰减振动 振动频率是: f T = =-11202 2π ωγ (13.1) 如果重物下面的弹簧1k 由一个幅度为a 的振荡器驱动,那么这个弹簧作用于重物的力是) cos (1x t a k -ω。此时重物的运动方程为: M t a k x x x cos 212 0ωωγ= ++ . 方程的稳态解为: ) cos(4)(2 2 2 22 1θωω γωω-+-= t M a k x (13.2) 其中 )2(tan 2 201 ωωγω θ-=-。图13.3显示振动的幅度与频率的关系。

薄膜晶体硅太阳能电池分析比较

薄膜晶体硅太阳能电池分析比较 《中国组件行业投资前景及策略咨询报告》分析:目前在工业上,硅的成本大约占硅太阳能电池生产成本的一半。为减少硅的消耗量,光伏(PV)产业正期待着一些处于研究开发中的选择方案。其中最显然的一种就是转向更薄的硅衬底。现在,用于太阳能电池生产的硅衬底厚度略大于200mm,而衬底厚度略小于100mm的技术正在开发中。为使硅有源层薄至5-20 mm,可以在成本较低的硅衬底上淀积硅有源层,这样制得的电池被称为薄膜。为使其具有工业可行性,主要的挑战是在适于大规模生产的工艺中,怎样找到提高效率和降低成本之间的理想平衡。已经存在几种制造硅有源层的技术1,本文将讨论其中的三种。 薄膜PV基础 第一种技术是制作外延(epitaxial)(图1),从高掺杂的晶体硅片(例如优级冶金硅或废料)开始,然后利用化学气相淀积(CVD)方法来淀积外延层。除成本和可用性等优势以外,这种方法还可以使硅太阳能电池从基于硅片的技术逐渐过渡到薄膜技术。由于具有与传统体硅工艺类似的工艺过程,与其它的薄膜技术相比,这种技术更容易在现有工艺线上实现。 第二种是基于层转移(layer transfer)的技术,它在多孔硅薄膜上外延淀积单晶硅层,从而可以在工艺中的某一点将单晶硅层从衬底上分离下来。这种技术的思路是多次重复利用母衬底,从而使每个太阳能电池的最终硅片成本很低。正在研究中的一种有趣的选择方案是在外延之前就分离出多孔硅薄膜,并尝试无支撑薄膜工艺的可能性。 最后一种是薄膜多晶硅太阳能电池,即将一层厚度只有几微米的晶体硅淀积在便宜的异质衬底上,比如陶瓷(图2)或高温玻璃等。晶粒尺寸在1-100mm之间的多晶硅薄膜是一种很好的选择。我们已经证实,利用非晶硅的铝诱导晶化可以获得高质量的多晶硅太阳能电池。这种工艺可以获得平均晶粒尺寸约为5 mm 的很薄的多晶硅层。接着利用生长速率超过1 mm/min的高温CVD技术,将种子层外延生长成几微米厚的吸收层,衬底为陶瓷氧化铝或玻璃陶瓷。选择热CVD是因为它的生长速率高,而且可以获得高质量的晶体。然而这样的选择却限定了只能使用陶瓷等耐热衬底材料。这项技术还不像其它薄膜技术那样成熟,但已经表现出使成本降低的巨大潜力。

大学物理实验报告模板(完整版)

报告编号:YT-FS-7848-78 大学物理实验报告模板 (完整版) After Completing The T ask According To The Original Plan, A Report Will Be Formed T o Reflect The Basic Situation Encountered, Reveal The Existing Problems And Put Forward Future Ideas. 互惠互利共同繁荣 Mutual Benefit And Common Prosperity

大学物理实验报告模板(完整版) 备注:该报告书文本主要按照原定计划完成任务后形成报告,并反映遇到的基本情况、实际取得的成功和过程中取得的经验教训、揭露存在的问题以及提出今后设想。文档可根据实际情况进行修改和使用。 一、演示目的 气体放电存在多种形式,如电晕放电、电弧放电 和火花放电等,通过此演示实验观察火花放电的发生 过程及条件。 二、原理 首先让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相 等。尖端电极放电,而球型电极未放电。这是由于电 荷在导体上的分布与导体的曲率半径有关。导体上曲 率半径越小的地方电荷积聚越多(尖端电极处),两极 之间的电场越强,空气层被击穿。反之越少(球型电极 处),两极之间的电场越弱,空气层未被击穿。当尖端 电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极 之间的距离时,其间的电场较弱,不能击穿空气层。

而此时球型电极与平板电极之间的距离最近,放电只能在此处发生。 三、装置 一个尖端电极和一个球型电极及平板电极。 四、现象演示 让尖端电极和球型电极与平板电极的距离相等。尖端电极放电,而球型电极未放电。接着让尖端电极与平板电极之间的距离大于球型电极与平板电极之间的距离,放电在球型电极与平板电极之间发生 五、讨论与思考 雷电暴风雨时,最好不要在空旷平坦的田野上行走。为什么? 这里填写您企业或者单位的信息 Fill In The Information Of Your Enterprise Or Unit Here

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