用于太阳电池的AlSb多晶薄膜

杨凯

摘 要：该文采用多靶共溅射方法先预沉积了Al-Sb复合薄膜，然后在N2气氛下进行退火得到AlSb多晶薄膜。用XRD分析了AlSb多晶薄膜的结构，用XRF测定了Al和Sb的原子比。最后用AMPS-1D模拟了采用该AlSb多晶薄膜的太阳电池的光伏特性。结果表明，共溅射的方法可以获得结晶性能良好的AlSb多晶薄膜，并且使用该薄膜的太阳电池可以具有较高的转换效率。

关键词：AlSb多晶薄膜 共溅射 太阳电池

中图分类号：TM914.42；O484.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（c）-0152-02

随着对太阳电池材料研究的不断深入，寻找一种无污染、低能耗、高效率的太阳电池材料及其制造方法已经发展成一个重要的研究方向。具有闪锌矿结构的III-V族化合物半导体AlSb，具有1.6 eV的禁带宽度，很好地匹配了地面的太阳光谱，使用其作为吸收材料的太阳电池的理论效率可达到27%[1]。因此，AlSb是一种很有潜力的新型光电转换材料。

该文采用共溅射方法在浮法玻璃衬底上先预制AlSb复合薄膜，然后对预制复合薄膜进行退火，分析了衬底温度、退火温度与AlSb多晶薄膜的结构、组分和形貌的关系。最后模拟了采用AlSb多晶薄膜的太阳电池的器件性能。

1 实验

1.1 Al-Sb复合薄膜的制备

制备条件为： Al靶和Sb靶均为5N纯度，溅射气压约为1.1 Pa。Al靶的溅射偏压为300 V，电流为0.3A，Sb靶的溅射偏压为340 V，电流为0.7A，衬底温度为分别30 ℃，溅射时间为20 min，在N2气氛下、300 ℃～540 ℃之间的退火温度下进行退火，退火时间分别为30 min、120 min。

1.2 测试

薄膜晶体结构采用X射线衍射仪测量，薄膜组分用荧光光谱分析仪测量，膜厚用探针式台阶仪测量。

2 结果与讨论

2.1 共溅射速率的确定

用台阶仪对不同溅射功率制备的Al、Sb薄膜的厚度进行测量，并换算得到Al靶的溅射速率VAl=0.30 nm·min-1W·-1，Sb靶的溅射速率VSb=0.21 nm·min-1·W-1，因此，预制复合膜中Al和Sb的原子比为：

，

其中Al的密度Al=2.70g·cm-3，Al原子量为MAl=26；Sb的密度Sb=6.68 g·cm-3， Sb原子量为121。因此，共溅射的Al靶和Sb靶的等效溅射功率比PAl/PSb的最佳值应该为0.37∶1，我们采用的共溅射功率比与此接近。

2.2 组成

通过X射线荧光光谱法（XRF）测定薄膜中原子比，样品退火前Al∶Sb=46.13%∶53.87%，退火后Al∶Sb=48.82%∶51.18%，可见，共溅射方法对薄膜中的元素比例进行有效控制，以接近化学配比。由于Sb在较高温下蒸气压较大，易挥发，造成了退火后Sb的相对含量减少[2]。

2.3 结构

图1为30 ℃的衬底温度沉积的薄膜退火前后的XRD图谱。未退火的样品无明显的衍射峰，只是在2θ=26.03°附近有一个非晶衍射峰；并没有出现Al、Sb或者AlSb的衍射峰。退火后，在XRD图谱上观察到明显的衍射峰，2θ=25.16°，28.70°，39.97°， 41.96°，49.13°，51.40°，这些主要衍射峰对应了立方晶系的AlSb的主相和六方晶系的Sb的次相，但是没有观察到单质Al的衍射峰。随着退火温度的逐渐提高，AlSb和Sb的衍射峰逐渐增强，峰高比更大，可见，退火有助于AlSb和Sb的结晶化。在2θ=28.70°处，AlSb（200）衍射峰逐渐和Sb（012）衍射峰分离，在2θ=41.96°处，峰位逐渐左移，从Sb（110）向AlSb（220）偏移，由此可以推断，在退火阶段，Sb和Al进一步化合成AlSb。图1中曲线e、f具有相同的退火温度，退火时间分别为30 min和120 min，其XRD峰位和强度并无显著区别，说明Al和Sb已经完全化合生成AlSb。另一方便，根据XRF测量结果，薄膜中Al，Sb原子比为45∶55，所以，Al全部转化为AlSb，延长退火时间并不能进一步促进AlSb的形成和结晶化。

将测试的XRD图谱与标准PDF卡片对比之后，制备的AlSb薄膜具有闪锌矿晶体结构，通过布拉格公式

计算的晶格常数为0.615 nm，通过谢乐公式计算的AlSb平均晶粒尺寸为46.3 nm。

样品退火之后，原非晶衍射峰的位置出现了AlSb（111）、（200）晶面衍射峰，并且该峰强度为退火前的1/2。我们制备的是薄膜样品，所以非晶衍射峰可能是AlSb非晶衍射和玻璃衬底的共同信息。

2.4 形貌

预制的复合薄膜在退火前呈银白色镜面，经过退火之后，表面颜色变暗，粗糙度略有增加。样品在大气环境下容易潮解，所以宜在真空环境下保存样品，并用氩气保护。

3 AlSb多晶薄膜太阳电池模拟

采用S.Fonash[3]设计的AMPS-1D仿真软件对n-AlSb/p-AlSb同质结和p-（ZnTe：Cu）/n-AlSb异质结结构太阳电池进行了模拟，n-AlSb/p-AlSb同质结太阳电池的结果为：Jsc（26.10 mA/cm2）、Eff（19.3%）、Voc（0.92 V）、FF（80.3%），p-ZnTe：Cu/n-AlSb异质结太阳电池结果为：Jsc（25.5 mA/cm2）、Eff（18.1%）、Voc（1.01 V）、FF（69.9%）。

4 结语

用共溅射方法沉积了AlSb多晶薄膜，基本具有化学计量比Al：Sb，退火可以促进薄膜中AlSb结晶化，并具有闪锌矿晶体结构，晶格常数为0.6147 nm，晶粒尺寸约为46.3 nm。模拟计算的结果表明n-p AlSb同质结和p-ZnTe：Cu/n-AlSb异质结太阳电池均可以取得较高的轉换效率。

参考文献

[1] 雷永泉，万群，石永康，等.新能源材料[M].天津：天津大学出版社，2000：238-312.

[2] 赵天从.锑[M].北京：冶金工业出版社，1987：1-10.

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