利用真空蒸發(fā)的方法制備ZnTe 多晶薄膜，并采用雙源法對(duì)薄膜進(jìn)行了稀土元素Pr 的摻雜。用XRD、紫外可見分光光度儀、冷熱探針對(duì)薄膜的性質(zhì)進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，當(dāng)原子配比Zn∶Te=1∶0.7，熱處理溫度T=500℃時(shí)，可制備較理想的ZnTe 多晶薄膜。稀土Pr 摻雜并未改變樣品的物相結(jié)構(gòu)，但使薄膜光吸收增大而光學(xué)帶隙增大。

　　隨著世界能源資源的日益匱乏、環(huán)境的不斷惡化以及人們對(duì)能源需求的加大，低成本薄膜太陽電池的開發(fā)和利用越來越引起人們的重視。

　　CdTe是直接帶隙半導(dǎo)體，具有高達(dá)10⁵ cm^{- 1}的吸收系數(shù)，是一種理想的太陽電池材料。由于CdTe存在自補(bǔ)償效應(yīng),制備高電導(dǎo)率淺同質(zhì)結(jié)很困難, 所以實(shí)用的電池都是異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。但是要使p-CdTe和金屬電極形成穩(wěn)定的低歐姆接觸有以下幾點(diǎn)困難：首先，CdTe的功函數(shù)比大部分金屬的高，很難找到一種這么高功函數(shù)的金屬與它形成歐姆接觸。其次，CdTe 表面費(fèi)米能級(jí)的釘扎效應(yīng)使其偏離Mott- Schottky理論。而且p-CdTe存在自補(bǔ)償效應(yīng)，不易實(shí)現(xiàn)重?fù)诫s，不能通過量子隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)歐姆接觸。

　　在CdTe 和金屬背電極之間沉積可以實(shí)現(xiàn)p型重?fù)诫s的背接觸層，從而使CdTe 費(fèi)米能級(jí)與金屬背電極匹配，是獲得歐姆接觸的有效方法。由背接觸層與金屬之間的量子隧道輸運(yùn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)低電阻接觸，這要求背接觸層材料價(jià)帶頂?shù)奈恢孟鄬?duì)與真空能級(jí)比CdTe 低或者在同一位置，使界面沒有阻礙空穴向背電極輸運(yùn)的價(jià)帶尖峰。

　　ZnTe是直接帶隙半導(dǎo)體， 禁帶寬度為2.26 eV。理論與實(shí)踐都表明，ZnTe與CdTe價(jià)帶偏移小于0.1 eV， 這小的價(jià)帶偏移導(dǎo)致ZnTe與CdTe電阻接觸很小或零勢(shì)壘， 載流子容易穿過。這就是ZnTe適合做CdTe 太陽電池背接觸層的主要原因。它們的結(jié)構(gòu)相同，晶格失配較小。

　　本文用真空蒸發(fā)方法制備了摻雜稀土Pr 的ZnTe薄膜。通過樣品的X 衍射圖譜和紫外可見吸收關(guān)系，研究了制備工藝條件和摻雜對(duì)ZnTe薄膜晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響。

1、實(shí)驗(yàn)

1.1、ZnTe的薄膜的制備

　　將清洗干凈烘干的玻璃襯底放入蒸發(fā)室，高純鋅和碲單質(zhì)取不同配比放入第一鉬舟中，摻雜元素Pr 放入第二鉬舟中，待蒸發(fā)室抽真空至10^-4 Pa 以上時(shí)進(jìn)行蒸發(fā)�？刂普舭l(fā)電流、蒸發(fā)時(shí)間即可得到ZnTe 薄膜。在300℃~500℃的不同溫度下對(duì)樣品進(jìn)行熱處理。

1.2、性能的測(cè)試

　　用X 射線衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試分析,根據(jù)衍射圖譜用謝樂公式計(jì)算了樣品的晶粒尺寸，晶格常數(shù)和晶胞體，用UV- 3100 雙光束紫外可見分光光度計(jì)測(cè)試了樣品的透射光譜，并根據(jù)Tauc 方程用外推法計(jì)算了各樣品的光學(xué)帶隙。用冷熱探針對(duì)所制備的樣品進(jìn)行導(dǎo)電類型的測(cè)試。用薄膜測(cè)厚儀對(duì)薄膜進(jìn)行厚度、折射率的測(cè)試。

2、結(jié)果與討論

2.1、薄膜的的物相與結(jié)構(gòu)

　　樣品的XRD 測(cè)試表明，未經(jīng)熱處理的樣品均呈現(xiàn)非晶態(tài)，熱處理后各不同配比的樣品均為立方相的閃鋅礦結(jié)構(gòu)的ZnTe，并未出現(xiàn)六方晶系的纖鋅礦結(jié)構(gòu)。圖1 為不同原子配比下的ZnTe薄膜X 衍射圖譜，熱處理溫度T=500℃。由圖可見，不同配比下樣品XRD 的擇優(yōu)取向均為（111）晶向，其三強(qiáng)峰分別對(duì)應(yīng)（111）、（220）、（311）晶向。隨著原子配比中Te 含量的增加，樣品的衍射峰逐漸減弱，并出現(xiàn)了Te 單質(zhì)的衍射峰。分析比較可知原子配比Zn∶Te=1∶0.7的樣品比較理想。

圖1 不同原子配比的ZnTe薄膜XRD譜T = 500℃

　　在Zn∶Te=1∶0.7 的基礎(chǔ)上對(duì)薄膜進(jìn)行了稀土元素鐠的摻雜，圖2 為Pr 摻雜ZnTe 薄膜的XRD圖譜，樣品的熱處理溫度均為T=500℃，稀土Pr摻雜ZnTe 薄膜的物相仍為立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)，擇優(yōu)取向仍為（111）晶向，表明摻雜并未改變薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，但摻雜Pr 影響了薄膜的結(jié)晶，使晶格發(fā)生畸變,隨著摻雜量的增加，樣品衍射峰逐漸降低。而且Pr 摻雜抑制了Zn 與Te 的化合,使Pr 與Zn 化合，出現(xiàn)合金PrZn 的物相。從而進(jìn)一步減弱了Zn 與Te 的化合，使樣品出現(xiàn)Te單質(zhì)的物相。

圖2 不同摻雜量的鐠摻雜ZnTe 薄膜的XRD 圖譜T=500℃　圖3 不同熱處理溫度的Pr 摻雜ZnTe 薄膜的XRD 圖譜摻雜源蒸發(fā)電流I=60A

　　圖3 不同溫度薄膜XRD 衍射圖譜表明，摻雜量的摻雜電流I=60A 時(shí)，分別對(duì)薄膜在熱處理溫度300℃、400℃、500℃時(shí)，稀土Pr 摻雜ZnTe的物相仍為立方晶系閃鋅礦結(jié)構(gòu)。當(dāng)薄膜的熱處理溫度升高，薄膜的結(jié)晶程度提高，薄膜的衍射峰增強(qiáng)。并在熱處理溫度500℃， 薄膜出現(xiàn)PrZn 的合金物相。所以適當(dāng)?shù)臒崽幚頃?huì)使和缺陷得到不程度的消除時(shí)，薄膜的微結(jié)構(gòu)的到一定的改善。

　　根據(jù)衍射譜線由謝樂公式：

D＝κλ/βcosθ

　　計(jì)算了樣品的晶粒尺寸，式中κ 為常數(shù)，θ為衍射角，λ 為X 射線的波長，β 為半高寬。樣品的晶粒尺寸、晶格常數(shù)、晶胞體積。表1 在熱處理溫度相同時(shí)，未摻雜樣品的的晶粒尺寸比摻雜樣品的的晶粒尺寸小. 這可能是由于摻入的Pr 代替Zn,兩者的離子半徑不同。晶格常數(shù)與晶胞體積先減小后增大。

表1 樣品的晶粒尺寸、晶格常數(shù)以及晶胞體積　表2 不同熱處理溫度的鐠摻雜ZnTe 薄膜的晶格常數(shù)、晶胞體積與晶粒尺寸摻雜源蒸發(fā)電流I=60A

　　當(dāng)溫度熱處理溫度從300℃增加到500℃，隨著熱處理溫度的升高，晶粒尺寸增大，薄膜在熱處理期間，可獲得足夠的自由能進(jìn)行表面的遷移、晶粒會(huì)產(chǎn)生相互團(tuán)聚，發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的重構(gòu)部分晶間消除使晶粒長大。