摘要
摘要
多结叠层结构是提高太阳能电池光电转化效率的有效结构，这种结构是将
不同禁带宽度的半导体材料，按照禁带宽度的递增从底层到顶层依此叠加起来，
得到了空间用太阳能电池科研领域的重视。为了保证多结叠层太阳能电池的各
个子电池能充分利用不同波段的太阳光谱，顶电极材料需要允许宽波段的太阳
光谱透过。不透光的金属电极不再适合用作多结太阳能电池的大面积顶电极材
料，需要选择对太阳光的可见光波段透明的半导体薄膜电极材料。ITO是目前
最常用的透明电极材料，但是，ITO中的In元素在地球含量不高，价格昂贵，
而且In元素有毒性，生产和使用过程中的In泄露会对环境和人体造成危害。
因此，有必要寻找环境友好、储备丰富的新型宽禁带半导体材料来充当多结叠
层太阳能电池的透明电极。
γ-CuI是带隙为3.1eV的透明半导体，地球含量丰富、无毒、低成本，与多
种薄膜材料的兼容性良好，γ-CuI稳定的立方结构也使其易于在室温下合成。这
些特点使得γ-CuI半导体展现出了在透明电极领域应用的潜力。
本文在分析了国内外对γ-CuI薄膜研究的基础上，以优化γ-CuI薄膜的光
电特性为目的，基于气固反应的物理化学变化特点，在传统一步碘化法
（traditionalonestep,TOS）的基础上，利用新型层层碘化工艺（layerbylayer,
LBL）制备了CuI薄膜；基于离子掺杂工程，研究了硫作为受主掺杂物对γ-CuI
薄膜p型导电特性的加强；基于柔性太阳能电池的开发需求，制备了γ-CuI的
非晶薄膜体系；同时分析了室温层层碘化法、受主离子掺杂工程和非晶体系薄
膜中的结晶度、表面形貌、光学带隙、透过率以及导电特性演化规律，为优异
光电特性γ-CuI薄膜作为透明电极的应用奠定了理论基础。
为了提高铜膜碘化法制备的CuI薄膜的表面平整度，增强薄膜透过率，本
文利用层层碘化手段改变了气固反应成膜阶段，从而调控了薄膜的结晶特性和
表面形貌。单层膜厚为50nm和100nm的薄膜在厚度为400nm时，均展现出
了致密均匀的表面形态。其中，50nm/层的样品循环经历了成核、小岛产生、小
岛均匀长大3个过程；而100nm/层的样品则是通过成核、小岛产生、小岛长
大、沟道产生、沟道消失、岛相连成片这6个过程的演变来实现致密结构的。
与传统金属Cu厚膜一步碘化法制备CuI薄膜相比，金属Cu薄膜层层碘化法还
有两点优势：（i）金属Cu膜在沉积过程中填补了上一层CuI膜的孔隙和坑洼
处；（ii）上一层CuI薄膜对新一层CuI的成核和生长起到了种子层的作用。此
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哈尔滨工业大学博士学位论文
外，气固反应的温度也可以通过改变LBL-CuI薄膜的生长阶段，实现对CuI薄
膜结晶度和表面形貌的调控。后退火对样品结晶度的提高不明显，但有利于CuI
产物层沿着二维平面方向移动，从而促进了薄膜表面致密度的增加。层层退火
方式有效地提高了样品的结晶度。随着单层膜厚的降低，LBL-CuI薄膜的碘铜
比值逐渐增大，但高温气固反应温度和退火处理会使薄膜中碘含量损失严重。
单层膜厚对LBL-CuI薄膜的光电特性也有明显的影响，其中，50nm/层薄
膜的透过率为80%，电阻率ρ、迁移率μ和载流子浓度np达到最优，分别为
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0.04Ω·cm，8.2cm/(V·s)，以及2.5×10cm，且其品质因数（figureofmerit,
FOM）值是TOS-CuI薄膜的4倍之多。通过调控气固反应温度，LBL-CuI薄膜
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的迁移率提高至8.7cm/(V·s)。后退火方式将LBL-CuI薄膜的透过率优化至
90%，但其电阻率随着温度的升高发