温度调控Cu掺杂ZnTe薄膜的扩散动力学与电学性能优化研究

为解决CdTe太阳能电池中背接触电阻高和p型掺杂受限的问题，研究人员通过射频磁控溅射和电子束蒸发技术制备了Cu掺杂ZnTe薄膜，系统研究了温度对Cu扩散动力学及薄膜结构-电学性能的影响。研究发现150°C沉积+200°C退火样品(ZT-Cu_150_A200)获得最优电学性能：载流子浓度1.33×1020 cm-3、电阻率3.77×10-5 Ω·cm、迁移率1.68×103 cm2/V·s，为光伏器件背接触层设计提供了重要理论依据。

　　

在可再生能源需求激增的背景下，CdTe太阳能电池因其22%的高转换效率成为光伏市场的重要选择。然而，这类电池面临两大核心挑战：金属背接触处形成的肖特基势垒阻碍空穴收集，以及CdTe材料固有的p型掺杂限制。传统解决方案是通过形成Te富集层或引入高功函数缓冲层（即背表面场，BSF）来改善能带对齐，其中锌碲化物(ZnTe)因其5.3-5.8 eV的高功函数和2.26 eV带隙成为理想BSF材料。但如何精确调控ZnTe的电学性能，特别是通过铜(Cu)掺杂实现可控p型导电，仍是亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，来自未知机构的研究团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表了一项创新研究。他们采用射频(RF)磁控溅射结合电子束(E-beam)蒸发技术，在钠钙玻璃(SLG)基底上制备了Cu掺杂ZnTe薄膜，系统考察了沉积温度(RT/150°C/300°C)和快速热退火(RTA, 0°C/100°C/200°C)对材料性能的影响。通过X射线衍射(XRD)、拉曼光谱、霍尔效应测试和场发射扫描电镜(FESEM)等多维表征，揭示了温度驱动下Cu扩散动力学与电学性能的构效关系。

关键实验技术
研究采用三步法制备样品：(1) RF磁控溅射沉积ZnTe薄膜（功率密度2.5 W/cm²，Ar气压3 mTorr）；(2) E-beam蒸发沉积50 nm Cu层（真空度10^-6 Torr）；(3) 氮气氛围下进行1小时RTA处理。通过XRD分析晶体结构，拉曼光谱检测声子模式，霍尔效应测量电学参数，FESEM-EDX联用表征形貌与元素分布。

研究结果

3.1.1 XRD分析
所有样品均显示ZnTe(111)主导的锌矿结构。150°C沉积+200°C退火样品(ZT-Cu_150_A200)结晶度最佳，晶粒尺寸28 nm，晶格常数6.129 ?。300°C样品出现Cu_1.85Te第二相，表明高温导致Cu过度扩散。

3.1.2 拉曼分析
205 cm^-1处纵向光学声子(LO)模和410 cm^-1处二倍频(2LO)模的强度随退火温度升高而增强，300°C样品还出现610 cm^-1的三倍频(3LO)模，证实高温下更复杂的声子相互作用。

3.1.3 电学性能
ZT-Cu_150_A200表现出最优综合性能：p型导电，载流子浓度1.33×10²⁰ cm^-3，电阻率3.77×10^-5 Ω·cm，迁移率1.68×10³ cm²/V·s。300°C样品因Cu氧化导致电阻率骤增至7.45×10 Ω·cm。

3.1.4 光学性能
Tauc曲线显示带隙在3.18-3.27 eV间波动。300°C样品因Cu层粉化出现异常吸收谱，表明高温下界面稳定性恶化。

3.2 形貌分析
FESEM显示150°C沉积样品经200°C退火后晶粒尺寸增大且致密。EDX证实300°C时Cu含量从72%骤降至7%，而Zn占比升至64%，与Cu氧化挥发有关。

这项研究首次建立了ZnTe:Cu薄膜"沉积温度-退火工艺-性能表现"的完整构效关系图谱。其核心发现是：适度热激活（150°C沉积+200°C退火）能优化Cu的替代掺杂，而过高的温度（300°C）会引发Cu过度扩散和氧化，导致第二相形成和电学性能劣化。该工作为CdTe太阳能电池背接触层设计提供了明确的工艺窗口，其提出的温度调控策略也可推广至其他铜掺杂半导体体系。未来研究可探索Ag/Na共掺杂、纳米结构工程等方向，进一步突破ZnTe基材料的性能极限。