● 摘要
虽然透明导电氧化物(TCO)是一种传统的材料，但是它在新能源和污水处理等领域具有重要的应用。TCO薄膜是异质结和薄膜电池中的主要窗口层，它的光电性能会影响光伏电池整体的光电转换性能。TCO材料中的SnO2材料具有优异的电化学氧化性能，是一种非常有潜力DSA电极材料。论文主要研究了TCO薄膜的制备，光电性能以及TCO薄膜性能对新型光伏电池和DSA电极的影响。此外，本论文还研究了由ZnO和非晶硅组成的一维光子晶体BDR多层膜，分析了相关的光学性质。具体的五个主要研究内容如下。
首先，我们通过直流磁控溅射工艺，在玻璃基片上沉积了不同氧流量下的ITO薄膜。研究发现随着溅射氧流量的增加，ITO薄膜的光吸收减小并且光吸收边发生蓝移。我们采用了XPS分析表征了ITO薄膜中的氧空位浓度，发现氧空位浓度随着溅射氧流量的增加而增大。采用基于密度泛函理论的第一性原理对含有不同氧空位浓度的ITO的能带结构进行计算模拟。计算结果表明氧空位的增加会增加位于费米能级以下的态带，并且有第二个带隙的出现。这一计算结果在理论上解释了氧空位对吸收边产生蓝移的现象。
其次，为了研究开发高效率低成本的光伏电池，我们构建了由p型非晶硅和n型单晶硅构成的异质结光伏电池。主要通过数值计算模拟研究了这种电池的窗口层(TCO)对该电池性能的影响。详细地分析了这种电池在不同TCO功函数下的能带结构，量子效率和电场分布等性质来深入地理解该异质结光伏电池的运行机制。我们的研究结果表明，这种a-Si/c-Si异质结光伏电池对TCO层的功函数非常敏感。要得到高转换效率的P+ a-Si:H/N+ c-Si异质结光伏电池，TCO层的功函数要足够大。在数值计算理论上，优化各个性能参数后，P+ a-Si:H/N+ c-Si异质结光伏电池能够达到21.849%的转换效率，0.866的填充因子，29.32 mA/cm2的短路电流和0.861V的开路电压。
再次，虽然TCO/n-Si异质结光伏电池被制备出来已经有几十年了，但是发展到目前，其转换效率还是很低。为了能够进一步理解这种电池的运行机制和找到一种有效提高转换效率的方法，我们通过数值计算模拟了TCO层功函数对TCO/n-Si异质结光伏电池的影响。计算了不同功函数下该电池的能带结构，载流子寿命和施主浓度对其影响。研究结果表明该异质结光伏电池的转换效率，开路电压和填充因子都随着TCO功函数的增加而增加。分析TCO/n-Si异质结的能带结构，得到了高功函数的TCO薄膜能够增强该异质结的内建电场，从而提高了开路电压。在具有高功函数的TCO与单晶硅基底形成的异质结界面处，少数载流子的寿命得到了增强，提升了该异质结光伏电池的光电转换效率。研究结果表明提升TCO与单晶硅基底之间的功函数之差是提高异质结光伏电池性能的一种很有效的途径。
另外，由TCO材料中的ZnO与非晶硅(a-Si)所组成的一维光子晶体 DBRs多层膜被沉积制备。研究结果表明在这种DBRs结果中的本征非晶薄膜和掺杂非晶硅薄膜表面都存在表面等离子体振子(SPs)。我们观察到第一层是ZnO层的DBRs的光学带隙中存在光吸收现象。这一光吸收现象可以用存在a-Si薄膜样品中SPs与光子的耦合作用来解释，并且a-Si薄膜的多SPs效应解释了在可见光到近红外光范围内DBRs的多个分立光吸收峰。
SnO2对电化学降解有机物具有高效率和低成本的优点，而被公认为是一种电降解污水中有机物的最有前途的DSA电极材料。评价电极材料的电化学降解有机物的一个重要的性能参数是析氧过电位。在本论文中，我们用溶胶凝胶法制备钛基SnO2电极并研究了Zn和Sb共掺杂对提高SnO2薄膜析氧过电位的作用。通过分析Zn和Sb共掺杂SnO2薄膜的形貌，XRD和电化学性能，确定了这种材料是很适合用作处理污水的DSA电极材料。