摘 要

NiO作为一种p型透明导电金属氧化物半导体，具有非常优秀的电学和光学特性，因此被广泛应用于光电器件、太阳能电池等的科学研究当中。在新型能源研究日益火热的今天，研究NiO这一在太阳能电池领域很有价值的材料具有重要意义。

本文通过溶液法和磁控溅射法两种方法制备了NiO薄膜，在制备过程中通过控制变量的方法，得到了单一方法下制备温度存在区别的NiO薄膜样品。通过紫外-可见分光光度计对获得的NiO薄膜的透光性能进行了表征。通过测量的透射率数据对不同制备方法不同制备条件下NiO薄膜的透光性能进行了研究，研究结果对于如何获得质量较好的NiO薄膜具有指导意义。

论文主要研究了两点：一是通过溶液法和磁控溅射法两种方法制备的NiO薄膜的透光性能有什么区别；二是溶液法中不同的煅烧温度对制备的NiO薄膜的透光性能有什么影响。

研究结果表明：（1）溶液法制备样品的透射率高于磁控溅射法制备的样品；（2）溶液法制备的样品透射率存在波动，磁控溅射法制备样品的透射率则比较稳定；（3）两种方法制备的样品在近紫外区的透射率都较低；（4）随溶液法中煅烧温度增高，样品的透射率增高。

关键词：氧化镍；温度；溶液法；磁控溅射法；透射率

Abstract

As a p-type transparent conductive metal oxide semiconductor, NiO has excellent electrical and optical properties and is therefore widely used in the scientific research of photovoltaic devices and solar cells. In the increasingly hot new energy research, it is of great significance to study NiO, a valuable material in the field of solar cells.

In this paper, NiO thin films were prepared by solution method and magnetron sputtering method. In the preparation process, NiO thin film samples with different temperature were prepared by controlling the variables. The transmittance of the obtained NiO thin film was characterized by UV-Vis spectrophotometer. The influence of different preparation methods and different preparation conditions on the light transmission properties of NiO thin films was studied by measuring the transmittance data. The results of the study have guiding significance for obtaining better quality NiO thin films.

The paper mainly studied two points: one is the difference of the light transmission properties of NiO films prepared by solution method and magnetron sputtering method; the other is how the different calcination temperature in the solution method affects the prepared NiO film’s light transmission properties.

Research indicates:(1) The transmittance of the sample prepared by the solution method is higher than that of the sample prepared by the magnetron sputtering method. (2) The transmittance of the sample prepared by the solution method fluctuates, and the transmittance of the sample prepared by the magnetron sputtering method is relatively stable. (3) The samples prepared by the two methods have lower transmission in the near ultraviolet region. (4) In the solution method, if the calcination temperature increases, the transmittance of the sample will increase.

Key Words：Nickel oxide；temperature；sol-gel method；magnetron sputtering；transmittance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 NiO材料的基本特性 2

1.2.1 NiO的晶体结构 2

1.2.2 NiO的光学特性 3

1.3 NiO材料的研究与应用 3

1.4 论文的选题依据与研究内容 5

第2章 NiO薄膜的制备方法及性能表征方法 6

2.1 NiO薄膜的制备方法 6

2.1.1 溶液法介绍 6

2.1.2 磁控溅射法介绍 7

2.1.3 化学气相沉积法介绍 8

2.1.4 脉冲激光沉积法介绍 8

2.1.5 原子层沉积法介绍 9

2.2 NiO薄膜的性能表征方法 10

2.2.1 NiO薄膜的透光性能 10

2.2.2 NiO薄膜的光学禁带宽度 11

第3章 NiO薄膜的制备 12

3.1 衬底玻璃的清洗 12

3.2 溶液法制备NiO薄膜 12

3.2.1 溶液的配制 12

3.2.2 制备NiO薄膜 13

3.3 磁控溅射法制备NiO薄膜 14

3.3.1 磁控溅射法的一般流程 14

3.3.2 实验遇到的状况及结果 14

第4章 NiO薄膜的性能研究 16

4.1 数据测量过程简述 16

4.2 测量结果及分析 16

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 引言

当前人类社会发展最重要的三个问题可以说是能源问题、环境问题和生命健康问题^[1]，在这当中现代社会发展之路的重要基础毫无疑问是能源问题。在全球化石能源日益减少与枯竭的大背景下，寻求新的替代能源及相关科学技术成为目前全世界科学工作者迫在眉睫的重要议题。作为非常重要和常见的替代能源之一，太阳能相关研究得到了各国政府和业界的重视，因此近年以来得到了十分迅速的发展。由于在制造成本、工艺和环境等诸多方面存在的问题制约了自身的发展和应用，人们开始寻找能够替代传统硅太阳能电池的新型太阳能电池，研究与开发新的太阳能电池技术逐渐成为新的热点。在近年来涌现的多种新型技术中，作为第三代太阳能电池技术之一的有机太阳能电池存在多种优点，被认为在微型电子器件、建筑一体化、个人消费产品等领域都具有广泛的应用和发展前景^[2]。近年来有机太阳能电池相关技术发展迅速，各项技术指标日益接近能够商业化的标准，也许在不久的将来，我们就能看到有机太阳能电池技术就能为万千人类造福。

图1.1 2016年我国能源消费结构

图1.2 2012-2016年我国清洁能源消费占比变化

作为全球第一大能源消费国，在我国2016年的能源消费结构相关数据中，化石能源消费占总能源消费的80.3%，清洁能源消费占总能源消费的19.7%，从图1.1和图1.2可以看出，能源消费中化石能源仍占有主导地位，但清洁能源也在快速发展。由于化石能源存在众所周知的各种问题，寻求替代能源、开发新型清洁能源可以说是国家重要的战略目标，因此在我国与太阳能应用相关的光伏产业具有非常重要的战略地位，我国现有能源体系能够依靠光伏发电得到重要补充。具有轻便、可以折叠、安装成本较低等优点，而且在材料、加工等多个方面具有优势的有机太阳能电池，可以说是光伏产业研究与发展的重要方向之一。因此，加快推动对有机太阳能电池相关科学技术的研究，提高太阳能电池的能量转换效率及其他性能，逐渐推动有机太阳能电池制造的产业化，对我国乃至世界解决目前所面对的生态环境保护、可持续发展等事关未来的重要议题都具有不言自明的重要意义。

如何提高有机太阳能电池能量转换效率呢？提升方法之一就在于界面层的选择及优化^[3]，目前传统的界面层材料例如聚3,4－乙撑二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）具有许多缺点，因此研究新型界面材料是一件势在必行的事^[4,5]。无机金属氧化物就是目前研究比较热门的一类界面材料，本设计将要研究的就是一种无机金属氧化物——氧化镍（NiO）。从目前的研究情况来看，氧化镍（NiO）作为一种p型半导体具有宽的带隙（大于3.6eV），具有良好的透过率，是替代PEDOT:PSS非常好的选择，除了太阳能电池研究领域，氧化镍（NiO）在激光器、发光二极管等诸多光电相关的研究领域也被广泛应用。

1.2 NiO材料的基本特性

1.2.1 NiO的晶体结构

自然界中，天然的NiO材料作为一种过渡金属氧化物具有3d电子结构^[6]，NiO材料是一种非常典型的p型半导体材料，NiO材料的禁带宽度范围在3.6eV到4.0eV之间^[7]。如图1.3所展现的，NiO常见的稳定晶体结构与NaCl晶体结构相同，其结构属于立方晶系Fm-3m空间群，阴阳离子配位数均为6，NiO的晶格常数为a=b=c=0.418nm^[8]。

图1.3 NiO的结构示意图（实心为Ni原子，空心为O原子）^[9]

在通常NiO的制备过程中，想要获得具有完全化学计量比的NiO材料是比较难的，因为制备过程中经常会出现一些杂质或者缺陷。如果使用不同的制备方法得到NiO材料，其中Ni和O的化学计量比也会存在区别，但是按照经验，所获得的材料一般是以NiO、Ni₂O₃以及它们的混合体较为常见，一般来说，这些材料经过高温处理之后，其中的Ni₂O₃会转变为NiO^[10]。NiO材料的密度为6.67g/cm³（处于单晶状态下）^[9]，得益于NiO所具有的特殊电子结构，NiO在半导体以及光电器件研究领域拥有非常广泛的应用。

1.2.2 NiO的光学特性

NiO具有相当高的光学透过率（可见光范围），正因如此，作为一种p型透明导电金属氧化物，NiO经常被应用在诸多光电器件例如太阳能电池的科学研究中，当NiO被应用在太阳能电池上时，经常和其他材料结合，共同作为太阳能电池的电极使用。另外，NiO在紫外范围内所展现的特性也是相当良好的，在涉及到紫外范围的科学研究中也大有用武之地。

1.3 NiO材料的研究与应用

科学界对NiO材料的研究与制备最早可以追溯到二十世纪初，而随着光电技术的发展和人们的重视，在上世纪八九十年代，业界就已经对NiO 材料有了非常广泛的研究^[11]。近年以来，科学家们开发出来了许多方法应用在NiO材料的制备中，比较常见的有化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法、溶液法等等^[12]。随着制备工艺的不断开发和改善，所得到的NiO材料成品的质量也得到了明显提高。正如前文所言，NiO材料具有许多优秀的光电特性，因此是业界的一个研究热点，而制备工艺改进所带来的成品质量的提高，也进一步推动了人们对NiO研究的热情，因此，最近几年涌现出了不少NiO材料的相关研究成果。

2001年，Hotovy等人^[13]使用金属镍作为靶材，使用直流磁控反应溅射法，在具有一定比例的O₂和H₂的气体氛围中，在硅和氧化铝衬底上都成功得到了NiO薄膜。其实验结果表明所制备的薄膜主要成分是NiO，除此之外还有少量的Ni(OH)₂、Ni₂O₃以及金属Ni。其获得的NiO薄膜致密而且平整，呈现多晶结构，随着O分压的提高，获得的NiO晶粒尺寸基本不变，但是NiO薄膜明显变得更加致密了。

2006年，赵胜利等人^[9]利用VE-TO（真空蒸镀-热氧化）技术以及PLD（脉冲激光沉积）技术分别制备得到了NiO薄膜，利用XRD（X射线衍射）等测试手段表征了NiO薄膜的结构和性能。测试结果表明，其制备得到的NiO薄膜都属于典型立方结构。另外，如图1.4所示，XRD结果显示通过两种方法获得的NiO薄膜衍射峰强度存在不同，VE-TO（真空蒸镀-热氧化）技术比PLD（脉冲激光沉积）技术制备的NiO薄膜衍射峰强度明显更高，这表明前者制备的NiO薄膜质量更好。

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