用作光伏電池的電極和窗口材料

       ZnO在適當的摻雜下表現出低阻特征。這一特性使得ZnO可用作太陽能電池的透明電極。同ITO相比,Al摻雜ZnO薄膜(AZO)無毒性,穩(wěn)定性好,材料價廉易得,在光伏電池和顯示器等領域正逐漸替代ITO薄膜。Al摻雜可使ZnO薄膜的禁帶寬度增大,且具有較高的透光率。高透光率和可調的禁帶寬度使其適合作為太陽能電池窗口材料。ZnO受高能粒子輻射損傷較小,適用于航天器太陽能電池板的制造。E.B.Yousfi等人利用ZnO薄膜作為透明導電膜,In2S3為緩沖層,制作了Cu (InGa)Se2/In2S3/ZnO光伏電池,穩(wěn)定的光電轉換效率達到13.5%。

      R.Groenen等人采用擴展熱等離子束工藝制備了AZO薄膜(T>80%,ρ>10-3Ω·cm),不含有Cd、Sn等重金屬元素,適用于p-i- nαSi:H 光伏電池,效率為7.7%,性能與Sn2O:F薄膜相當或略好。有關ZnO薄膜用于光伏電池的系統(tǒng)研究請參見文獻。

在發(fā)光器件的應用

      ZnO 薄膜p-n結是實現ZnO基發(fā)光二極管和激光器的關鍵。ZnO是一種理想的短波長發(fā)光材料,通過與CdO、MgO組成的混晶薄膜能夠得到可調的帶隙,覆蓋了從紅光到紫光的光譜范圍,有望開發(fā)出紫外、綠光和藍光等多種發(fā)光器件。由于ZnO是直接帶隙半導體,可以帶間直接躍遷的方式獲得高效率的輻射復合。H. Kim等人在200℃下用PLD法制得AZO薄膜(ρ=3.8 ×10-4Ω·cm, T=91%),用于有機發(fā)光二極管(OLED),在電流密度100A/m2時的外量子效率為0.3%,明顯提高了器件性能。ZnO激子束縛能為60meV,室溫下不離化,在高密度(大于240kW/cm2)3倍頻YAG:Nd激光器的353nm脈沖激光激發(fā)下,可以產生紫外受激發(fā)射。用激子復合來代替電子-空穴對的復合,可使受激發(fā)射的閾值降至240kW/cm2,激子發(fā)射溫度可達550℃,而且單色性很好。Z.K.Tang 等報道了55nm 厚的ZnO膜在3.0μJ/cm2能量密度照射下激子增益為320cm-1,高于同條件下GaN的激子增益,在LD等領域顯示出很大的開發(fā)應用潛力。

ZnO基紫外探測器

       基于ZnO的寬禁帶和高電導性質,可制作紫外探測器。ZnO與GaN、SiC等其他的寬帶隙材料相比,有更高的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、更好的抗輻照能力、較低的生長溫度、適合于長壽命器件等優(yōu)點。ZnO基三元合金MgxZn1-xO, 隨Mg組分的變化,可以使其帶隙在3.3eV(ZnO)到7.8eV(Mg)連續(xù)可調,實現太陽盲區(qū)紫外光的探測,因此對ZnO基紫外探測器的研究,具有重要的實際意義。

       紫外探測器被廣泛應用于天文學、燃料工程、水凈化處理、天際通訊及環(huán)境污染監(jiān)測等領域。目前使用的紫外探測器主要有紫外真空二極管、紫外光電倍增管和固體紫外探測器等,其中常用的是光電倍增管和硅基紫外光電二極管。硅基紫外光電管需要附帶濾光片,光電倍增管需要在高電壓下工作,而且體積笨重、效率低、易損壞且成本高,對于實際應用有一定的局限性。因而基于ZnO的紫外探測器是必然的發(fā)展趨勢。

作為緩沖層/襯底

       用于制作高效率激光器的GaN薄膜材料在制備方面難度較大,缺乏合適的襯底材料是重要原因。ZnO與GaN有相同的晶體結構,晶格常數相近,c軸方向的失配度為0.4%,a軸方向的失配度為1.9%。ZnO的n型摻雜可達1020cm-3,電學性能顯著優(yōu)于其它寬禁帶半導體材料。相對于氮化物半導體,ZnO切向模量較小,用其作緩沖層時,可使失配位錯不向GaN層延伸。因此,用ZnO作為緩沖層生長GaN薄膜,通常能夠順利生長出高質量的GaN薄膜,c軸擇優(yōu)取向ZnO薄膜的效果更佳。在某些應用中,通過選擇腐蝕,比較容易使ZnO與GaN分離。