热处理温度与Er掺杂量对氧化镍薄膜光学与电学特性的影响

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0069

摘要/Abstract

摘要： NiO作为一种新型宽禁带空穴传输材料，具有优异的光学、电学特性。本文采用溶胶凝胶法制备Er掺杂NiO薄膜，通过改变退火温度和Er掺杂浓度，对比探究热处理对NiO薄膜结构与光电特性的影响。研究表明，随着退火温度从300 ℃提升至600 ℃，NiO薄膜结晶性与可见光透过率增加，在500 ℃退火温度下具有最低的电阻率；随着Er掺杂浓度从2%提升至10%，NiO薄膜缺陷减少，晶粒尺寸增加，上转换发光性能呈先增加后降低的趋势，上转换和电学性能在Er掺杂量为8%时性能最佳。本研究优化制备的8% Er掺杂NiO薄膜，在500 ℃退火2 h具有最高上转换发光强度，最低电阻率为177.6 Ω·cm，最高迁移率0.48 cm²·V^-1·s^-1。本文从光谱转换和空穴传输层材料性能优化两个方面，为提升钙钛矿和硅基太阳电池光电转换效率的研究提供部分理论和实验依据。

关键词: NiO薄膜; Er掺杂; 溶胶凝胶法; 热处理; 光学性能; 电学性能

Abstract: As a new type of wide band gap hole transport material， NiO has excellent optical and electrical properties. Er doping NiO thin films were prepared by sol-gel method. The effects of annealing temperature and Er doping concentration on the structure and photoelectric properties of NiO thin films were investigated by changing the annealing temperature and Er doping concentration. The results show that crystallinity and visible light transmittance of NiO thin films increase with the increase of annealing temperature from 300 ℃ to 600 ℃， and the resistivity is the lowest at 500 ℃ annealing temperature. With the increase of Er doping concentration from 2% to 10%， the defects of NiO thin films decrease， the grain size increases， and the upconversion luminescence performance increases first and then decreases. The upconversion and electrical properties are the best when the Er doping concentration is 8%. The 8% Er doping NiO film optimized has the highest upconversion luminescence intensity after annealing at 500 ℃ for 2 h. The lowest resistivity is 177.6 Ω·cm and the highest mobility is 0.48 cm²·V^-1·s^-1. This paper successfully provides some theoretical and experimental basis for improving the photoelectric conversion efficiency of perovskite and silicon-based solar cells from two aspects of spectral conversion and hole transport layer material performance optimization.

Key words: NiO thin film; Er doping; sol-gel method; heat treatment; optical property; electrical property

中图分类号:

O484.4

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图/表 15

图1 不同退火温度下NiO薄膜的XRD图谱（a）和拉曼图谱（b）

Fig.1 XRD patterns （a） and Raman spectra （b） of NiO thin films at different annealing temperatures

表1 不同退火温度NiO样品的（200）晶面XRD衍射峰数据及谢乐公式计算的晶粒尺寸

Table 1 XRD diffraction peak data of （200） plane and crystallite sizes calculated by Scherrer formula for NiO samples at different annealing temperatures

Annealing temperature/℃	2θ/（°）	FWHM/（°）	Grain size/nm
300	43.21	0.792	10.39
400	43.19	0.684	12.03
500	43.27	0.532	15.47
600	43.29	0.509	16.16

图2 不同退火温度下NiO薄膜的SEM照片。（a）样品1-1；（b）样品1-2；（c）样品1-3；（d）样品1-4；（e）未退火样品（截面照片）；（f）样品1-3（截面照片）

Fig.2 SEM images of NiO thin films at different annealing temperatures. （a） Sample 1-1；（b） sample 1-2；（c） sample 1-3；（d） sample 1-4；（e） unannealed sample （cross-section image）；（f） sample 1-3 （cross-section image）

图3 不同退火温度下纯 NiO 薄膜的光学透射率（a）与光学带隙计算图谱（b）

Fig.3 Optical transmission curves （a） and optical band gap calculation （b） of pure NiO thin films at different annealing temperatures

表2 不同退火温度下NiO薄膜电阻率、迁移率、自由电子浓度测试结果

Table 2 Test results of resistivity， mobility and free electron concentration of NiO thin films at different annealing temperatures

Annealing temperature/℃	300	400	500	600
Resistivity /（Ω·cm）	585.5	530.5	370.6	433.4
Mobility /（cm²·V^-1·s^-1）	0.13	0.16	0.22	0.15
Carrier concentration/cm^-3	9.8×10¹⁵	2.2×10¹⁶	2.7×10¹⁶	7.6×10¹⁶

图4 300（a）和500 ℃（b）纯NiO薄膜的Ni 2p轨道 XPS分析

Fig.4 XPS spectroscopy of Ni 2p of pure NiO thin films 300 （a） and 500 ℃ （b）

表3 不同退火温度下纯NiO薄膜性能总结

Table 3 Summary of the properties of pure NiO thin films at different annealing temperatures

Sample	Annealing temperature/℃	Grain size/nm	100~800 nmmean transmittance	Optical band gap/eV	Resistivity/（Ω·cm）	Ni³⁺/Ni²⁺
1-1	300	10.39	72.8%	3.68	585.5	1.58
1-2	400	12.03	77.5%	3.62	530.5	—
1-3	500	15.47	79.6%	3.64	370.6	2.71
1-4	600	16.16	81.3%	3.64	433.4	—

图5 不同Er掺杂浓度下NiO薄膜的XRD图谱

Fig.5 XRD patterns of NiO thin films with different Er doping concentrations

表4 不同掺Er浓度NiO样品的XRD择优取向衍射峰数据及谢乐公式计算晶粒尺寸

Table 4 XRD diffraction peak data of preferred orientation and crystallite sizes calculated by Scherrer formula for NiO samples with different Er doping concentrations

Er doping concentration/%	2θ/（°）	FWHM/（°）	Grain size/nm
2	43.52	0.529	15.57
5	43.48	0.489	16.84
8	37.21	0.502	16.08
10	37.26	0.493	16.37

图6 不同Er掺杂浓度下NiO薄膜的SEM照片

Fig.6 SEM images of NiO films with different Er doping concentrations

图7 不同Er掺杂浓度下NiO薄膜的光学透射率（a）与光学带隙计算图谱（b）

Fig.7 Optical transmission curves （a） and optical band gap calculation （b） of different Er doping concentrations

图8 （a）980 nm激光照射下样品的上转换发光光谱；（b）样品的上转换发光强度提升倍数

Fig.8 （a） Up-conversion luminescence spectra of the sample under 980 nm laser irradiation；（b） the up-conversion luminescence intensity enhancement factor of the sample

表5 不同掺杂浓度下NiO薄膜电阻率、迁移率、自由电子浓度测试结果

Table 5 Test results of resistivity， mobility and free electron concentration of NiO thin films of different doping concentrations

Er doping concentration/%	0	2	5	8	10
Resistivity/（Ω·cm）	370.6	274.8	211.5	177.6	243.4
Mobility/（cm²·V^-1·s^-1）	0.22	0.34	0.40	0.48	0.31
Carrier concentration/cm^-3	2.7×10¹⁶	2.1×10¹⁶	3.0×10¹⁶	3.7×10¹⁶	3.9×10¹⁶

图9 不同Er掺杂浓度NiO薄膜的Ni 2p轨道XPS图。（a）2%；（b）5%；（c）8%；（d）2%掺Er浓度NiO的Er 4d轨道XPS图

Fig.9 XPS of Ni 2p in NiO thin films of different Er doping concentrations. （a） 2%；（b） 5%；（c） 8%；（d） XPS of Er 4d in 2% Er-doped NiO

表6 四种退火温度下纯NiO薄膜性能总结

Table 6 Summary of the properties of pure NiO thin films at different annealing temperatures

Sample	Er doping concentration/%	Grain size/nm	400~800 nm mean transmittance/%	Optical band gap/eV	Resistivity/（Ω·cm）	Upconversion luminescence enhancement factor/（G1/G2/R）	Ni³⁺/Ni²⁺
1-3	0	15.47	79.6	3.64	370.6	—	2.71
2-1	2	15.57	78.9	3.59	274.8	1/1/1	2.88
2-2	5	16.84	80.1	3.62	211.5	1.8/1.5/2	2.97
2-3	8	16.08	82.3	3.64	177.6	12/9/36	3.01
2-4	10	16.37	77.6	3.64	243.4	9/8/23	—

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