V、In掺杂对CdO薄膜光电性能的影响研究

透明半导体氧化物（TCO）具有优良的导电性和在可见光区域透明的特征，被广泛应用于薄膜太阳能电池、显示及其他的光电器件领域。其中，CdO作为第一代的TCO在1907年被首次报道，但随后由于其相对窄的直接带隙（~2.2 eV）而未被广泛应用。近几年来，CdO特殊的电子能带结构再一次成为了研究热点。掺杂的CdO可实现吸收带隙扩展至> 3 eV. 此外，高电导率（> 10⁴ S·cm^-1）和400 ~>1500 nm范围内良好的光透过性使得CdO具有成为全光谱太阳能电池用TCO材料的巨大潜能。Cd具有填满的d电子壳层，当掺杂原子具有与Cd相似的或不同的d电子壳层时，所引起的电学和光学性能的变化是不一致的，深入研究掺杂背后的能带机理对于调控CdO光学和电学性能具有重要的理论指导意义。

本研究团队利用V和In分别掺杂的CdO薄膜探究不同类型的掺杂引起的光电性能的变化情况。Cd的电子构型为4d¹⁰5s²，V的电子构型为3d³4s²，In的电子构型为4d¹⁰5s²5p¹，V未充满的d轨道可能会在CdO基质中引入高度局域化的施主能级，并且这种局域化的能级可能会和CdO的能带相互作用，从而影响基质的能带分布。我们利用Band-anticrossing (BAC)理论解释了这种能带的变化。当V的掺杂浓度超过4%时，V掺杂引入的局域化d能级使得CdO的导带形成两个非抛物线型的次能带E₊和E_-。E₊具有更多局域化能级的特征，而E_-具有更多离散化能级的特征。随着掺杂浓度的升高，E₊逐渐从价带顶以上3.07 eV上移至3.45 eV，而E_-逐渐从价带顶以下2.20 eV下移至1.82 eV，这使得体系电子浓度已经达到饱和的状态下，吸收边还在持续地向高能量方向移动。而In与CdO具有类似的内层电子构型，其p轨道的电子作为浅施主能级的电子只增加了CdO基质的电子浓度而不会与CdO的能带相互作用。

相关研究工作得到了国家自然科学基金项目的资助和支持。