專利名稱：一種金剛石薄膜太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及到一種空間能源技術(shù)領域的太陽能電池，具體涉及到一種應用 特殊結(jié)構(gòu)金剛石薄膜的太陽能電池。
背景技術(shù)：
太陽能是地球上一個用之不竭的可再生能源寶庫，太陽40分鐘內(nèi)投射到地 球表面的能量就相當于全世界每年消耗能量的總和。因此，如果能充分地利用 太陽能，人類的未來就有了保障。人類利用太陽能的想法其實由來已久，最早 是將它轉(zhuǎn)換為熱能加以利用，后來光伏效應的發(fā)現(xiàn)使太陽能轉(zhuǎn)化為電能成為可 能，從而為解決地球能源枯竭的問題提供了希望。
專家預測，到2030年太陽能發(fā)電將占世界發(fā)電總量的50%，所以，大力發(fā) 展太陽電池產(chǎn)業(yè)是一件有利于降低環(huán)境污染并造福于人類的偉大事業(yè)，太陽電 池也必將成為人類未來能源的希望之星。
從目前的發(fā)展狀況來看，由于受單晶硅材料價格和單晶硅電池制備過程的 限制，若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的，從而會阻礙太 陽電池的進一步推廣應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用具有特殊結(jié)構(gòu)的金剛石薄膜作為陰極的太 陽能電池。-
本發(fā)明的目的可通過以下技術(shù)措施實現(xiàn)-
在金屬陰極上生長有大量均勻分布的、3 4um尺度的金字塔形金剛石小 錐體，錐體的密度為每cm2面積一千萬量級；在電場作用下，利用錐體尖端的 場發(fā)射效應發(fā)射出電子，通過加熱陰極，達到100(TC以上的溫度，使發(fā)出的電 子數(shù)量大幅度增加，到達陽極后，形成電流。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施實現(xiàn)(1) 利用化學刻蝕方法或者激光直寫方法，在硅基底的表面加工出大量均勻
分布的、直徑約為5um的小孔，孔深度為4 5um，小孔在硅基底表面呈正方 形排列，孔間距約為10um，每cr^面積上的小孔數(shù)量在千萬量級；
(2) 利用微波等離子體化學氣相沉積方法(MPECVD)，在硅基底上生長金剛石 薄膜，工作氣體為氫氣(H》、甲烷(CH》和氧氣(0》；沉積參數(shù)為基片溫度1000 。C，微波功率3. 5kW，沉積室氣壓5kPa，氫氣流量200sccm，甲烷流量8sccm， 氧氣流量lsccm。小孔內(nèi)就會生長出金字塔形的金剛石小錐體，控制生長時間， 可以改變小錐體的尺度，使錐體底邊尺寸控制在3 4um范圍；
(3) 在生長有金字塔形金剛石小錐體的硅基底背面加上金屬層作為陰極，金 屬層上再加一層黑體吸熱材料，和金屬陽極組合，工作時在兩極間加上電場， 構(gòu)成金剛石薄膜太陽能電池。
本發(fā)明的目的還可以通過以下技術(shù)措施實現(xiàn)
利用聚光裝置，將太陽光聚集到陰極背面的黑體吸熱材料上，將陰極加熱
到ioo(TC，由于金剛石的良好導熱性，小錐體的尖端溫度也將接近ioocrc，金
剛石的能隙會因受熱降低，電子也會因熱振蕩從價帶躍遷至導帶。在外加電場 的作用下，會產(chǎn)生從陰極到陽極的電子流。
目前的晶體硅太陽能電池已經(jīng)商品化，但具有難以克服的缺點，包括轉(zhuǎn)換 效率低、電池承受溫度低以及抗空間輻射的能力低。
本發(fā)明涉及到的金剛石薄膜電池，光電轉(zhuǎn)換效率可以提升至50%，而且金 剛石可承受50(TC以上的高溫而不損壞，金剛石又是最耐空間輻射的材料，所 以它在太空中使用時不會受到宇宙線的影響。除此之外，金剛石的硬度最高， 所以不易磨損，它的散熱也最快，可以把熱能迅速擴散。這些優(yōu)越性能使金剛 石薄膜太陽能電池具有很好的發(fā)展前景。
金剛石太陽電池與目前的硅太陽電池最大的差異為前者使用"熱電效應"， 而后者為"光電效應"。前者可使用較低的太陽熱量，所以其發(fā)電的效率較硅太 陽電池高，另外，金剛石尖端也提供一個在真空中沒有電阻的通路，因此電子 流動會比硅半導體者暢通，產(chǎn)生的廢熱較小，這是它的能量效率可以提高的另 一原因。
圖1為太陽能電池陰極表面微觀形貌圖； 圖2為太陽能電池結(jié)構(gòu)機工作原理示意圖； 圖3為小錐體結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明中的金剛石薄膜太陽能電池主要由陰極、陽極和陰極上的黑體吸熱 層組成，其中陽極和普通太陽能電池的陽極沒有區(qū)別，而陰極是金屬層上具有 大量金字塔形小錐體的金剛石薄膜，在電場作用及高溫下，小錐體尖端發(fā)射出 大量電子，到達陽極，形成電流。
金剛石薄膜太陽能電池制作過程如下
(1) 利用化學刻蝕方法或者激光直寫方法，在硅基底的表面加工出大量均勻 分布的、直徑約為5um的小孔，孔深度為4 5um，小孔在硅基底表面呈正方 形排列，孔間距約為10um，每cm2面積上的小孔數(shù)量在千萬量級；
(2) 利用微波等離子體化學氣相沉積方法(MPECVD)，在硅基底上生長金剛石 薄膜，工作氣體為氫氣(H》、甲垸(CHJ和氧氣(02);沉積參數(shù)為基片溫度1000 °C，微波功率3.5kW，沉積室氣壓5kPa，氫氣流量200sccm，甲垸流量8sccm， 氧氣流量lsccm。小孔內(nèi)就會生長出金字塔形的金剛石小錐體，控制生長時間， 可以改變小錐體的尺度，使錐體底邊尺寸控制在3 4um范圍；
(3) 在生長有金字塔形金剛石小錐體的硅基底背面加上金屬層作為陰極，金 屬層上再加一層黑體吸熱材料，和金屬陽極組合，工作時在兩極間加上電場， 構(gòu)成金剛石薄膜太陽能電池。
利用聚光裝置，將太陽光聚集到陰極背面的黑體吸熱材料上，將陰極加熱 到100(TC，由于金剛石的良好導熱性，小錐體的尖端溫度也將接近100(TC，金 剛石的能隙會因受熱降低，電子也會因熱振蕩從價帶躍遷至導帶。在外加電場 的作用下，會產(chǎn)生從陰極到陽極的電子流。
權(quán)利要求
1、一種金剛石薄膜太陽能電池，其特征在于在金屬陰極上，分布大量金字塔形金剛石小錐體，通過聚光裝置加熱陰極，使陰極達到1000℃以上的溫度，使大量電子從小錐體的尖端發(fā)射出來，在外加電場的作用下，電子流向金屬陽極形成電流。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜太陽能電池的制作方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)(1) 利用化學刻蝕方法或者激光直寫方法，在硅基底的表面加工出大量均勻 分布的、直徑約為5um的小孔，孔深度為4 5um，小孔在硅基底表面呈正方 形排列，孔間距約為10um，每cm2面積上的小孔數(shù)量在千萬量級；(2) 利用微波等離子體化學氣相沉積方法(MPECVD)，在硅基底上生長金剛石 薄膜，工作氣體為氫氣(H》、甲垸(CH4)和氧氣(02);沉積參數(shù)為基片溫度1000 。C，微波功率3.5kW，沉積室氣壓5kPa，氫氣流量200sccm，甲垸流量8sccm， 氧氣流量lsccm。小孔內(nèi)就會生長出金字塔形的金剛石小錐體，控制生長時間， 可以改變小錐體的尺度，使錐體底邊尺寸控制在3、u m范圍；(3) 在生長有金字塔形金剛石小錐體的硅基底背面加上金屬層作為陰極，金 屬層上再加一層黑體吸熱材料，和金屬陽極組合，工作時在兩極間加上電場， 構(gòu)成金剛石薄膜太陽能電池。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的金剛石薄膜太陽能電池的工作原理，其特征在于 通過以下步驟實現(xiàn)利用聚光裝置，將太陽光聚集到陰極背面的黑體吸熱材料 上，將陰極加熱到1000。C，由于金剛石的良好導熱性，小錐體的尖端溫度也將 接近100(TC，金剛石的能隙會因受熱降低，電子也會因熱振蕩從價帶躍遷至導 帶；在外加電場的作用下，會產(chǎn)生從陰極到陽極的電子流。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種空間能源技術(shù)領域的太陽能電池，具體涉及到一種應用特殊結(jié)構(gòu)金剛石薄膜的太陽能電池及其制備方法。這種金剛石薄膜太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)包括陰極和陽極陰極結(jié)構(gòu)是在晶體硅表面大量均勻分布的小孔內(nèi)的尺寸為3～4μm的金字塔形金剛石小錐體，和金屬層組合形成陰極，陰極背面加上一層黑體吸熱材料，利用平板金屬作為陽極。太陽能電池的工作原理是，利用聚光裝置，將太陽光會聚到陰極背面的黑體吸熱材料上，將陰極加熱到1000℃以上，使大量電子從小錐體的尖端發(fā)射出來，在外加電場的作用下，電子流向金屬陽極形成電流。本發(fā)明涉及到的金剛石薄膜電池，光電轉(zhuǎn)換效率可以提升至50％，可承受500℃以上的高溫而不損壞，并耐空間輻射。
文檔編號H01J1/304GK101471214SQ20071030453
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月28日
發(fā)明者妮 任, 熊玉卿, 王多書, 羅崇泰, 馬勉軍 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所