專利名稱：具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于新能源中薄膜太陽能電池及光電器件材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及具有光 伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的石化能源不斷枯竭，由此造成的環(huán)境污染也日 益嚴(yán)重。因此，如何高效地利用太陽能現(xiàn)已經(jīng)成為世界各國(guó)政府能源研究的重點(diǎn)，高效率低 成本太陽能電池的研制就是太陽能利用的重要途徑之一。太陽能光伏電池是由光電效應(yīng)把 光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。光伏效應(yīng)的工作原理是太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上形成空穴電 子對(duì)，在P-N結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由N區(qū)流向P區(qū)，電子由P區(qū)流向N區(qū)，接通電路后就形 成電流。通過改變PN結(jié)的串并聯(lián)形式，可以獲得不同數(shù)值的輸出電壓；通過改變光伏電池 的面積可以獲得不同的輸出功率。太陽能電池是一種清潔的可再生能源。盡管目前占主流 的太陽能電池是單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池，但是由于復(fù)雜的制備工藝和過高的生 產(chǎn)成本限制了它在日常生活中的廣泛應(yīng)用。
在整個(gè)的太陽輻照光譜中，可見光部分大概占48%，要想提高電池效率，充分利用 太陽光中紅外和近紅外部分的光非常重要，這就需要窄帶隙的光伏材料。非晶碳薄膜材料 因其制備方法多樣，材料便宜易得，結(jié)構(gòu)物質(zhì)穩(wěn)定度高，原材料資源豐富而且無毒，帶隙可 調(diào)性大等優(yōu)點(diǎn)，成為一種非常有可能提高太陽電池效率的新的材料。在上個(gè)世紀(jì)90年代，研究者們就開始了 a-C/Si太陽能電池材料的研究， 如 H. Kiyoda, K.Okano (Fabrication of metal-insulator-semiconductor devices usingpoIycrystalline diamond film，Jpn. J. App1. Phys. 30 (1991)L2015-L2017.)、 J. W. Glesener (A thin-film Schottky diode fabricated from flame-grown diamond， J. Appl. Phys. 70(1991)5144-5146.)首先對(duì)直接用非晶碳薄膜的弱ρ型與η型硅構(gòu)成異 質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的薄膜光伏材料進(jìn)行了研究。隨后許多的工作者展開了對(duì)此類材料的研究。如 Mohamad Rusop， Tetsuo Soga， Takashi Jimbo(Solar Energy Materials & SolarCells 90(2006)3214-3222)報(bào)道了用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)在單晶Si上制備 磷摻雜的非晶碳薄膜構(gòu)成n-C:P/p-Si太陽能電池。這種電池在一個(gè)人造太陽光的輻照下 開路電壓和短路電流密度分別達(dá)到0. 236V和7. 34mA/cm2。Ashraf Μ. Μ. 0mera_and Sudip Adhikari (APPLIED PHYSICS LETTERS87，2005 (161912))報(bào)道了用化學(xué)氣相沉積方法(CVD) 于硅基底上制備碘摻雜非晶碳薄膜的P-C: I/n-Si太陽能電池，在AM1.5，100mW/cm2光照 下得到 0. 177V 和 1. 15mA/cm2 的光伏效應(yīng)。而 Jiecai Han, Manlin Tan, Jiaqi Zhu, and Songhe Meng(APPLIED PHYSICS LETTERS 90，(2007)083508-083510)報(bào)道了用硼摻雜碳薄 膜制備的n-C:B/p-Si太陽能電池，開路電壓與短路電流達(dá)到0. 236V和7. 337mA/cm2。這些碳薄膜材料大多是用氣相方法沉積的，制備過程中大量使用了碳?xì)浠衔餁?體或氨氣等，或使用了有毒材料，從而對(duì)制備工藝的環(huán)保要求和安全要求都很高。且對(duì)光的 響應(yīng)的幅度還有待進(jìn)一步提高。高質(zhì)量的薄膜半導(dǎo)體結(jié)太陽能電池同時(shí)還應(yīng)該滿足以下要求1、薄膜表面平坦、連續(xù)、沒有裂紋；2、表面和界面無針孔，3、pn結(jié)面足夠平坦，且結(jié)區(qū)原子互擴(kuò)散需要得到抑制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料及其制備方法。具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，其特征在于在η型Si基片上依次設(shè) 有氧化鋁層和摻雜鐵的碳層，形成具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制備方法，其特征在于采用激光脈 沖沉積方法制備，將η型Si基片、Α1203單晶靶、Fe靶以及高純C靶放入激光脈沖沉積設(shè)備的 真空鍍膜室內(nèi)，用機(jī)械泵和分子泵將鍍膜室內(nèi)的背底抽真空，使背底真空維持在5 X IO-4Pa 以下，加熱基片至沉積溫度300°C 500°C，在上述沉積溫度下，用KrF激光器產(chǎn)生的脈沖 依次轟擊Al2O3單晶靶、Fe靶以及高純C靶，在η型Si基片上依次沉積Al2O3層、Fe層和非 晶碳層，沉積結(jié)束后，將薄膜材料維持在沉積溫度上退火IOmin 30min，讓Fe原子擴(kuò)散至 非晶碳層中，再自然冷卻至室溫，得到具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。所述Al2O3層沉積時(shí)間為3 4min，所述Fe層沉積時(shí)間為5 6min，所述非晶碳 層沉積時(shí)間為15min。所述Al2O3單晶靶純度為99. 99%。所述Fe靶純度為99. 99%。所述高純C靶純度為99. 9 %。本發(fā)明的有益效果為1.該材料具有性能優(yōu)越，價(jià)格低廉，是一種優(yōu)異的可見光傳感器材料和具有潛力 的光伏器件。在制備過程中，不使用任何有毒易燃易爆物質(zhì)。p-n結(jié)面平坦，結(jié)區(qū)原子互擴(kuò)散 通過薄層Al2O3得到有效抑制。初步的研究結(jié)果表明這種光電薄膜在室溫，100mW/cm2(AM 1.5)的模擬太陽光源照射下，器件的開路電壓達(dá)到436mV、短路電流為14mA/cm2、填充因子 在33%以上。同時(shí)，當(dāng)測(cè)試電壓為IV左右的條件時(shí)，薄膜的光電導(dǎo)變化可以達(dá)到400倍以 上。2.采用激光脈沖沉積方法制備該薄膜，方法簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，可控性好，具有較高 的制備效率。而且在薄膜沉積過程中，不用易燃易爆有毒的物質(zhì)，符合環(huán)保要求。


圖1為實(shí)施例1的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料的結(jié)構(gòu)及其光電導(dǎo)性能測(cè) 試的示意圖；圖2為實(shí)施例1所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料的室溫I_V傳輸特 性；圖3為不同鐵沉積量下所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料在光照下的 室溫I-V傳輸特性；圖4為實(shí)施例1所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料的不同測(cè)試電壓對(duì) 應(yīng)的光電導(dǎo)變化值；圖中標(biāo)號(hào)l、n型Si基片；2、Al2O3層；3、摻雜鐵的碳層；4、金屬電極。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明實(shí)施例1 具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料，在η型Si基片1 上依次設(shè)有氧化鋁層2和摻雜鐵的碳層3 (a-C:Fe層)，形成具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵 碳薄膜材料。采用激光脈沖沉積方法制備具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，該方法步 驟如下將η型Si (100)基片、Al2O3單晶靶、Fe靶以及高純C靶放入激光脈沖沉積設(shè)備的真 空鍍膜室內(nèi)，用機(jī)械泵和分子泵將鍍膜室內(nèi)的背底抽真空至5 X ICT4Pa后，加熱基片至沉積 溫度400士50°C，在上述沉積溫度下，用 KrF 激光器(Lambda Physics LPX205, 248nm, 25ns FWHM)產(chǎn)生的激光脈沖轟擊Al2O3單晶靶，沉積Al2O3層薄膜，激光脈沖能量為360mJ，頻率為 1Hz，沉積時(shí)間為4min，之后調(diào)整靶材，在同樣的沉積溫度下用轟擊Fe靶，沉積Fe層薄膜，激 光脈沖能量為300mJ，頻率仍為1Hz，沉積時(shí)間為5分鐘，之后再調(diào)整靶材，在同樣的沉積溫 度下轟擊高純C靶，沉積非晶碳層薄膜，激光脈沖能量為300mJ，脈沖頻率調(diào)整為6Hz，沉積 時(shí)間為15min，沉積結(jié)束后，將薄膜材料維持在沉積溫度上退火15min，讓Fe原子擴(kuò)散至非 晶碳層中，再自然冷卻至室溫，得到具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。所述Al2O3單晶靶純度為99. 99%,所述Fe靶純度為99. 99%,所述高純C靶純度 為 99. 9%。沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶基距約為50mm，激光束在靶材上的束斑大 小約為2X2mm。實(shí)驗(yàn)中所用η型Si (100)基片的電阻率為0. 55-0. 8 Ω .cm。實(shí)驗(yàn)前，將基 片依次放入丙酮和酒精中加熱超聲清洗2至3遍，每遍5min-10min，再用稀釋的HF酸溶液 進(jìn)行腐蝕處理。所制備的(a-C:Fe)/Al203/Si薄膜樣品的膜厚由TEM(JEM-2011)測(cè)量；界面 結(jié)構(gòu)同樣用TEM(JEM-2011)觀察；光電性能測(cè)試由太陽光模擬器(Oriel，91192)測(cè)量。本實(shí)施例制備的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料，其結(jié)構(gòu)及其光電性能測(cè)試 示意圖如圖1所示。所用金屬電極4為壓銦并形成歐姆接觸。此外，還考察不同摻鐵含量(Fe層沉積時(shí)間分別為3min、9min、12min，其余參數(shù)與 本實(shí)施例相同)以及本實(shí)施例(Fe層沉積時(shí)間為5min)制備的碳薄膜材料的室溫I_V傳輸 特性，結(jié)果如圖3所示，圖3為不同摻鐵含量碳薄膜材料的室溫I-V傳輸特性，同時(shí)也是不 同摻鐵量碳薄膜材料在相同光照(100mW/cm2(AM 1.5)的模擬太陽光源)下的光伏效應(yīng)響 應(yīng)比較圖?？梢钥闯觯∧ぶ袚借F含量對(duì)器件的光伏性能有重要影響，當(dāng)沉積鐵膜時(shí)間為 5min時(shí)光伏效應(yīng)最為顯著，開路電壓和短路電流分別達(dá)到436mV和14. ImA/cm2。鐵摻雜量 將直接影響器件的光伏性能。圖2為本實(shí)施例制備的摻鐵碳薄膜材料(Fe層沉積時(shí)間為5min)在恒壓源測(cè)試條 件下，不同測(cè)試電壓對(duì)應(yīng)的光電導(dǎo)變化值。在測(cè)試電壓為反偏壓小于IV時(shí)，黑暗條件下和 100mff/cm2(AM 1.5)的模擬太陽光照條件下探測(cè)到的電流之比，亦即暗電阻和光電阻之比 可以達(dá)到400倍以上。圖4為本實(shí)施例所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料(Fe層沉積時(shí)間為 5min)在光照(100mW/cm2(AM 1. 5)的模擬太陽光源)下的光電導(dǎo)變化值。從圖中可以看出，其電導(dǎo)變化可以達(dá)到200倍以上，大于文獻(xiàn)上報(bào)道的光電導(dǎo)變化值。
實(shí)施例2具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料，在η型Si基片上 依次設(shè)有氧化鋁層和摻雜鐵的碳層，形成具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。采用激光脈沖沉積方法制備具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，該方法步 驟如下將η型Si (100)基片、Al2O3單晶靶、Fe靶以及高純C靶放入激光脈沖沉積設(shè)備的真 空鍍膜室內(nèi)，用機(jī)械泵和分子泵將鍍膜室內(nèi)的背底抽真空至5 X ICT4Pa后，加熱基片至沉積 溫度450士50°C，在上述沉積溫度下，用 KrF 激光器(Lambda Physics LPX205, 248nm, 25ns FWHM)產(chǎn)生的激光脈沖轟擊Al2O3單晶靶，沉積Al2O3層薄膜，激光脈沖能量為360mJ，頻率為 1Hz，沉積時(shí)間為3min，之后調(diào)整靶材，在同樣的沉積溫度下用轟擊Fe靶，沉積Fe層薄膜，激 光脈沖能量為300mJ，頻率仍為1Hz，沉積時(shí)間為6分鐘，之后再調(diào)整靶材，在同樣的沉積溫 度下轟擊高純C靶，沉積非晶碳層薄膜，激光脈沖能量為300mJ，脈沖頻率調(diào)整為6Hz，沉積 時(shí)間為15min，沉積結(jié)束后，將薄膜材料維持在沉積溫度上退火15min，讓Fe原子擴(kuò)散至非 晶碳層中，再自然冷卻至室溫，得到具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。所述Al2O3單晶靶純度為99. 99%,所述Fe靶純度為99. 99%,所述高純C靶純度 為 99. 9%。沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶基距約為50mm，激光束在靶材上的束斑大 小約為2X2mm。實(shí)驗(yàn)中所用η型Si (100)基片的電阻率為0. 55-0. 8 Ω .cm。實(shí)驗(yàn)前，將基 片依次放入丙酮和酒精中加熱超聲清洗2至3遍，每遍5min-10min，再用稀釋的HF酸溶液 進(jìn)行腐蝕處理。本實(shí)施例所制備的(a-C:Fe)/Al203/Si摻鐵碳薄膜材料，只需加上較小的測(cè)試反 偏壓(< 1. 0V)即有非常靈敏的光電導(dǎo)效應(yīng)，黑暗條件下和100mW/cm2(AM 1. 5)的模擬太 陽光照條件下探測(cè)到暗電阻和光電阻之比達(dá)400倍以上。從制備工藝角度講，薄膜制備的 整個(gè)過程不必使用易燃易爆有毒的氣體，符合環(huán)保要求。
權(quán)利要求
具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料，其特征在于在n型Si基片上依次設(shè)有氧化鋁層和摻雜鐵的碳層，形成具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。
2.具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制備方法，其特征在于采用激光脈沖 沉積方法制備，將η型Si基片、Al2O3單晶靶、Fe靶以及高純C靶放入激光脈沖沉積設(shè)備的 真空鍍膜室內(nèi)，用機(jī)械泵和分子泵將鍍膜室內(nèi)的背底抽真空，使背底真空維持在5 X IO-4Pa 以下，加熱基片至沉積溫度300°C 500°C，在上述沉積溫度下，用KrF激光器產(chǎn)生的脈沖 依次轟擊Al2O3單晶靶、Fe靶以及高純C靶，在η型Si基片上依次沉積Al2O3層、Fe層和非 晶碳層，沉積結(jié)束后，將薄膜材料維持在沉積溫度上退火IOmin 30min，讓Fe原子擴(kuò)散至 非晶碳層中，再自然冷卻至室溫，得到具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制備方法，其特 征在于所述Al2O3層沉積時(shí)間為3 4min，所述Fe層沉積時(shí)間為5 6min，所述非晶碳層 沉積時(shí)間為15min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制備方法，其特 征在于所述Al2O3單晶靶純度為99. 99%。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制備方法，其特 征在于所述Fe靶純度為99. 99%。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料的制備方法，其特 征在于所述高純C靶純度為99. 9%。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于新能源中薄膜太陽能電池及光電器件材料技術(shù)領(lǐng)域的具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料及其制備方法。在n型Si基片上依次設(shè)有氧化鋁層和摻雜鐵的碳層，形成具有光伏和光電導(dǎo)效應(yīng)的摻鐵碳薄膜材料。該材料具有性能優(yōu)越，價(jià)格低廉，是一種優(yōu)異的可見光傳感器材料和具有潛力的光伏器件。采用激光脈沖沉積方法制備該薄膜，在制備過程中，不使用任何有毒易燃易爆物質(zhì)。這種光電薄膜在室溫，100mW/cm2(AM 1.5)的模擬太陽光源照射下，器件的開路電壓達(dá)到436mV、短路電流為14mA/cm2、填充因子在33％以上。同時(shí)，當(dāng)測(cè)試電壓為1V左右的條件時(shí)，薄膜的光電導(dǎo)變化可以達(dá)到400倍以上。
文檔編號(hào)H01L31/04GK101840941SQ20101011852
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2010年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日
發(fā)明者萬蔡華, 王集敏, 章曉中, 譚新玉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)