具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了属于新能源中薄膜太阳能电池及光电器件材料技术领域的具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料及其制备方法。在ｎ型Ｓｉ基片上依次设有氧化铝层和掺杂铁的碳层，形成具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料。该材料具有性能优越，价格低廉，是一种优异的可见光传感器材料和具有潜力的光伏器件。采用激光脉冲沉积方法制备该薄膜，在制备过程中，不使用任何有毒易燃易爆物质。这种光电薄膜在室温，１００ｍＷ／ｃｍ２（ＡＭ?１．５）的模拟太阳光源照射下，器件的开路电压达到４３６ｍＶ、短路电流为１４ｍＡ／ｃｍ２、填充因子在３３％以上。同时，当测试电压为１Ｖ左右的条件时，薄膜的光电导变化可以达到４００倍以上。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源中薄膜太阳能电池及光电器件材料
，特别涉及具有光 伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
随着现代工业的蓬勃发展，传统的石化能源不断枯竭，由此造成的环境污染也日 益严重。因此，如何高效地利用太阳能现已经成为世界各国政府能源研究的重点，高效率低 成本太阳能电池的研制就是太阳能利用的重要途径之一。太阳能光伏电池是由光电效应把 光能转化为电能的装置。光伏效应的工作原理是太阳光照在半导体P-N结上形成空穴电 子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形 成电流。通过改变PN结的串并联形式，可以获得不同数值的输出电压；通过改变光伏电池 的面积可以获得不同的输出功率。太阳能电池是一种清洁的可再生能源。尽管目前占主流 的太阳能电池是单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池，但是由于复杂的制备工艺和过高的生 产成本限制了它在日常生活中的广泛应用。 在整个的太阳辐照光谱中，可见光部分大概占48%，要想提高电池效率，充分利用 太阳光中红外和近红外部分的光非常重要，这就需要窄带隙的光伏材料。非晶碳薄膜材料 因其制备方法多样，材料便宜易得，结构物质稳定度高，原材料资源丰富而且无毒，带隙可 调性大等优点，成为一种非常有可能提高太阳电池效率的新的材料。在上个世纪90年代，研究者们就开始了 a-C/Si太阳能电池材料的研究， 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.)首先对直接用非晶碳薄膜的弱ρ型与η型硅构成异 质结结构的薄膜光伏材料进行了研究。随后许多的工作者展开了对此类材料的研究。如 Mohamad Rusop， Tetsuo Soga， Takashi Jimbo(Solar Energy Materials & SolarCells 90(2006)3214-3222)报道了用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)在单晶Si上制备 磷掺杂的非晶碳薄膜构成n-C:P/p-Si太阳能电池。这种电池在一个人造太阳光的辐照下 开路电压和短路电流密度分别达到0. 236V和7. 34mA/cm2。Ashraf Μ. Μ. 0mera_and Sudip Adhikari (APPLIED PHYSICS LETTERS87，2005 (161912))报道了用化学气相沉积方法(CVD) 于硅基底上制备碘掺杂非晶碳薄膜的P-C: I/n-Si太阳能电池，在AM1.5，100mW/cm2光照 下得到 0. 177V 和 1. 15mA/cm2 的光伏效应。而 Jiecai Han, Manlin Tan, Jiaqi Zhu, and Songhe Meng(APPLIED PHYSICS LETTERS 90，(2007)083508-083510)报道了用硼掺杂碳薄 膜制备的n-C:B/p-Si太阳能电池，开路电压与短路电流达到0. 236V和7. 337mA/cm2。这些碳薄膜材料大多是用气相方法沉积的，制备过程中大量使用了碳氢化合物气 体或氨气等，或使用了有毒材料，从而对制备工艺的环保要求和安全要求都很高。且对光的 响应的幅度还有待进一步提高。高质量的薄膜半导体结太阳能电池同时还应该满足以下要求1、薄膜表面平坦、连续、没有裂纹；2、表面和界面无针孔，3、pn结面足够平坦，且结区原子互扩散需要得到抑制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供。具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料，其特征在于在η型Si基片上依次设 有氧化铝层和掺杂铁的碳层，形成具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料。具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料的制备方法，其特征在于采用激光脉 冲沉积方法制备，将η型Si基片、Α1203单晶靶、Fe靶以及高纯C靶放入激光脉冲沉积设备的 真空镀膜室内，用机械泵和分子泵将镀膜室内的背底抽真空，使背底真空维持在5 X IO-4Pa 以下，加热基片至沉积温度300°C 500°C，在上述沉积温度下，用KrF激光器产生的脉冲 依次轰击Al2O3单晶靶、Fe靶以及高纯C靶，在η型Si基片上依次沉积Al2O3层、Fe层和非 晶碳层，沉积结束后，将薄膜材料维持在沉积温度上退火IOmin 30min，让Fe原子扩散至 非晶碳层中，再自然冷却至室温，得到具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料。所述Al2O3层沉积时间为3 4min，所述Fe层沉积时间为5 6min，所述非晶碳 层沉积时间为15min。所述Al2O3单晶靶纯度为99. 99%。所述Fe靶纯度为99. 99%。所述高纯C靶纯度为99. 9 %。本专利技术的有益效果为1.该材料具有性能优越，价格低廉，是一种优异的可见光传感器材料和具有潜力 的光伏器件。在制备过程中，不使用任何有毒易燃易爆物质。p-n结面平坦，结区原子互扩散 通过薄层Al2O3得到有效抑制。初步的研究结果表明这种光电薄膜在室温，100mW/cm2(AM 1.5)的模拟太阳光源照射下，器件的开路电压达到436mV、短路电流为14mA/cm2、填充因子 在33%以上。同时，当测试电压为IV左右的条件时，薄膜的光电导变化可以达到400倍以 上。2.采用激光脉冲沉积方法制备该薄膜，方法简单，工艺稳定，可控性好，具有较高 的制备效率。而且在薄膜沉积过程中，不用易燃易爆有毒的物质，符合环保要求。附图说明图1为实施例1的(a-C:Fe)/Al203/Si掺铁碳薄膜材料的结构及其光电导性能测 试的示意图；图2为实施例1所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si掺铁碳薄膜材料的室温I_V传输特 性；图3为不同铁沉积量下所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si掺铁碳薄膜材料在光照下的 室温I-V传输特性；图4为实施例1所得到的(a-C:Fe)/Al203/Si掺铁碳薄膜材料的不同测试电压对 应的光电导变化值；图中标号l、n型Si基片；2、Al2O3层；3、掺杂铁的碳层；4、金属电极。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明实施例1 具有光伏和光电导效应的(a-C:Fe)/Al203/Si掺铁碳薄膜材料，在η型Si基片1 上依次设有氧化铝层2和掺杂铁的碳层3 (a-C:Fe层)，形成具有光伏和光电导效应的掺铁 碳薄膜材料。采用激光脉冲沉积方法制备具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料，该方法步 骤如下将η型Si (100)基片、Al2O3单晶靶、Fe靶以及高纯C靶放入激光脉冲沉积设备的真 空镀膜室内，用机械泵和分子泵将镀膜室内的背底抽真空至5 X ICT4Pa后，加热基片至沉积 温度400士50°C，在上述沉积温度下，用 KrF 激光器(Lambda Physics LPX本文档来自技高网...

【技术保护点】
具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料，其特征在于：在ｎ型Ｓｉ基片上依次设有氧化铝层和掺杂铁的碳层，形成具有光伏和光电导效应的掺铁碳薄膜材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭新玉，章晓中，王集敏，万蔡华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]