專利名稱：一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)傳感器和光電器件材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種具有白光光伏效
應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源短缺和環(huán)境問題得到越來越多的重視，光伏發(fā)電因可以將太陽(yáng)能的光能直接 轉(zhuǎn)換為電能而備受關(guān)注。光伏發(fā)電技術(shù)的研究始于100多年以前。1839年法國(guó)物理學(xué)家貝 克勒爾(A. E. Becqurel)意外地發(fā)現(xiàn)，用兩片金屬侵入溶液構(gòu)成的伏打電池，光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生 額外的伏打電勢(shì)，他把這種現(xiàn)象稱為"光生伏打效應(yīng)"(photovoltaic effect)。半導(dǎo)體P_N 結(jié)器件在陽(yáng)光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，通常稱這種光伏器件為太陽(yáng)能電池。
目前工業(yè)化應(yīng)用的光伏材料主要是單晶和非晶硅光伏材料，無(wú)機(jī)鹽和功能高分子 材料正在研究之中。硅基光伏材料在制備和摻雜過程中大量使用硅烷、磷烷等有毒氣體。 有機(jī)物基光伏材料的合成與加工價(jià)格昂貴。而碳基光伏薄膜因其材料價(jià)格低廉，制備簡(jiǎn)單， 摻雜方便，是性價(jià)比極高的具有很好潛力的光電導(dǎo)材料。已有的碳基光伏薄膜的制備方 法主要是氣相沉積方法和PLD沉積等。氣相沉積方法的一個(gè)共同特點(diǎn)是在制備過程中普 遍使用諸如甲烷、氫氣、氨氣等易燃易爆有毒氣體([l]Namita Dutta Gupta， C. Longeaud， P. Chaudhuri， A. Bhaduri， S.Vignoli， Journal of Non_Crystalline Solids,2006，352 : 1307-1309 ; [2]Hare Ram Aryal，SudipAdhikari，Dilip Chandra Ghimire，Golap Kalita， Masayoshi Umeno， Diamond&Related Materials, 2008， 17 :680-683 ;[3]Z. Q.Ma， B.X.Liu. Boron_dopeddiamond_like amorphous carbon as p hotovoltaic films in solar cell. Solar E證gyMaterials&Solar Cells, 2001， 69 :339-344 ; [4]M. R固p and T. Soga. NanoscienceandNanotechnology， InternationalConferenceon Nanoscience andNanotechnology，2008，CPl 136， (NANO-Sci-Tech 2008));而且制備的碳薄膜是類金剛 石型的(DLC)，帶隙比較寬，在未摻雜之前薄膜的帶隙一般在2eV 3eV以上，對(duì)低能量的光 子吸收效率低。 非晶碳薄膜材料因其制備方法多樣，材料便宜易得，無(wú)毒無(wú)害，帶隙可調(diào)性大等 優(yōu)點(diǎn)成為光電導(dǎo)材料的有力候選者。Namita Dutta Gupta， C. Longeaud， P. Chaudhuri， A.Bhaduri， S. Vignoli， Journal of Non-Crystalline Solids, 2006，352 :1307—1309報(bào) 道了用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法(PECVD)制備非晶碳薄膜光電導(dǎo)材料的方法。這 種薄膜對(duì)可見光的響應(yīng)很微弱，但是對(duì)紫外光的響應(yīng)很靈敏，是潛在的紫外光探測(cè)器。文 獻(xiàn)Hare Ram Aryal， Sudip Adhikari， Dilip ChandraGhimire, Golap Kalita， Masayoshi Umeno， Diamond&Related Materials, 2008， 17 :680-683禾口文獻(xiàn)Prakash R. Somani， Savita P. Somania， M. Umeno， Physica E， 2008， 40 :2783-2786報(bào)道了使用微波表面波等離子體化 學(xué)氣相沉積方法制備碳薄膜材料的方法。這些碳薄膜材料都是用氣相方法沉積的，制備過 程中大量使用碳?xì)浠衔餁怏w和氨氣等，對(duì)制備工藝的環(huán)保要求和安全要求很高。通過PLD 沉積的摻B的碳膜作為活性層，M. Rusop等人制備了 B摻雜的非晶碳膜/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能
3電池。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料及其制備方法。本
發(fā)明制備的具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料以氧化鋁層為絕緣層，以摻雜鐵的碳層為
活性層，所制異質(zhì)結(jié)薄膜材料在室溫條件下對(duì)可見光有響應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生明顯光伏效應(yīng)。 —種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)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、鈷層和摻雜鐵的碳層，形成具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄
膜材料，其中，所述摻雜鐵的碳層為P型半導(dǎo)體，作為活性層，所述氧化鋁層為絕緣層，所述
鈷層為過渡層。 所述氧化鋁層厚度為2 3納米。 所述鈷層厚度為5 10納米。 所述摻雜鐵的碳層厚度為20 100納米。 —種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)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n型Si基片和靶材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)的背底真空抽至5 X 10—4Pa后，加熱基片至300°C 500°C ，在上述沉積 溫度下，用KrF激光器(Lambda Physics LPX205, 248nm， 25ns FWHM)產(chǎn)生的能量為240 360mJ的脈沖依次轟擊氧化鋁靶、鈷靶和摻雜鐵的碳靶，在脈沖轟擊靶材的同時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn) 靶材和基片的馬達(dá)，在n型Si基片上依次沉積氧化鋁層、鈷層和摻雜鐵的碳層，沉積結(jié)束 后，冷卻至室溫，得到Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料。 —種優(yōu)選的技術(shù)方案為所述沉積結(jié)束后，維持在沉積溫度上退火10min 30min，再冷卻至室溫。 —種優(yōu)選的技術(shù)方案為所述冷卻時(shí)先以3 6°C /min的降溫速率降溫至IO(TC 再自然冷卻至室溫。 所述鈷靶由純度> 99. 99wt^的鈷粉熱壓而成。 所述摻雜鐵的碳靶采用如下方法制備將純度均> 99. 99wt^的碳粉和鐵粉混 合，再球磨，然后熱壓而成摻雜鐵的碳靶，其中鐵粉用量占碳粉和鐵粉總重量的4 6%，優(yōu) 選5%。 本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明真空為10-4Pa量級(jí)條件下，在沉積溫度30(TC 50(TC下，在n-Si(100)基片上了依次沉積氧化鋁層、鈷層和摻雜鐵的碳層，得到Fe-C/Co/ Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其中，摻雜鐵的碳層為p型半導(dǎo)體，作為活性層，厚度在20 100 納米之間；氧化鋁層為絕緣層，厚度在2 3納米之間；鈷層為過渡層，厚度在5 10納米 之間。所得到Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料在室溫的白光或可見光波段下對(duì)可見光 有響應(yīng)，具有明顯的光伏效應(yīng)，在100mW/cm2的白光照射下(金鹵燈提供)，可產(chǎn)生0. 15 0. 30V的開路電壓，或電流密度為2 4mA/cm2的短路電流，本發(fā)明的產(chǎn)品性能優(yōu)越，是一種 優(yōu)異的可見光傳感器和有潛力的光伏材料。 采用激光脈沖沉積方法(Pulse laser d印osition，PLD)制備薄膜，采用的原材料 成本低，方法簡(jiǎn)單，工藝穩(wěn)定，可控性好，無(wú)污染，具有很高的制備效率。


圖1為Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料光伏性能測(cè)試示意圖； 圖3為實(shí)施例1所得到的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料的室溫I_V特性。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明
實(shí)施例1 —種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料，在n-Si (100)基片上依次沉積氧化鋁 層、鈷層和摻雜鐵的碳層，形成具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其 中，所述摻雜鐵的碳層為P型半導(dǎo)體，作為活性層，厚度為80納米；所述氧化鋁層為絕緣層， 厚度為3納米；所述鈷層為過渡層，鈷層厚度為10納米。 上述具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，采用激光脈沖沉積 方法制備，方法如下將n-Si(100)基片和靶材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)的背底真空抽至5 X 10—4Pa后，加熱基片至350°C ，在上述沉積 溫度下，用KrF激光器(Lambda Physics LPX205,248nm， 25ns FWHM)產(chǎn)生的能量為300mJ 的脈沖依次轟擊氧化鋁靶、鈷靶和摻雜鐵的碳靶，在脈沖轟擊靶材的同時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶材和 基片的馬達(dá)，在n-Si (100)基片上依次沉積3納米厚的氧化鋁層、10納米厚的鈷層和80納 米厚的摻雜鐵的碳層，沉積結(jié)束后，在沉積溫度上退火20min，先以5°C /min的降溫速率降 溫至IO(TC再自然冷卻至室溫，得到Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料。
所述氧化鋁耙是具有純度> 99. 999wt%的單晶結(jié)構(gòu)耙。
所述鈷靶由純度> 99. 99wt^的鈷粉熱壓而成。 所述摻雜鐵的碳靶采用如下方法制備將純度均> 99. 99wt^的碳粉和鐵粉混 合，再球磨，然后熱壓而成摻雜鐵的碳靶，其中鐵粉用量占碳粉和鐵粉總重量的5% 。
沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶基距為50mm，激光束在靶材上的束斑大小 約為2X4mm，激光重復(fù)頻率控制在1 6Hz。實(shí)驗(yàn)中所用基片為n型Si (100)基片，電阻率 為O. 55 0. 8Q cm，大小為10X5X0. 5mm。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，再用稀釋的HF酸溶液進(jìn)行腐蝕處理。然后再放入激光脈沖沉積設(shè)備中 進(jìn)行沉積。 本發(fā)明所制備的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料樣品的各層膜厚由 TEM(JEM-2011)測(cè)量；形貌用SEM(JSM-6301F)禾P TEM觀察；IV性能用四電極法由 Keithley2400電流電壓表測(cè)量；光源由金鹵燈提供。 Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其光伏性能測(cè)試原理圖如 圖2所示，本實(shí)施例制備的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料其光伏性能的測(cè)量結(jié)果(室 溫I-V特性)如圖3所示。從圖中可以看出，在100mW/cm2的白光照射下，可產(chǎn)生O. 15V的 開路電壓(與橫坐標(biāo)的交點(diǎn))，或電流密度為2mA/cm2的短路電流，與縱坐標(biāo)的交點(diǎn)為電流， 電流密度為電流除以電極面積，在本實(shí)施例，電極面積為0. 3cm2。
實(shí)施例2 —種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料，在n-Si (100)基片上依次沉積氧化鋁
5層、鈷層和摻雜鐵的碳層，形成具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其 中，所述摻雜鐵的碳層為P型半導(dǎo)體，作為活性層，厚度為90納米；所述氧化鋁層為絕緣層， 厚度為2納米；所述鈷層為過渡層，鈷層厚度為8納米。 上述具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，采用激光脈沖沉積 方法制備，方法如下將n-Si(100)基片和靶材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)的背底真空抽至5 X 10—4Pa后，加熱基片至450°C ，在上述沉積 溫度下，用KrF激光器(Lambda Physics LPX205, 248nm， 25ns FWHM)產(chǎn)生的能量為350mJ的 脈沖依次轟擊氧化鋁靶、鈷靶和摻雜鐵的碳靶，在脈沖轟擊靶材的同時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶材和基 片的馬達(dá)，在n-Si (100)基片上依次沉積2納米厚的氧化鋁層、8納米厚的鈷層和90納米厚 的摻雜鐵的碳層，沉積結(jié)束后，在沉積溫度上退火30min，冷卻至室溫，得到Fe-C/Co/Al203/ Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料。 所述氧化鋁耙是具有純度> 99. 999wt^的單晶結(jié)構(gòu)耙。
所述鈷耙由純度> 99. 99wt^的鈷粉熱壓而成。 所述摻雜鐵的碳靶采用如下方法制備將純度均> 99. 99wt^的碳粉和鐵粉混 合，再球磨，然后熱壓而成摻雜鐵的碳靶，其中鐵粉用量占碳粉和鐵粉總重量的4% 。
沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶基距為50mm，激光束在靶材上的束斑大小 約為2X4mm，激光重復(fù)頻率控制在1 6Hz。實(shí)驗(yàn)中所用基片為n型Si (100)基片，電阻率 為O. 55 0. 8Q cm，大小為10X5X0. 5mm。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，再用稀釋的HF酸溶液進(jìn)行腐蝕處理。然后再放入激光脈沖沉積設(shè)備中 進(jìn)行沉積。 本實(shí)施例制備的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料其光伏性能的測(cè)量結(jié)果(室 溫I-V特性)如下，在100mW/cm2的白光照射下，可產(chǎn)生O. 30V的開路電壓，或電流密度為 2. 2mA/cm2的短路電流。
實(shí)施例3 —種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料，在n-Si (100)基片上依次沉積氧化鋁 層、鈷層和摻雜鐵的碳層，形成具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其 中，所述摻雜鐵的碳層為P型半導(dǎo)體，作為活性層，厚度為100納米；所述氧化鋁層為絕緣 層，厚度為2納米；所述鈷層為過渡層，鈷層厚度為6納米。 上述具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，采用激光脈沖沉積 方法制備，方法如下將n-Si(lOO)基片和靶材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)的背底真空抽至5 X 10—4Pa后，加熱基片至400°C ，在上述沉積 溫度下，用KrF激光器(Lambda Physics LPX205,248nm， 25ns FWHM)產(chǎn)生的能量為250mJ 的脈沖依次轟擊氧化鋁靶、鈷靶和摻雜鐵的碳靶，在脈沖轟擊靶材的同時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶材和 基片的馬達(dá)，在n-Si (100)基片上依次沉積2納米厚的氧化鋁層、6納米厚的鈷層和100納 米厚的摻雜鐵的碳層，沉積結(jié)束后，在沉積溫度上退火25min，冷卻至室溫，得到Fe-C/Co/ Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料。 所述氧化鋁耙是具有純度> 99. 999wt^的單晶結(jié)構(gòu)耙。
所述鈷靶由純度> 99. 99wt^的鈷粉熱壓而成。 所述摻雜鐵的碳靶采用如下方法制備將純度均> 99. 99wt^的碳粉和鐵粉混
6合，再球磨，然后熱壓而成摻雜鐵的碳靶，其中鐵粉用量占碳粉和鐵粉總重量的6% 。
沉積過程中的其他工藝參數(shù)還包括靶基距為50mm，激光束在靶材上的束斑大小 約為2X4mm，激光重復(fù)頻率控制在1 6Hz。實(shí)驗(yàn)中所用基片為n型Si (100)基片，電阻率 為O. 55 0. 8Q cm，大小為10X5X0. 5mm。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，再用稀釋的HF酸溶液進(jìn)行腐蝕處理。然后再放入激光脈沖沉積設(shè)備中 進(jìn)行沉積。 本實(shí)施例制備的Fe-C/Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料其光伏性能的測(cè)量結(jié)果(室溫 I-V特性)如下，在100mW/cm2的白光照射下，可產(chǎn)生0. 20V的開路電壓，或電流密度為3mA/ cm2的短路電流。
權(quán)利要求
一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)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、鈷層和摻雜鐵的碳層，形成具有白光光伏效應(yīng)的Fe-C/Co/Al2O3/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其中，所述摻雜鐵的碳層為p型半導(dǎo)體，作為活性層，所述氧化鋁層為絕緣層，所述鈷層為過渡層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其特征在于，所 述氧化鋁層厚度為2 3納米。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其特征在于， 所述鈷層厚度為5 10納米。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其特征在 于，所述摻雜鐵的碳層厚度為20 100納米。
5. —種制備如權(quán)利要求1所述的具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料的方法，其特征 在于，采用激光脈沖沉積方法制備，將n型Si基片和靶材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)的背底真空抽至5 X 10—4Pa后，加熱基片至300°C 50(TC，在上述沉積溫度下，用KrF激光器產(chǎn)生的能量為240 360mJ的脈沖依次轟擊氧化 鋁靶、鈷靶和摻雜鐵的碳靶，在脈沖轟擊靶材的同時(shí)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)靶材和基片的馬達(dá)，在n型 Si基片上依次沉積氧化鋁層、鈷層和摻雜鐵的碳層，沉積結(jié)束后，冷卻至室溫，得到Fe-C/ Co/Al203/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種制備具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料的方法，其特 征在于，所述沉積結(jié)束后，維持在沉積溫度上退火10min 30min，再冷卻至室溫。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種制備具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料的方法， 其特征在于，所述冷卻時(shí)先以3 6°C /min的降溫速率降溫至IO(TC再自然冷卻至室溫。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種制備具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料的方法， 其特征在于，所述鈷耙由純度> 99. 99wt^的鈷粉熱壓而成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的一種制備具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料的方法， 其特征在于，所述摻雜鐵的碳靶采用如下方法制備將純度均> 99. 99wt^的碳粉和鐵粉 混合，再球磨，然后熱壓而成摻雜鐵的碳靶，其中鐵粉用量占碳粉和鐵粉總重量的4 6%。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于光學(xué)傳感器和光電器件材料技術(shù)領(lǐng)域的一種具有白光光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)薄膜材料及其制備方法。本發(fā)明真空為10-4Pa量級(jí)條件下，在沉積溫度300℃～500℃下，在n-Si(100)基片上了依次沉積氧化鋁層、鈷層和摻雜鐵的碳層，得到Fe-C/Co/Al2O3/Si異質(zhì)結(jié)薄膜材料，其中，摻雜鐵的碳層作為活性層，厚度為20～100納米；氧化鋁層為絕緣層，厚度為2～3納米；鈷層為過渡層，厚度為5～10納米。所得產(chǎn)品在室溫的白光或可見光波段下對(duì)可見光有響應(yīng)，具有明顯的光伏效應(yīng)，在100mW/cm2的白光照射下，可產(chǎn)生0.15～0.30V的開路電壓，或電流密度為2～4mA/cm2的短路電流。
文檔編號(hào)H01L31/08GK101777590SQ20101003431
公開日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者萬(wàn)蔡華, 吳利華, 章曉中 申請(qǐng)人:清華大學(xué)