專利名稱：一種具有光伏效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有光伏效應(yīng)的材料，用于制造太陽能電池和光敏傳感器件。
背景技術(shù)：
1954年貝爾實驗室Chap in等人開發(fā)出首個pn結(jié)型硅太陽能電池，此后，人們對無 機太陽能電池進行了廣泛的研究?，F(xiàn)今，全球能源形勢緊張以及二氧化碳排放造成的氣候變暖等已嚴重威脅到經(jīng)濟 發(fā)展和人們的正常生活。因此，世界各國都在積極尋求新的能源，以替代傳統(tǒng)的石油、煤炭 等傳統(tǒng)能源，從而求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢地位。太陽能以其清潔、無公 害、安全等顯著優(yōu)勢，成為關(guān)注重點。而且，太陽能是真正取之不盡，用之不竭的能源。經(jīng)過人們的不斷努力，出現(xiàn)了以各種不同材料制作的太陽能電池，如以無機鹽砷 化鎵III-V化合物(公開號CN2349674)、硫化鎘、銅銦硒(公開號CN101150151)等多元化合 物為材料的太陽能電池；以功能高分子材料制備的大陽能電池和以納米多晶生物薄膜為材 料的太陽能電池(公開號CN1414641)等。1991年人們報道了關(guān)于染料敏化納米晶體太陽 能電池的研究(文獻 Brian 0' Regan and Michael Gratzel. Nature, 1991，353 :737_740)， 研究者以較低的成本得到了大于7%的光電轉(zhuǎn)化效率，開辟了太陽能電池發(fā)展史上一個嶄 新的時代，為利用太陽能提供了一條新的途徑。染料敏化太陽能電池主要是指以染料敏化 多孔納米結(jié)構(gòu)TiO2薄膜為光陽極的一類半導(dǎo)體光電化學電池。目前，染料敏化太陽能電池 的光電轉(zhuǎn)化效率已能穩(wěn)定在10%以上。但染料敏化太陽能電池還是缺乏對商業(yè)產(chǎn)品長期使 用的實測數(shù)據(jù)，而且其大面積制備技術(shù)，還有待發(fā)展。當前，太陽能電池主要以單晶硅和多晶硅太陽能電池為主，約占市場的80%左右。 pn結(jié)型硅太陽能電池的制作方法主要是氣體擴散和涂層擴散等。氣體擴散是將三氯氧磷 (POCl3)氣體在高溫(800 900°C)下向硅片中擴散，形成pn結(jié)，([日]濱川圭弘.太陽 能光伏電池及其應(yīng)用[M].第1版.北京科學出版社，2008，44.)。涂層擴散的方法是用含 磷的溶液替代氣體進行涂層和加熱(900°C)以形成pn結(jié)。一般都用第一種方法，然而三氯 氧磷是一種有強烈刺激性氣味的毒性液體。由于碳材料具有禁帶寬度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點，近年來人們開始關(guān)注碳材料的光生伏 特效應(yīng)。人們報道了用直流陰極弧方法制備的氮摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料具有光生 伏特效應(yīng)，在AMl的白光照射下開路電壓約為0.2伏特(Appl. Phys. Lett. 1994,64(17) 2297-2299)。研究者用過高溫分解和離子束濺射的方法制備碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料，在 一個太陽照射下η型碳/p型硅的開路電壓為0. 147伏特，轉(zhuǎn)換效率為0. 26%，ρ型碳/ η型硅的開路電壓為0.213伏特，轉(zhuǎn)換效率為0. 44% (Appl. Phys. Lett. 2000，77 (10)， 1472-1474)。他們優(yōu)化了結(jié)構(gòu)制作的η型碳/p型碳/p型硅，在一個太陽照射下開路電壓 為0. 339伏特，轉(zhuǎn)換效率提高到了 1.82%。碳材料太陽能電池的一篇綜述文章(Solar Energy Materials and Solar Cells. 2009,93(9) :1461_1470)中提到?jīng)]有元素摻雜的非晶碳薄膜光敏感性較弱，目前研究的非晶碳薄膜材料太陽能電池是非金屬元素摻雜的非晶碳/硅材料，例如磷、氮、硼元 素的摻雜。對于金屬元素摻雜的非晶碳薄膜太陽能電池鮮有報道。文獻(ACS Nano. 2009,3(6) :1407_1414.)報道了單壁碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)材料， 在一個太陽照射下的照射下轉(zhuǎn)換效率為2. 7 %，用S0C12修飾單壁碳納米管后轉(zhuǎn)換效率提高 到4. 5%。但單壁碳納米管價格昂貴，限制了單壁碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的應(yīng)用和發(fā) 展。碳材料儲量豐富，價格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，對人體無毒害，禁帶寬度可調(diào)節(jié)，在太陽能 電池材料方面有很好的應(yīng)用價值和應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有光伏效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料，用 于構(gòu)成半導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體(SIS)結(jié)構(gòu)或者半導(dǎo)體-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，它是一種以厚度為0. 5 1. 0毫米的單晶硅片為襯 底，用磁控濺射的方法將摻雜原子數(shù)含量為0 5%鈀的石墨復(fù)合靶濺射到拋光的硅基片 表面上，形成厚度為20 200納米的薄膜，制成鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅(SIS)結(jié)構(gòu)， 或者鈀摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料。該材料具有光伏效應(yīng)，可用于制造太陽能電池和光敏 傳感器件。該材料的制備是通過以下步驟實施(1)將純度為99. 9%鈀粉和純度為99. 9%的石墨粉按照原子比為0 5%的比例 混合、冷壓獲得含有0 5% (原子數(shù)含量)的鈀元素的鈀_石墨復(fù)合靶。(2)用摩爾濃度為20%的氫氟酸溶液浸泡實驗所需的厚度為0. 5 1. 0毫米的硅 基片5分鐘，然后依次用去離子水、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗硅基片5分鐘，或者不用氫 氟酸溶液浸泡(保留硅片的自然氧化層)，只用去離子水、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗硅 基片5分鐘。(3)將清洗好的硅基片放入濺射室，開啟抽真空系統(tǒng)進行抽真空。(4)當背景真空為2X10-4帕時，通入氬氣，并維持3帕的壓強，待氣壓穩(wěn)定后，開 始用摻鈀的石墨復(fù)合靶濺射，濺射功率為48瓦(濺射直流電壓0. 40千伏，濺射直流電流 0. 12安培)，濺射時間為5至120分鐘，濺射溫度為室溫至600°C。(5)濺射完畢后，停止通氬氣，抽真空系統(tǒng)繼續(xù)工作，使樣品在真空度較高的環(huán)境 下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫，取出樣品。由上述過程制備的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料，或者鈀摻雜碳薄膜/硅異 質(zhì)結(jié)材料的薄膜厚度為20 200納米，具有光生伏特效應(yīng)，即鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/ 硅材料的半導(dǎo)體_氧化物_半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在溴塢燈15毫瓦/厘米2的白光照射下，測得了開 路電壓Voc = 0.33伏特，短路電流密度Isc = 3.5毫安/厘米2，轉(zhuǎn)換效率n =4.7%，填 充因子FF = 0. 61。本發(fā)明的有益效果是所提供的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料，或者鈀摻雜碳 薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料，具有光生伏特效應(yīng)，可用于制造太陽能電池和光敏傳感器件。碳材料 儲量豐富，價格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，對人體無毒害，禁帶寬度可調(diào)節(jié)，在太陽能電池材料方面有 很好的應(yīng)用價值。


圖1為依據(jù)本發(fā)明所提出的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅(SIS)結(jié)構(gòu)材料制造的光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為在室溫下依據(jù)本發(fā)明所提出的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅(SIS)結(jié)構(gòu)材 料制造的光伏電池，用15毫瓦/厘米2的白光照射時，電流密度_電壓特性測試結(jié)果示意圖 (圖中有黑暗情況下的電流密度-電壓特性結(jié)果)。該材料的制備參數(shù)沉積溫度為350°C， 濺射時間為90分鐘，薄膜厚度約為100納米。圖3為依據(jù)本發(fā)明所提出的鈀摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料制造的光伏電池的結(jié)構(gòu) 示意圖。圖4為在室溫下依據(jù)本發(fā)明所制造的鈀摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料光伏電池，用 15毫瓦/厘米2的白光照射時，電流密度_電壓特性測試結(jié)果示意圖(圖中有黑暗情況下 的電流密度_電壓特性結(jié)果)。該材料的制備參數(shù)沉積溫度為350°C，濺射時間為90分 鐘，薄膜厚度約為100納米。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例來詳細描述本發(fā)明。實施例1，取純度為99. 9%的石墨粉，摻入純度為99. 9%的鈀粉，用冷壓法制成鈀 的原子數(shù)含量為的鈀-碳復(fù)合靶。用磁控濺射的方法將鈀-碳復(fù)合靶濺射到一塊厚度 為ι. O毫米的保留自然氧化層2的硅晶片1上，二氧化硅2的厚度約為1. 2納米，在硅晶片 上形成一層厚度為100納米的摻鈀碳薄膜3，在摻鈀碳薄膜3上濺射一層半透明銅薄膜4， 銅薄膜4作為上電極，7為銦背電極。在半導(dǎo)體-氧化物-半導(dǎo)體(SIS)結(jié)構(gòu)材料上接通直 流電源6，5為電流表，成為具有光伏效應(yīng)的SIS結(jié)構(gòu)，如圖1所示。濺射直流電壓為0. 40 千伏，濺射直流電流為0. 12安培，濺射沉積溫度為350°C，濺射時間為90分鐘。對樣品在室 溫下15毫瓦/厘米2的白光照射的電流密度_電壓特性進行了測試，測試結(jié)果如圖2所示。 結(jié)果表明在溴塢燈15毫瓦/厘米2的白光照射下，測得了開路電壓Voc = 0. 33伏特，短 路電流密度Isc = 3.5毫瓦/厘米2，轉(zhuǎn)換效率η = 4.7%，填充因子FF = 0.61。實施例2，取純度為99. 9%的石墨粉，摻入純度為99. 9%的鈀粉，用冷壓法制成鈀 的原子數(shù)含量為2%的鈀-碳復(fù)合靶。用磁控濺射的方法將鈀-碳復(fù)合靶濺射到一塊厚度 為1. 0毫米的硅晶片1上，在硅晶片上形成一層厚度為100納米的摻鈀碳薄膜3，在摻鈀碳 薄膜3上濺射一層半透明銅薄膜4，銅薄膜4作為上電極，7為銦背電極。在異質(zhì)結(jié)材料上接 通直流電源6，5為電流表，成為具有光伏效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)，如圖3所示。濺射直流電壓為0. 40 千伏，濺射直流電流為0. 12安培，濺射沉積溫度為350°C，濺射時間為90分鐘。對樣品在 室溫下毫瓦/厘米2的白光照射的電流密度_電壓特性進行了測試，測試結(jié)果如圖2所示。 結(jié)果表明在溴塢燈15毫瓦/厘米2的白光照射下，測得了開路電壓Voc = 0. 15伏特，短 路電流密度Isc = 3mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率η = 1. 3%，填充因子FF = 0. 44。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的具有光伏效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化硅/硅 材料，或者鈀摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料制成的光伏太陽能電池具有以下的優(yōu)點①具有 較高的轉(zhuǎn)換效率，而且結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好。②生產(chǎn)工藝簡單，成品率高。③碳材料儲量豐 富，價格便宜，性質(zhì)穩(wěn)定，對人體無毒害，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種具有光伏效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜材料，其特征是，厚度為0.5～1.0毫米的單晶硅片上濺射一層厚度為20～200納米的薄膜，該薄膜為摻雜原子數(shù)含量為0～5％鈀的碳薄膜，制成鈀摻雜碳薄膜/二氧化硅/硅材料或者鈀摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有光伏效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜材料，其特征是利用該材料的 光生伏特效應(yīng)，用于制造太陽能電池和光敏傳感器件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有光伏效應(yīng)的鈀摻雜碳薄膜材料，是在厚度為0.5～1.0毫米的單晶硅片上濺射一層厚度為20～200納米的薄膜，該薄膜為摻雜原子數(shù)含量為0～5％鈀的碳薄膜，制成鈀摻雜碳薄膜/二氧化硅/硅材料或者鈀摻雜碳薄膜/硅異質(zhì)結(jié)材料。該材料具有光生伏特效應(yīng)，可用于制造太陽能電池和光敏傳感器件，所制造的太陽能電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率，而且生產(chǎn)工藝簡單，成品率高。
文檔編號H01L31/18GK101807611SQ20101014044
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月1日
發(fā)明者呂成, 夏丹, 薛慶忠, 陳惠娟, 馬明 申請人:中國石油大學(華東)