专利名称：太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及的主要是一种太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法。属于半导体材料领域。
目前常用的硅单晶太阳能电池的光谱响应峰值位于0.7～0.8μm，而太阳能光谱的峰值0.4～0.5μm，砷化镓太阳电池的峰值接近于太阳光谱的峰值，较硅太阳电池有改善，但仍然存在着不匹配的问题，其原因是这些材料固有的能隙宽度决定了它们的响应峰值。砷化镓电池在生产过程中还伴有毒性污染气体排放，破坏了生态环境。1996年美国D.C.Ingran，申报过一项专利(US.Patent.No.5,055,421)“非晶氢化碳薄膜光伏电池”，但仅提到对非晶网络氢化的碳膜，在非晶硅薄膜中，氢化的作用是钝化硅原子的空缺位——即悬挂键，减少光生载流子的复合中心密度，提高载流子迁移率，而碳原子要比硅原子小，非晶碳中缺陷中心对载流子的散射截面也较非晶硅材料的小，所以，非晶碳薄膜的载流子迁移率可达到103cm2V-1S，超过和达到单晶硅、砷化镓材料的水平，比非晶硅的0.1cm2V-1S-1要大得多。氢化非晶碳电阻率高，也不适宜作太阳能光伏材料。寻求一种可再生的绿色环保型高效低成本太阳电池是人类未来能源的出路。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法。
本发明的技术方案如下本发明碳膜沉积源用的靶材是高纯(99.999％)石墨靶，物理溅射沉积薄膜，氩气作溅射气源，或可掺入氢气作氢化，溅射气压在0.05～10Pa范围内，方法有射频溅射、直流磁控溅射、离子束溅射等，溅射时可选气态掺杂源作为掺杂剂，如掺氮时，选NH3或N2气体。
具体技术方案是1、碳-碳原子以金刚石形式所形成的杂化(SP3)和碳-碳原子以石墨形式所形成的杂化(SP2)杂化键成分的控制通过控制溅射工艺中的衬底偏压，RF、直流溅射可控制入射到衬底上的带电氩离子对衬底轰击能量，来控制SP3、SP2杂化键成分，通常氩离子能量在100ev，或者衬底偏压在110v～120v，可得到SP3最为丰富的薄膜。
2、SP2团族尺寸的控制，通过控制溅射工艺功率和偏压大小结合控制溅射气压，可改变薄膜中的SP2团族的大小，溅射气压越大，SP2团族尺寸越大，但薄膜的坚硬度明显减弱，通常气压选定在0.1～10Pa之内。衬底偏压在90v～100v，SP2团族较小，而偏压在100v～110v时，SP2团族较大。
3、电阻率的控制通过对薄膜作氮掺杂、硼掺杂和磷掺杂，可降低薄膜的电阻率或提高光电导增益，氮掺杂是由氩气中掺氮气来实现的，溅射混合气体按氮气在送入溅射室内的总气体中体积比10～30vol％配比，而硼、磷掺杂是选用高纯硼、磷粉(99.999％)按一定配比分别掺入高纯石墨粉中，压制烧结成形。
根据上述技术方案，本发明的实施例如下1、掺氮非晶碳与单晶硅异质结用直流磁控溅射工艺制备非晶碳膜，掺氮非晶碳为n型导电薄膜材料，与P型单晶硅形成异质结，具有整流特性，光照下，具有光伏特性，用蒸镀银做成迎光面栅电极，背面为银浆电极，AM1.5光照下，开路电压达300mV，短路电流达20mA/cm2。
2、掺氮非晶碳与CuInSe2多晶薄膜形成异质结，在金属衬底上用电镀法制备一层多晶的P型CuInSe2薄膜，再在其上用射频溅射工艺沉积一层掺氮非晶碳形成异质结；开路电压达170mV。
3、在玻璃衬底上先用常用化学汽相沉积工艺喷涂一层透明导电铟、锡氧化物膜，电阻率为3～8×10-3Ωcm；再在其上用直流磁控溅射工艺沉积一层掺氮非晶碳，形成的异质结，开路电路达22mV。
本发明具有显著的效果，射频溅射和直流磁控溅射工艺中，可改变衬底偏压的大小，在100V～150V范围内，获得SP3为80％的成分的非晶碳膜，而在离子束溅射中，调节离子束掠射到衬底上的总量，和离子束的能量，即可控制SP3成份的含量，薄膜的SP3成份可用激光拉曼位移来测定，SP3、SP2成份的变化，可改变薄膜的硬度及透光性。采用本发明的工艺，SP3含量在30％～80％内调节。通过改变反应室溅射气压和衬底偏压，可改变SP2团族的尺寸大小，用原子力显微镜来观察团族的尺寸，改变SP2团族尺寸，增大尺寸可减小局域态能隙，而SP2团族尺寸减小，可提高其能隙，调节到适合光伏材料要求，SP2团族的尺寸在1nm～5nm范围内。
对非晶碳薄膜作氮掺杂，可将未掺杂的非晶碳薄膜的电阻率降低2～4个数量级，掺氮非晶碳薄膜为n型导电半导体材料，SP3仍占主要成份，一般掺氮的量在0.5～2atm％范围内。对非晶碳薄膜作磷掺杂也可降低未掺杂非晶碳薄膜的电阻率5个数量级以上，n型导电掺杂量在1～2.5％范围内。非晶碳薄膜作硼掺杂的结果也可降低电阻率，约降低1～2个数量级，P型导电。
权利要求
1.一种太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法，其特征在于碳膜沉积源用的靶材是高纯(99.999％)石墨靶，物理溅射沉积薄膜，氩气作溅射气源，或可掺入氢气作氢化，溅射气压在0.05～10Pa范围内，溅射时可选气态掺杂源作为掺杂剂。
2.根据权利要求1所述的这种太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法，其特征还在于碳-碳原子以金刚石形式所形成的杂化(SP3)、碳-碳原子以石墨形式所形成的杂化(SP2)杂化键成分的控制通过控制溅射工艺中的衬底偏压，RF直流溅射可控制入射到衬底上的带电氩离子对衬底轰击能量，来控制SP3、SP2杂化键成分，通常氩离子能量在100ev，或者衬底偏压在110v～120v。
3.根据权利要求1所述的这种太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法，其特征还在于SP2团族尺寸的控制，通过控制溅射工艺功率和偏压大小结合控制溅射气压，通常气压选定在0.1～10Pa之内。
4.根据权利要求1所述的这种太阳能光伏材料碳薄膜的制作方法，其特征还在于电阻率的控制通过对薄膜作氮掺杂、硼掺杂和磷掺杂，氮掺杂是由氩气中掺氮气来实现的，溅射混合气体按氮气在送入溅射室内的总气体中体积比10～30vol％配比，而硼、磷掺杂是选用高纯硼、磷粉(99.999％)按一定配比分别掺入高纯石墨粉中，压制烧结成形。
全文摘要
本发明碳膜沉积源用的靶材是高纯(99.999%)石墨靶,物理溅射沉积薄膜,氩气作溅射气源,或可掺入氢气作氢化,溅射气压在0.05～10Pa范围内,溅射时可选气态掺杂源作为掺杂剂。
文档编号C23C14/35GK1267745SQ0011535
公开日2000年9月27日 申请日期2000年4月7日 优先权日2000年4月7日
发明者崔容强, 周之斌, 丁正明, 庞乾俊, 贺振宏 申请人:上海交通大学