具有白光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法

文档序号:3367126阅读:428来源:国知局
专利名称:具有白光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池材料及光电器件材料技术领域,特别涉及一种具有白 光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法。
背景技术
能源短缺和环境问题得到越来越多的重视,光伏发电因可以将太阳能的光能直接 转换为电能而备受关注。光伏发电技术的研究始于100多年以前。1839年法国物理学家贝 克勒尔(A. E. Becqurel)意外地发现,用两片金属侵入溶液构成的伏打电池,光照时会产生 额外的伏打电势,他把这种现象称为“光生伏打效应”(photovoltaic effect)。半导体P_N 结器件在阳光下的光电转换效率最高,通常称这种光伏器件为太阳能电池。Rusop通过PLD 的方法制备了 B掺杂的非晶碳膜/硅异质结太阳能电池。非晶碳薄膜材料因其制备方法多样,材料便宜易得,无毒无害,带隙可调性大等 优点成为光电导材料的有力候选者。Namita Dutta Gupta, C. Longeaud, P. Chaudhuri, A.Bhaduri,S. Vignoli,Journal of Non-Crystalline Solids,2006,352 :1307_1309 报 道了用等离子体增强化学气相沉积方法(PECVD)制备非晶碳薄膜光电导材料的方法。这 种薄膜对可见光的响应很微弱,但是对紫外光的响应很灵敏,是潜在的紫外光探测器。文 献 Hare Ram Aryal, Sudip Adhikari, Dilip ChandraGhimire, Golap Kalita, Masayoshi Umeno, Diamond&Related Materials, 2008,17 :680_683 禾口文献 Prakash R. Somani, Savita P. Somania,M.Umeno, Physica E, 2008,40 :2783_2786报道了使用微波表面波等离子体化学 气相沉积方法制备碳薄膜材料的方法。些碳薄膜材料都是用气相方法沉积的,制备过程中 大量使用碳氢化合物气体和氨气等,对制备工艺的环保要求和安全要求很高。

发明内容
本发明的目的是制备一种在室温条件下对可见光有响应,会产生明显光伏效应的 异质结薄膜材料(Co2-C98/Al203/Si)及其制备方法。具有白光光伏效应的异质结薄膜材料,在n-Si (100)基片上依次设有氧化铝层 和钴碳颗粒膜,所述钴碳颗粒膜中钴和碳的原子比为2 98,形成具有白光光伏效应的 Co2-C98/Al203/Si异质结薄膜材料。所述氧化铝层厚度可为2 10纳米。所述钴碳颗粒膜厚度可为60 120纳米。具有白光光伏效应的异质结薄膜材料的制备方法,该方法包括如下步骤将η-Si (100)基片、纯度> 99. 99%的Al2O3靶和钴碳靶放入脉冲激光沉积设备的 真空镀膜室内,将镀膜室内的背底真空抽至小于4X10_4Pa后,加热基片至沉积温度300 4000C,再用KrF激光器产生的脉冲激光轰击氧化铝靶,开始沉积氧化铝薄膜,沉积结束后 维持在沉积温度上原位退火,再用KrF激光器产生的脉冲激光轰击钴碳靶,在同样的温度 下沉积钴碳颗粒膜,沉积结束后,样品自然冷却至室温,得到具有白光光伏效应的异质结薄膜材料。所述钴碳靶是用纯度> 99. 99%的钴粉和碳粉按钴和碳的原子比为2 98配制, 然后经过湿法球磨混合均勻,再热压成的钴碳靶。所述原位退火时间优选10 20min。本发明的有益效果为1、采用的原材料成本低,一些样品在室温下具有明显的光伏效应。PLD沉积的 Co2-C98/Al203/Si异质结薄膜材料,钴碳膜厚度在60 120纳米之间,为ρ型半导体,氧化铝 层厚度在2 10纳米左右。PLD沉积制备的ρ-η结界面非常平坦,结区原子互扩散通过薄层 Al2O3得到有效抑制。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 件的开路光电压达到447mV、短路光电流为18. 75mA/cm2、填充因子在39%以上,光电转换效 率达到3. 3%。采用该材料具有性能优越,价格低廉,制备简单等特点,并且在制备过程中, 不使用任何有毒易燃易爆物质,是一种优异的可见光传感器材料和具有潜力的光伏器件。2、采用激光脉冲沉积方法制备薄膜,方法简单,工艺稳定,可控性好,无污染,具有 很高的制备效率。


图1 :Co2-C98/Al203/Si异质结构薄膜材料的结构及其光伏性能测试示意图;图2 :Co2-C98/Al203/Si异质结构薄膜材料的室温I_V特性(有光与无光照情况)图中标号l-n-Si(100)基片;2_氧化铝(Al2O3)层;3_钴碳(Co2-C98)颗粒膜; 4-金属电极。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明实施例1本发明为用激光脉冲沉积方法制备的一种具有白光光伏效应的Co2_C98/Al203/Si 异质结薄膜材料。具体制备方法是先将处理好的Si (100)基片、纯度> 99. 99%的Al2O3单 晶靶(商业靶)和钴碳靶放入PLD设备的真空镀膜室内,用机械泵和分子泵将镀膜室内的 背底真空抽至4X ICT4Pa后,加热基片至300°C,再用KrF激光器(Lambda Physics LPX205, 248nm, 25ns FWHM)产生的能量为360mJ的脉冲轰击氧化铝靶,并同时启动旋转靶材和基片 的马达,开始沉积氧化铝层薄膜,氧化铝层薄膜沉积结束后维持在沉积温度上(300°C )退 火IOmin ;然后通过激光脉冲轰击钴碳靶,在同样的温度下(300°C )沉积钴碳颗粒膜。沉积 结束后,样品自然冷却至室温。所用的钴碳靶是用纯度> 99. 99%的钴粉和碳粉(碳粉采用 石墨粉)按钴和碳的原子比为2 98配制,然后经过湿法球磨混合均勻,再热压成的钴碳 靶,故所得的钴碳颗粒膜为Co2-C98颗粒膜。沉积过程中的其他工艺参数还包括靶基距为 40mm,激光束在靶材上的束斑大小约为2X4mm,激光重复频率控制在1 6Hz。实验中所用 基片为η型Si (100),电阻率为0.55 0.8 Ω · cm,大小为10 X 5 X 0. 5mm。实验前,将基片 依次放入丙酮和酒精中加热超声清洗2至3遍,再用稀释的HF酸溶液进行腐蚀处理。所制备的Co2-C98/Al203/Si异质结薄膜材料样品的各层膜厚由TEM(JEM-2011)测 量;Co2-C98颗粒膜厚度在60 120纳米之间,为ρ型半导体,氧化铝层厚度在2 10纳米之间。IV性能用梳状电极上下垂直测量法由Keithley2400电流电压表测量;光源由IOOmW/ cm2 (AM 1.5)的模拟太阳光源提供。本专利仅以Co2-C98颗粒膜厚度80纳米、氧化铝厚度为 4纳米的样品为例,给出其室温光伏性能测试的原理图(图1)及光伏性能的测量结果(图 2)。实施例2除了氧化铝层薄膜沉积结束后维持在沉积温度上(300°C )退火20min外,其余与 实施例1相同。实施例3除了 Co2-C98/Al203/Si异质结构薄膜材料中Co2-C98颗粒膜厚度为100纳米,氧化 铝层厚度为8纳米之外,其余与实施例1相同。实施例4除了 Co2-C98/Al203/Si异质结构薄膜材料中Co2-C98颗粒膜厚度为80纳米,氧化铝 层厚度为2纳米之外,其余与实施例1相同。实施例5除了 Co2-C98/Al203/Si异质结构薄膜材料中Co2-C98颗粒膜厚度为120纳米,氧化 铝层厚度为6纳米之外,其余与实施例1相同。实施例6除了氧化铝层沉积温度为330°C,沉积结束后在沉积温度上(330°C )退火15min, Co2-C98颗粒膜沉积温度为330°C外,其余与实施例1相同。实施例7除了氧化铝层沉积温度为360°C,沉积结束后在沉积温度上(360°C )退火lOmin, Co2-C98颗粒膜沉积温度为360°C外,其余与实施例1相同。
权利要求
1.具有白光光伏效应的异质结薄膜材料,其特征在于在n-Si(100)基片上依次设有 氧化铝层和钴碳颗粒膜,所述钴碳颗粒膜中钴和碳的原子比为2 98,形成具有白光光伏 效应的Co2-C98/Al203/Si异质结薄膜材料。
2.根据权利要求1所述的具有白光光伏效应的异质结薄膜材料,其特征在于所述氧 化铝层厚度在2 10纳米。
3.根据权利要求1所述的具有白光光伏效应的异质结薄膜材料,其特征在于所述钴 碳颗粒膜厚度在60 120纳米。
4.具有白光光伏效应的异质结薄膜材料的制备方法,其特征在于该方法包括如下步骤将n-Si (100)基片、纯度> 99. 99%的Al2O3靶和钴碳靶放入脉冲激光沉积设备的真 空镀膜室内,将镀膜室内的背底真空抽至小于4X 10_4Pa后,加热基片至沉积温度300 400°C,再用KrF激光器产生的脉冲激光轰击氧化铝靶,开始沉积氧化铝薄膜,沉积结束后 维持在沉积温度上原位退火,再用KrF激光器产生的脉冲激光轰击钴碳靶,在同样的温度 下沉积钴碳颗粒膜,沉积结束后,样品自然冷却至室温,得到具有白光光伏效应的异质结薄 膜材料。
5.根据权利要求5所述的具有白光光伏效应的异质结薄膜材料的制备方法,其特征在 于所述钴碳靶是用纯度> 99. 99%的钴粉和碳粉按钴和碳的原子比为2 98配制,然后 经过湿法球磨混合均勻,再热压成的钴碳靶。
6.根据权利要求5所述的具有白光光伏效应的异质结薄膜材料的制备方法,其特征在 于原位退火时间为10 20分钟。
全文摘要
本发明公开了薄膜太阳能电池材料及光电器件材料技术领域的一种具有白光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法。在n-Si(100)基片上依次设有氧化铝层和钴碳颗粒膜,形成具有白光光伏效应的异质结薄膜材料。采用激光脉冲沉积方法,在同样的温度下在Si基片沉积氧化铝层薄膜和钴碳颗粒膜制成。本发明的光电薄膜在室温、100mW/cm2(AM 1.5)的模拟太阳光源照射下,器件的开路光电压达到447mV、短路光电流为18.75mA/cm2、填充因子在39%以上,光电转换效率达到3.3%。采用该材料具有性能优越,价格低廉,制备简单且不使用任何有毒易燃易爆物质,是一种优异的可见光传感器材料和具有潜力的光伏器件。
文档编号C23C14/06GK102102172SQ20101055121
公开日2011年6月22日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者张歆, 王集敏, 章晓中, 谭新玉 申请人:清华大学
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