一种具有光伏特性的拓扑绝缘体薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及电池材料、光伏材料和电子材料，特别提供一种具有全日光波段光伏特性的拓扑绝缘体薄膜及其制备方法，该薄膜在全日光波段具有强的光电转化能力，可用于太阳能电池。

背景技术：

太阳能电池技术近来得到快速发展，经历了第一代硅基太阳能电池，第二代薄膜太阳能电池，第三代新概念研发太阳能电池及第四代复合薄膜材料太阳能电池。在当前能源紧张形势下，再生能源及清洁能源的开放越来越受到重视。太阳能电池可以将丰富的自然光转化为电能，且对环境友好。研究高效太阳能电池对于缓解目前能源形势具有重大意义。

拓扑绝缘体是一种具有奇异量子特性的新物质状态，拓扑绝缘体的体电子态是有能隙的绝缘体，而其表面则是无能隙的金属态。因为该表面金属态的出现是由其对称性所决定的，所以它的存在非常稳定，基本不受到杂质与无序的影响。拓扑绝缘体由于自旋轨道耦合作用，电子运动的规律性，正向与反向电子互不干扰。处于这样有序运动状态的电子不会相互碰撞，因此能耗很低。拓扑绝缘体材料如碲化铋、硒化铋、碲化锑或它们的掺杂物，具有较小的室温带隙，应该能实现紫外～可见光～红外，全日光波段光电响应。虽然拓扑绝缘体具有优异特性，但对于拓扑绝缘体薄膜光电 特性至今没引起关注，目前尚未见报导。

目前，利用化学气相沉积方法可控的制备不同导电类型拓扑绝缘体薄膜并研究其光电转化性能没有报道。本发明即在硅基片较低温度下制备不同导电类型拓扑绝缘体薄膜，利用输运测试系统和太阳光源对薄膜光电响应能力进行测试，得到良好的光伏特性和响应时间，本发明在简单且利于规模生产的条件下制备出具有较大光电转化能力的薄膜，为拓扑绝缘体薄膜在太阳能电池、光电探测领域中的应用开辟了新的途径。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有光伏特性的拓扑绝缘体薄膜及其制备方法，该薄膜具有全日光波段光电响应能力，用太阳光作为光源，n-TI/p-Si或p-TI/n-Si双层结构薄膜光电响应时间低于1秒，所测样品面积在9-15平方毫米，最强太阳光强度为200W/m²，开路光电压达0.1V，短路光电流达几十微安，随薄膜面积和太阳光强度的增加而增加。具有应用于太阳能电池的性能。

本发明具体技术方案如下：

一种具有光伏特性的拓扑绝缘体薄膜的制备方法，其特征在于，利用化学气相沉积方法制备：将拓扑绝缘体材料蒸发沉积在硅基片上，得到拓扑绝缘体薄膜。

其中，蒸发沉积的硅基片衬底温度为100℃～450℃，拓扑绝缘体材料的蒸发温度为400℃～800℃，工作气体压强为20Pa～1kPa、蒸发时间为5～480分钟。基片温度由所采用的蒸发温度和距离中心的位置决定，所采用蒸发 温度越高，距离中心越近，则基片温度越高。若蒸发温度太低，则原料很难蒸发，并且基片温度低同样不能沉积样品。原料较低熔点和挥发温度的物理性质决定不能采用太高的蒸发温度，若蒸发温度太高，则原料容易蒸发，在没有达到设定温度前就迅速蒸发汽化，不能控制条件得到所需薄膜。用X射线衍射和扫描电镜对薄膜进行研究表明：在上述条件下制备的薄膜具有片状生长的特点，晶体质量高。

具体实现过程为：

通过控制蒸发温度和基片距离炉中心温度来调节基片温度。加热前，炉管内真空为0.2Pa，工作气体为氩气和氢气混合气体，两种气体比例通过气体流量计调控，氩气和氢气比例优选为20:1～2:1。基片采用P型或N型单晶硅晶片，硅基片先后经过乙醇、丙酮和稀氢氟酸处理(硅基片必须经过一定浓度氢氟酸处理)。蒸发沉积原料可以为直接购买的高纯拓扑绝缘体材料(如碲化铋、硒化铋、碲化锑)，或相互间掺杂，调制母体带隙，得到所需要导电类型薄膜。基片距离炉中心距离为10～20厘米工作气体总流量30～200sccm(标准毫升/分钟)。薄膜沉积后自然冷却到室温。工作气压可根据需要调节，在20～1000Pa。

本发明采用n或p型硅基片沉积拓扑绝缘体薄膜，在太阳光下对薄膜进行光电响应测试，得到较高的光照电压和极短光电响应时间。该制备方法简单，成本低廉，技术关键在于：

合适的制备条件在n型硅基片上制备p型拓扑绝缘体薄膜，形成PN结；同样可在p型硅基片上制备n型拓扑绝缘体薄膜，形成PN结。利用基片与薄膜间空间电荷层形成的内电场作用，减少光生电子和光生空穴的复合， 有效地促进光生载流子产生并延长载流子寿命，产生较强的光电响应和极短的光电响应时间。

采用本发明所述方法制备得到的拓扑绝缘体薄膜，其特征在于：薄膜厚度范围在50纳米～2微米，颗粒尺寸为50纳米～50微米，薄膜由尺寸不同的拓扑绝缘体片状颗粒组成，具有全日光波段光电响应能力，可应用于太阳能电池。

本发明所述方法简单、成本低廉、易于规模生产，可以制备出高质量的拓扑绝缘体薄膜，测试发现薄膜不仅具有拓扑绝缘体特性，而且n-TI/p-Si(n型拓扑绝缘体/p型Si片)或p-TI/n-Si(p型拓扑绝缘体/n型Si片)双层结构，具有优良的全日光波段光电转化能力和较快光电响应时间，具有良好的太阳电池及光电应用前景。

附图说明

图1碲化铋薄膜光电压随太阳光照射的电压变化。

图2碲化铋薄膜光电流随太阳光照射的电流变化。

图3硒化铋薄膜光电压随太阳光照射的电压变化。

图4碲化锑薄膜光电压随太阳光照射的电压变化。

图5碲化铋(a)，硒化铋(b)，碲化锑(c)薄膜扫描电镜图片。

图6碲化铋薄膜(基片未经HF处理)光电压随太阳光照射的电流变化。

图7碲化铋薄膜(基片未经HF处理)光电流随太阳光照射的电流变化。

具体实施方式

实施例1

采用化学气相沉积方法制备碲化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为碲化铋粉末，纯度99.99％，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度520℃，基片距离炉子中心14.5厘米，基片温度大约300℃，工作时间5分钟。采用纳伏表及太阳光对薄膜材料明暗态下的电极电势，电流-电压曲线进行测试，一切测试都在大气状态，让太阳光透过玻璃直接照射在薄膜上，接近实际应用情况，测得薄膜开路光电压为0.11V，短路光电流约为30微安，薄膜电压、电流随太阳光照射的变化见图1、2。

实施例2

采用化学气相沉积方法制备硒化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为硒化铋粉末，纯度99.99％，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度520℃，基片距离炉子中心14.5厘米，基片温度大约300℃，工作时间10分钟。测得薄膜光电压为0.11V，其电压随太阳光照射的变化见图3。

实施例3

采用化学气相沉积方法制备碲化锑薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为碲化锑粉末，纯度99.99％，基片距离炉子中心14.5厘米，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度520℃，工作时间5分钟。测得薄膜光 电压为0.09V，其电压随太阳光照射的变化见图4。

实施例4

采用化学气相沉积方法制备碲化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为碲化铋粉末，纯度99.99％，基片距离炉子中心14.5厘米，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度500℃，工作时间5分钟。测得薄膜光电压为0.03V。

实施例5

采用化学气相沉积方法制备硒化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为硒化铋粉末，纯度99.99％，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度480℃，基片距离炉子中心14.5厘米，基片温度约250℃，工作时间10分钟。测得薄膜光电压为0.075V。

实施例6

采用化学气相沉积方法制备碲化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮，没有用稀氢氟酸处理基片。原料为碲化铋粉末，纯度99.99％，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度520℃，基片距离炉子中心14.5厘米，基片温度大约300℃，工作时间5分钟。开路光电压也可达0.1V，但由于电阻较大，短路光电流 很小为0.4微安，其电压、电流随太阳光照射的变化见图6、7。

实施例7

采用化学气相沉积方法制备碲化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为碲化铋粉末，纯度99.99％，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为4:1。工作气压50Pa，炉子中心温度分别采用380℃和800℃，基片温度分别大约60℃和600℃，工作时间5分钟。温度低时，基片上几乎没有样品沉积。温度高时，也几乎没有样品沉积，首先因为原料过渡蒸发，其次基片温度太高，原料蒸汽非常活泼，不利于样品的沉积。

实施例8

采用化学气相沉积方法制备碲化铋薄膜，采用N型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为碲化铋粉末，纯度99.99％，气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为2:1。工作气压1kPa，炉子中心温度700℃，基片距离炉子中心14.5厘米，基片温度约400℃，工作时间15分钟，最后制得拓扑绝缘体薄膜，薄膜厚度大约在1微米，颗粒尺寸为50纳米～1微米，薄膜由尺寸不同的拓扑绝缘体片状颗粒组成。

实施例9

采用化学气相沉积方法制备硒化铋薄膜，采用P型硅基片作为衬底，先后经过乙醇、丙酮、稀氢氟酸处理基片。原料为硒化铋粉末，纯度99.99％， 气体总流量为50sccm，氩气与氢气体积比为20:1。工作气压20Pa，炉子中心温度480℃，基片距离炉子中心14.5厘米，基片温度约250℃，工作时间10分钟，最后制得拓扑绝缘体薄膜，薄膜厚度范围大约在50纳米，颗粒尺寸为1微米～30微米，薄膜由尺寸不同的拓扑绝缘体片状颗粒组成。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。