摘要：異質(zhì)結(jié)構(gòu)（p-i結(jié)構(gòu)）人造金剛石制備光伏電池。利用鍍硼P型金剛石作為材料襯底。在該襯底上沉積出厚度為50mkm的CVD IIa型金剛石薄膜。
       實(shí)驗(yàn)研發(fā)了一種半透明端口觸頭制備技術(shù)；對(duì)寬帶隙金剛石光伏電池的電流-電壓（I-V）特性進(jìn)行測(cè)量。在紫外線照射實(shí)驗(yàn)中對(duì)普通觸頭和半透明觸頭進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示α、X射線和紫外線照射的換能效率大致在5%~7%范圍。
關(guān)鍵詞：鍍硼金剛石，CVD金剛石，金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu)，光伏電池，半透明觸頭
1、引言
       近年來(lái)，人們利用紫外線或放射性同位素，結(jié)合光伏電池轉(zhuǎn)化光子能為電流的技術(shù)，成功解決了能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)工作的緊湊自動(dòng)發(fā)電機(jī)短缺的問(wèn)題。
       不少研究者已經(jīng)提出了轉(zhuǎn)化紫外線和放射性衰變能量的方法。例如，在供應(yīng)數(shù)百瓦特的應(yīng)用案例中，人們采用放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)（RTG）用于自動(dòng)氣象觀測(cè)站、燈塔和衛(wèi)星等設(shè)備供電。
       Sr-90 和Pu-238是RTG工作的主要燃料。以鍍附人造金剛石為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料制備而成的光伏變換器研發(fā)出來(lái)之后，核能源便成為電源供應(yīng)的新機(jī)遇；而利用金剛石的光伏效應(yīng)則可以將輻射能轉(zhuǎn)化為電流。含有內(nèi)置電場(chǎng)區(qū)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)則是這種設(shè)備的關(guān)鍵。
       金剛石材料設(shè)備的優(yōu)勢(shì)主要有耐輻射性好、工作溫度高、熱導(dǎo)率高、化學(xué)惰性好。利用這些材料設(shè)備可以制備出簡(jiǎn)單緊湊且能工作數(shù)十年的電源設(shè)備。
       實(shí)驗(yàn)利用不同類型的輻射（紫外線、X射線、帶電粒子、快中子）來(lái)檢驗(yàn)金剛石探測(cè)器的敏感性，并獲取電流-電壓特性數(shù)據(jù)。這種電流-電壓特性呈類二極管形狀，帶有明顯的1.6伏的光伏轉(zhuǎn)換。這種效應(yīng)主要由硼襯底和沉積出的金剛石薄膜之間的界面引起。每個(gè)界面都會(huì)產(chǎn)生接觸電壓，而較高的電荷遷移則保證了電荷收集的損耗畢竟小。光伏轉(zhuǎn)換器就是利用了這種原理。
       本研究旨在制備人造金剛石材料的光伏轉(zhuǎn)換器。（p-i）結(jié)構(gòu)的薄膜是本實(shí)驗(yàn)的光伏轉(zhuǎn)換器材料，并對(duì)其光復(fù)特性進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)還研發(fā)了一種半透明觸頭制備技術(shù)，以保證短波輻射能進(jìn)入轉(zhuǎn)換器內(nèi)。
2、問(wèn)題
       用于光伏電池的（p-i）結(jié)構(gòu)是一種CVD金剛石薄膜，襯底為摻硼高溫高壓（HTHP）IIb型金剛石襯底（p型）且具有良好的空穴導(dǎo)電性。襯底材料的尺寸為4×4×0.5mm3。氮濃度低于1ppm；硼濃度為100ppm；CVD IIa型金剛石薄膜厚度為50mkm。在CVD金剛石外表面上分別沉積出普通觸頭和半透明金屬觸頭；在襯底的底部沉積上普通金屬觸頭。圖一為（p-i）結(jié)構(gòu)的光伏轉(zhuǎn)換器。箭頭代表入射輻射。光伏電池的工作容積為IIa型金剛石層。

圖一：（p-i）結(jié)構(gòu)的光伏電池；p型HTHP金剛石襯底上沉積出50mkm厚度的CVD IIa型金剛石薄膜

3、（p-i）結(jié)構(gòu)的制備
（1）襯底的制備
       在高溫真空爐RD-G WEBB-117中對(duì)HTHP金剛石晶體進(jìn)行熱處理。并研究真空熱處理對(duì)HTHP金剛石傳導(dǎo)的影響。襯底的主要參數(shù)為紫外線和紅外輻射下的吸收光譜以及室溫下襯底的導(dǎo)電性。吸收光譜和導(dǎo)電率的溫度測(cè)量范圍為10000℃-16000℃，溫度增量為1000℃。同時(shí)還測(cè)量了陰極射線發(fā)光和X射線發(fā)冷光的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)對(duì)Br40和Br03兩種晶體試樣的特性進(jìn)行了研究。隨著熱處理溫度的增高，陰極發(fā)光的強(qiáng)度逐漸變?nèi)酰籜射線發(fā)冷光的測(cè)量結(jié)果顯示，熱處理降低了發(fā)冷光的光度對(duì)比和亮度。這說(shuō)明熱處理降低了晶體缺陷的密度。完成熱處理工藝后，要對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)清洗以去除熱處理過(guò)程中給晶體表面帶來(lái)的局部石墨化。
       在1100℃-1500℃范圍內(nèi)無(wú)輻射條件下利用靜電計(jì)測(cè)量電流-電壓數(shù)據(jù)。Br03材料的電阻在熱處理溫度達(dá)到1300℃后出現(xiàn)明顯變化，并隨著后續(xù)操作步驟而逐漸降低10倍左右。Br40材料的電阻在整個(gè)熱處理過(guò)程中單調(diào)遞減，只有在1500℃時(shí)達(dá)到50歐姆，比初始值低了約2.3倍。
（2）CVD金剛石沉積
       對(duì)襯底完成熱處理并獲得良好導(dǎo)電性之后開(kāi)始制備p-i結(jié)構(gòu)：在襯底上沉積出50微米厚度的IIa型高純同質(zhì)外延CVD金剛石層。在試樣的背面沉積上30nm厚的純金電觸頭。在CVD薄膜的正面沉積出一層3mm寬的半透明觸頭，每個(gè)觸頭之間有一條20微米寬50微米長(zhǎng)的隔離帶。利用電子顯微鏡對(duì)襯底進(jìn)行掃描，得到的陰極發(fā)光圖樣表明試樣上存在缺陷增多區(qū)域，和襯底上的帶狀非均勻區(qū)相對(duì)應(yīng)，呈明亮的十字形。這種結(jié)構(gòu)降低了同質(zhì)外延薄膜的質(zhì)量；而薄膜結(jié)構(gòu)的晶體缺陷也降低了電離輻射轉(zhuǎn)化電流的效率。
（3）光伏電池的制備
       利用磁控沉積設(shè)備DESK V在金剛石晶體上制備紫外線半透明純金觸頭。首先在晶體上沉積出連續(xù)的金屬層，然后在晶體表面覆山高以成特殊的面罩。然后將覆蓋了面罩的晶體放入離子清洗裝置內(nèi)。這樣，未被覆蓋的金屬就會(huì)被離子束去除掉。圖2為原子力顯微鏡下半透明純金觸頭示意圖。

圖二：原子力顯微鏡下半透明純金觸頭

覆蓋晶體用的面罩由銅材料經(jīng)過(guò)激光切割而成。
4、實(shí)驗(yàn)實(shí)例與結(jié)果
       實(shí)驗(yàn)對(duì)p-i結(jié)構(gòu)光伏電池的特性進(jìn)行了研究，利用α粒子照射p-i結(jié)構(gòu)后的電荷收集效率實(shí)驗(yàn)顯示，電荷收集效率超過(guò)了90%，當(dāng)薄膜中的電場(chǎng)大于0.5V/m時(shí)，效率基本達(dá)到100%。同時(shí)還檢測(cè)到能量分辨率為2%的5.5MeV的α粒子峰值。5×102的α粒子流相當(dāng)于0.44×10-9瓦特的吸收能。圖三為電流-電壓測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)施以零偏差電壓時(shí)，電流顯示為3.40pA。考慮到0.62V的光伏電壓轉(zhuǎn)換，光伏轉(zhuǎn)換器的效率計(jì)算為5.4%。

圖三：α粒子輻射條件下p-i結(jié)構(gòu)的電流-電壓示意圖

       圖四為放射劑量為1Rad/sec的X射線輻射條件下試樣的電流-電壓特性圖。I-V負(fù)支快速增長(zhǎng)是由于注入電流增大，且取決于外延薄膜和硼襯底之間注入接觸邊界上的電場(chǎng)量級(jí)。在輻射劑量為~1Rad/sec，零偏差光伏轉(zhuǎn)換電壓為1.4V，電流為1.8nA的條件下，光伏轉(zhuǎn)換器效率計(jì)算為6%。

       圖五為紫外線氘燈照射條件下的轉(zhuǎn)換器I-V圖。實(shí)驗(yàn)對(duì)普通觸頭（實(shí)線）和半透明觸頭（虛線）兩種類型的觸頭進(jìn)行研究。曲線在-1.2V處出現(xiàn)明顯的光伏變化。半透明觸頭的光伏電池轉(zhuǎn)換效率是普通觸頭電池效率的兩倍之多。在最后的實(shí)驗(yàn)中個(gè)，轉(zhuǎn)換效率未超過(guò)7%。

圖六為半透明觸頭的晶體實(shí)物圖。

       由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)制備而得的金剛石結(jié)構(gòu)可以作為輻射轉(zhuǎn)化電流的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換效率取決于同質(zhì)外延薄膜的質(zhì)量。而這些薄膜結(jié)構(gòu)的晶體缺陷又降低了薄膜中載荷子的平均壽命。改善襯底材料和沉積薄膜的質(zhì)量則可以提高光伏轉(zhuǎn)換器的性能效率。
5、結(jié)論
       本實(shí)驗(yàn)證明了p-i結(jié)構(gòu)金剛石可以制備輻射能轉(zhuǎn)化電能的轉(zhuǎn)換器，并研發(fā)了一種光伏電池用的半透明觸頭技術(shù)。同時(shí)還對(duì)紫外線、α射線和X射線照射條件下轉(zhuǎn)換器的效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，計(jì)算得出的轉(zhuǎn)換效率范圍為5%~7%。（編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）