先進(jìn)材料制備技術(shù)論文(2)
先進(jìn)材料制備技術(shù)論文
先進(jìn)材料制備技術(shù)論文二：光電變換薄膜材料制備原理技術(shù)及應(yīng)用
摘 要：薄膜材料的功能化是材料發(fā)展的趨勢之一。功能膜是指具有電、磁、聲、光、熱、過濾、吸附等物理性能和催化、反應(yīng)等化學(xué)性能的薄膜材料。對光電導(dǎo)薄膜材料的研究和開發(fā)工作一直是功能薄膜材料研究中非?；钴S的領(lǐng)域，所涉及的材料也很豐富，本文將針對當(dāng)前光電變換薄膜材料制備原理技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行簡略地闡述與介紹。
關(guān)鍵詞：光電變換;薄膜材料;制備原理
物質(zhì)在受到光照以后，往往會(huì)引發(fā)某些電性質(zhì)的變化，亦即光電效應(yīng)。光電效應(yīng)主要有光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)和光電子發(fā)射效應(yīng)3種。最近有人提出GENESIS計(jì)劃(grobal energy network equippers with solar ceils and international superconductor grids)，即在世界范圍內(nèi)，將太陽能電站發(fā)出的電力用超導(dǎo)電纜連接，建設(shè)全球規(guī)模太陽能綜合供電網(wǎng)絡(luò)的計(jì)劃。目前，在日本已有新陽光計(jì)劃.美國有Solar 2000計(jì)劃，歐盟(EU)有Sahel計(jì)劃等。世界主要工業(yè)國家針對21世紀(jì)能源的綜合需求和地球環(huán)境改善.將進(jìn)一步推進(jìn)包括太陽能電池在內(nèi)的太陽能利用計(jì)劃。
一、光電變換薄膜材料的制備原理技術(shù)
當(dāng)金屬或半導(dǎo)體受到光照射時(shí)，其表面和體內(nèi)的電子因吸收光子能量而被激發(fā)，如果被激發(fā)的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢壘而從表面離開，產(chǎn)生了光電子發(fā)射效應(yīng)。CIS薄膜太陽能電池是以銅銦硒(CIS)為吸收層的薄膜太陽能電池。目前，還有在CIS中摻人部分Ga、A1來代替CIS中的In，從而形成CIGS或CIAS薄膜太陽能電池的結(jié)構(gòu);而且這一類電池被認(rèn)為是未來最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用的化合物薄膜太陽能電池。美國的CuInSe2-cd(zn)s薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)12%，這使CIGS薄膜太陽能電池成為高性能薄膜太陽能電池的前列。
主要介紹CIGS薄膜的制備技術(shù)。
?、費(fèi)o背電極薄膜的沉積。在電池研究過程中，包括Mo、Pt、Ni、A1、Au、Cu和Ag在內(nèi)的很多金屬都被試著用來制作背電極接觸材料。研究發(fā)現(xiàn)，除了Mo和Ni之外，在制備CIGS薄膜的過程中，這些金屬都會(huì)和CIGS產(chǎn)生不同程度的相互擴(kuò)散。擴(kuò)散引起的雜質(zhì)將導(dǎo)致更多復(fù)合中心的產(chǎn)生，最終將導(dǎo)致電池效率的下降。在高溫下Mo具有比Ni更好的穩(wěn)定性，不會(huì)和Cu、In產(chǎn)生互擴(kuò)散，并且具有很低的接觸電阻，所以一直被用做理想的背電極材料。
Mo的沉積厚度約為0.5-1.5μm。首先在鈉鈣玻璃上采用射頻磁控濺射、直流磁控濺射或真空熱蒸發(fā)的方法沉積厚度約為1.0μm的Mo層。由于直流磁控濺射技術(shù)制備的Mo薄膜的均勻性好，薄膜的沉積速率高，所以，一般在沉積Mo薄膜時(shí)多采用直流磁控濺射技術(shù)來沉積。
②CIGS薄膜的沉積。具有黃銅礦結(jié)構(gòu)的化合物材料CulnSe2(CIS)或CulnGaSe2(CIGS)在可見光范圍內(nèi)的吸收系數(shù)高達(dá)105 cm-1，通過改變鎵的含量，其禁帶寬度在1.04～1.67 eV范圍內(nèi)可調(diào)，可以制備出最佳禁帶寬度的半導(dǎo)體材料。同時(shí)具有好的穩(wěn)定性，耐空間輻射，屬于最好的薄膜太陽能材料之一。美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室用Cu、In、Se、Ga四元共蒸發(fā)沉積法制備的薄膜太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率已經(jīng)高達(dá)18.8%。雖然共蒸發(fā)法在小面積電池上取得了最好的效率，在大面積制備薄膜太陽能電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，卻存在其難以克服的障礙。目前采用較多的方法仍然是磁控濺射法?；诖趴貫R射的工藝也有很多，主要有濺射預(yù)制薄膜后硒化方法，預(yù)制薄膜的制備等。基于以上的要求，制備的Culn(CuInGa)預(yù)制薄膜厚度為600～700 nm，Se化后Cu—InGaSe2薄膜的厚度為1.8～2.0μm，整個(gè)厚度會(huì)有2～3倍的提高。
二、光電變換薄膜材料的應(yīng)用
太陽能光電轉(zhuǎn)換裝置就是太陽能電池。太陽能電池，又稱光伏電池。太陽能電池發(fā)電的原理是利用光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽光源或其他光輻射到太陽能電池的pn結(jié)上時(shí)，電池就吸收光能，從而產(chǎn)生電子一空穴對。這些電子一空穴對在電池的內(nèi)建電場，即pn結(jié)電場的作用下，電子和空穴被電場分離，在pn結(jié)的兩側(cè)，即電池兩端形成由電子和空穴組成的異性電荷積累，即產(chǎn)生“光生電壓”，這就是所謂的“光生伏特效應(yīng)”。如果將多個(gè)pn結(jié)串聯(lián)起來，就可以得到具有一定電壓的太陽能電池。太陽能電池的直接輸出一般都是12 V(DC)、24 V(DC)、48V(DC)。
太陽能電池是受太陽光照射而工作的光電池。在帶有受光面的半導(dǎo)體單晶，或非晶板的表面之下，制作pn結(jié)，其P區(qū)和n區(qū)分別與外電路相連接，在太陽光照射下。產(chǎn)生從P到n的電流。為使太陽能利用更快普及，需要進(jìn)一步降低太陽能電池，特別是更具普及意義的a-Si太陽能電池的價(jià)格。為此，需要在a-Si太陽能電池制造工藝的簡化、低能耗、無公害、省工時(shí)、省原材料、輔助材料(例如基板)價(jià)格降低等方面不斷改善。與此同時(shí)，還要保證電池特性不斷提高。目前，Si系太陽能電池的效率已達(dá)12%以上，在成膜裝置方式方面，已普遍采用一室對應(yīng)一個(gè)處理工序的多室連續(xù)方式，以及為提高膜層質(zhì)量的超高真空連續(xù)分離成膜裝置。
從材料方面講，寬能隙P型a-SiC窗口材料已獲得廣泛應(yīng)用，為進(jìn)一步提高太陽能電池的效率，正在開發(fā)新的P型層材料。此外，超品格材料以及微品材料也有采用。關(guān)于電池的結(jié)構(gòu)，最新發(fā)表的多為多層結(jié)構(gòu)(多能隙結(jié)構(gòu))。而且，多品硅及CulnSe2等品體層與a-Si相組合的結(jié)構(gòu)也在研究開發(fā)之中[4]。
窄能隙a-SiGe材料由于采用傳統(tǒng)的含氫系，因此特性不夠理想。隨著制膜技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展，以及氟系a-SiGe的開發(fā)，已經(jīng)獲得光導(dǎo)電特性優(yōu)良的膜層。
三、結(jié)論
在成膜方法方面，已普遍采用各種等離子體控制方式，以及利用光、ECR等的CVD法等?？偟恼f來，隨著工藝進(jìn)展，利用高速成膜法，已能獲得高品質(zhì)膜層。以上通過對光電變換薄膜材料制備原理技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行探討，期望能夠?qū)Ξ?dāng)前光電變換薄膜材料的發(fā)展有所借鑒。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡介： 麥佐艷(1985-)，女，本科，專利審查員，國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，光電發(fā)明審查部。
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