先進材料制備技術論文(2)
先進材料制備技術論文
先進材料制備技術論文二：光電變換薄膜材料制備原理技術及應用
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、反應等化學性能的薄膜材料。對光電導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的領域，所涉及的材料也很豐富，本文將針對當前光電變換薄膜材料制備原理技術及其應用進行簡略地闡述與介紹。
關鍵詞：光電變換;薄膜材料;制備原理
物質在受到光照以后，往往會引發(fā)某些電性質的變化，亦即光電效應。光電效應主要有光電導效應、光生伏特效應和光電子發(fā)射效應3種。最近有人提出GENESIS計劃(grobal energy network equippers with solar ceils and international superconductor grids)，即在世界范圍內，將太陽能電站發(fā)出的電力用超導電纜連接，建設全球規(guī)模太陽能綜合供電網(wǎng)絡的計劃。目前，在日本已有新陽光計劃.美國有Solar 2000計劃，歐盟(EU)有Sahel計劃等。世界主要工業(yè)國家針對21世紀能源的綜合需求和地球環(huán)境改善.將進一步推進包括太陽能電池在內的太陽能利用計劃。
一、光電變換薄膜材料的制備原理技術
當金屬或半導體受到光照射時，其表面和體內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，產生了光電子發(fā)射效應。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構;而且這一類電池被認為是未來最有希望實現(xiàn)產業(yè)化和大規(guī)模應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換效率可達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。
?、費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，這些金屬都會和CIGS產生不同程度的相互擴散。擴散引起的雜質將導致更多復合中心的產生，最終將導致電池效率的下降。在高溫下Mo具有比Ni更好的穩(wěn)定性，不會和Cu、In產生互擴散，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薄膜時多采用直流磁控濺射技術來沉積。
?、贑IGS薄膜的沉積。具有黃銅礦結構的化合物材料CulnSe2(CIS)或CulnGaSe2(CIGS)在可見光范圍內的吸收系數(shù)高達105 cm-1，通過改變鎵的含量，其禁帶寬度在1.04～1.67 eV范圍內可調，可以制備出最佳禁帶寬度的半導體材料。同時具有好的穩(wěn)定性，耐空間輻射，屬于最好的薄膜太陽能材料之一。美國可再生能源實驗室用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化效率已經(jīng)高達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業(yè)化應用方面，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。基于磁控濺射的工藝也有很多，主要有濺射預制薄膜后硒化方法，預制薄膜的制備等。基于以上的要求，制備的Culn(CuInGa)預制薄膜厚度為600～700 nm，Se化后Cu—InGaSe2薄膜的厚度為1.8～2.0μm，整個厚度會有2～3倍的提高。
二、光電變換薄膜材料的應用
太陽能光電轉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。當太陽光源或其他光輻射到太陽能電池的pn結上時，電池就吸收光能，從而產生電子一空穴對。這些電子一空穴對在電池的內建電場，即pn結電場的作用下，電子和空穴被電場分離，在pn結的兩側，即電池兩端形成由電子和空穴組成的異性電荷積累，即產生“光生電壓”，這就是所謂的“光生伏特效應”。如果將多個pn結串聯(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體單晶，或非晶板的表面之下，制作pn結，其P區(qū)和n區(qū)分別與外電路相連接，在太陽光照射下。產生從P到n的電流。為使太陽能利用更快普及，需要進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、省原材料、輔助材料(例如基板)價格降低等方面不斷改善。與此同時，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12%以上，在成膜裝置方式方面，已普遍采用一室對應一個處理工序的多室連續(xù)方式，以及為提高膜層質量的超高真空連續(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用，為進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。關于電池的結構，最新發(fā)表的多為多層結構(多能隙結構)。而且，多品硅及CulnSe2等品體層與a-Si相組合的結構也在研究開發(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。隨著制膜技術的改進和發(fā)展，以及氟系a-SiGe的開發(fā)，已經(jīng)獲得光導電特性優(yōu)良的膜層。
三、結論
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，隨著工藝進展，利用高速成膜法，已能獲得高品質膜層。以上通過對光電變換薄膜材料制備原理技術及應用進行探討，期望能夠對當前光電變換薄膜材料的發(fā)展有所借鑒。
參考文獻：
[1]胡居廣，李啟文，鄭彬，湯華斌，王培，羅仲寬，曹慧群，林曉東. 襯底溫度對PLD法沉積CdS及ZnS薄膜材料的影響[J]. 太陽能學報，2013，01：34-38.
[2]賀英，潘照東，張瑤斐，朱棣，陳杰，王均安. 聚苯胺/ZnO納米線薄膜材料作為發(fā)光層的柔性光電器件及其發(fā)光機理[J]. 發(fā)光學報，2012，02：201-205.
[3]唐正霞，沈鴻烈，江豐. 不同薄膜材料上鋁誘導多晶硅薄膜的研究[J]. 金陵科技學院學報，2012，03：38-41.
[4]伍雅峰，陳建，曾玲，何云輝，曾永久，張春雨，鄭偉. 手工高分子薄膜材料拉伸試驗研究[J]. 廣東化工，2012，12：56-58.
作者簡介： 麥佐艷(1985-)，女，本科，專利審查員，國家知識產權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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