先进材料制备技术论文(2)
先进材料制备技术论文
先进材料制备技术论文二：光电变换薄膜材料制备原理技术及应用
摘 要：薄膜材料的功能化是材料发展的趋势之一。功能膜是指具有电、磁、声、光、热、过滤、吸附等物理性能和催化、反应等化学性能的薄膜材料。对光电导薄膜材料的研究和开发工作一直是功能薄膜材料研究中非常活跃的领域，所涉及的材料也很丰富，本文将针对当前光电变换薄膜材料制备原理技术及其应用进行简略地阐述与介绍。
关键词：光电变换;薄膜材料;制备原理
物质在受到光照以后，往往会引发某些电性质的变化，亦即光电效应。光电效应主要有光电导效应、光生伏特效应和光电子发射效应3种。最近有人提出GENESIS计划(grobal energy network equippers with solar ceils and international superconductor grids)，即在世界范围内，将太阳能电站发出的电力用超导电缆连接，建设全球规模太阳能综合供电网络的计划。目前，在日本已有新阳光计划.美国有Solar 2000计划，欧盟(EU)有Sahel计划等。世界主要工业国家针对21世纪能源的综合需求和地球环境改善.将进一步推进包括太阳能电池在内的太阳能利用计划。
一、光电变换薄膜材料的制备原理技术
当金属或半导体受到光照射时，其表面和体内的电子因吸收光子能量而被激发，如果被激发的电子具有足够的能量，足以克服表面势垒而从表面离开，产生了光电子发射效应。CIS薄膜太阳能电池是以铜铟硒(CIS)为吸收层的薄膜太阳能电池。目前，还有在CIS中掺人部分Ga、A1来代替CIS中的In，从而形成CIGS或CIAS薄膜太阳能电池的结构;而且这一类电池被认为是未来最有希望实现产业化和大规模应用的化合物薄膜太阳能电池。美国的CuInSe2-cd(zn)s薄膜太阳能电池的光电转换效率可达12%，这使CIGS薄膜太阳能电池成为高性能薄膜太阳能电池的前列。
主要介绍CIGS薄膜的制备技术。
①Mo背电极薄膜的沉积。在电池研究过程中，包括Mo、Pt、Ni、A1、Au、Cu和Ag在内的很多金属都被试着用来制作背电极接触材料。研究发现，除了Mo和Ni之外，在制备CIGS薄膜的过程中，这些金属都会和CIGS产生不同程度的相互扩散。扩散引起的杂质将导致更多复合中心的产生，最终将导致电池效率的下降。在高温下Mo具有比Ni更好的稳定性，不会和Cu、In产生互扩散，并且具有很低的接触电阻，所以一直被用做理想的背电极材料。
Mo的沉积厚度约为0.5-1.5μm。首先在钠钙玻璃上采用射频磁控溅射、直流磁控溅射或真空热蒸发的方法沉积厚度约为1.0μm的Mo层。由于直流磁控溅射技术制备的Mo薄膜的均匀性好，薄膜的沉积速率高，所以，一般在沉积Mo薄膜时多采用直流磁控溅射技术来沉积。
②CIGS薄膜的沉积。具有黄铜矿结构的化合物材料CulnSe2(CIS)或CulnGaSe2(CIGS)在可见光范围内的吸收系数高达105 cm-1，通过改变镓的含量，其禁带宽度在1.04～1.67 eV范围内可调，可以制备出最佳禁带宽度的半导体材料。同时具有好的稳定性，耐空间辐射，属于最好的薄膜太阳能材料之一。美国可再生能源实验室用Cu、In、Se、Ga四元共蒸发沉积法制备的薄膜太阳能电池的转化效率已经高达18.8%。虽然共蒸发法在小面积电池上取得了最好的效率，在大面积制备薄膜太阳能电池的产业化应用方面，却存在其难以克服的障碍。目前采用较多的方法仍然是磁控溅射法。基于磁控溅射的工艺也有很多，主要有溅射预制薄膜后硒化方法，预制薄膜的制备等。基于以上的要求，制备的Culn(CuInGa)预制薄膜厚度为600～700 nm，Se化后Cu—InGaSe2薄膜的厚度为1.8～2.0μm，整个厚度会有2～3倍的提高。
二、光电变换薄膜材料的应用
太阳能光电转换装置就是太阳能电池。太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是利用光生伏特效应。当太阳光源或其他光辐射到太阳能电池的pn结上时，电池就吸收光能，从而产生电子一空穴对。这些电子一空穴对在电池的内建电场，即pn结电场的作用下，电子和空穴被电场分离，在pn结的两侧，即电池两端形成由电子和空穴组成的异性电荷积累，即产生“光生电压”，这就是所谓的“光生伏特效应”。如果将多个pn结串联起来，就可以得到具有一定电压的太阳能电池。太阳能电池的直接输出一般都是12 V(DC)、24 V(DC)、48V(DC)。
太阳能电池是受太阳光照射而工作的光电池。在带有受光面的半导体单晶，或非晶板的表面之下，制作pn结，其P区和n区分别与外电路相连接，在太阳光照射下。产生从P到n的电流。为使太阳能利用更快普及，需要进一步降低太阳能电池，特别是更具普及意义的a-Si太阳能电池的价格。为此，需要在a-Si太阳能电池制造工艺的简化、低能耗、无公害、省工时、省原材料、辅助材料(例如基板)价格降低等方面不断改善。与此同时，还要保证电池特性不断提高。目前，Si系太阳能电池的效率已达12%以上，在成膜装置方式方面，已普遍采用一室对应一个处理工序的多室连续方式，以及为提高膜层质量的超高真空连续分离成膜装置。
从材料方面讲，宽能隙P型a-SiC窗口材料已获得广泛应用，为进一步提高太阳能电池的效率，正在开发新的P型层材料。此外，超品格材料以及微品材料也有采用。关于电池的结构，最新发表的多为多层结构(多能隙结构)。而且，多品硅及CulnSe2等品体层与a-Si相组合的结构也在研究开发之中[4]。
窄能隙a-SiGe材料由于采用传统的含氢系，因此特性不够理想。随着制膜技术的改进和发展，以及氟系a-SiGe的开发，已经获得光导电特性优良的膜层。
三、结论
在成膜方法方面，已普遍采用各种等离子体控制方式，以及利用光、ECR等的CVD法等。总的说来，随着工艺进展，利用高速成膜法，已能获得高品质膜层。以上通过对光电变换薄膜材料制备原理技术及应用进行探讨，期望能够对当前光电变换薄膜材料的发展有所借鉴。
参考文献：
[1]胡居广，李启文，郑彬，汤华斌，王培，罗仲宽，曹慧群，林晓东. 衬底温度对PLD法沉积CdS及ZnS薄膜材料的影响[J]. 太阳能学报，2013，01：34-38.
[2]贺英，潘照东，张瑶斐，朱棣，陈杰，王均安. 聚苯胺/ZnO纳米线薄膜材料作为发光层的柔性光电器件及其发光机理[J]. 发光学报，2012，02：201-205.
[3]唐正霞，沈鸿烈，江丰. 不同薄膜材料上铝诱导多晶硅薄膜的研究[J]. 金陵科技学院学报，2012，03：38-41.
[4]伍雅峰，陈建，曾玲，何云辉，曾永久，张春雨，郑伟. 手工高分子薄膜材料拉伸试验研究[J]. 广东化工，2012，12：56-58.
作者简介： 麦佐艳(1985-)，女，本科，专利审查员，国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，光电发明审查部。
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