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       摘要：异质结构（p-i结构）人造金刚石制备光伏电池。利用镀硼P型金刚石作为材料衬底。在该衬底上沉积出厚度为50mkm的CVD IIa型金刚石薄膜。
       实验研发了一种半透明端口触头制备技术；对宽带隙金刚石光伏电池的电流-电压（I-V）特性进行测量。在紫外线照射实验中对普通触头和半透明触头进行对比。实验数据显示α、X射线和紫外线照射的换能效率大致在5%~7%范围。
关键词：镀硼金刚石，CVD金刚石，金刚石异质结构，光伏电池，半透明触头
1、引言
       近年来，人们利用紫外线或放射性同位素，结合光伏电池转化光子能为电流的技术，成功解决了能长时间运转工作的紧凑自动发电机短缺的问题。
       不少研究者已经提出了转化紫外线和放射性衰变能量的方法。例如，在供应数百瓦特的应用案例中，人们采用放射性同位素热电式发电机（RTG）用于自动气象观测站、灯塔和卫星等设备供电。
       Sr-90 和Pu-238是RTG工作的主要燃料。以镀附人造金刚石为代表的宽带隙半导体材料制备而成的光伏变换器研发出来之后，核能源便成为电源供应的新机遇；而利用金刚石的光伏效应则可以将辐射能转化为电流。含有内置电场区的半导体结构则是这种设备的关键。
       金刚石材料设备的优势主要有耐辐射性好、工作温度高、热导率高、化学惰性好。利用这些材料设备可以制备出简单紧凑且能工作数十年的电源设备。
       实验利用不同类型的辐射（紫外线、X射线、带电粒子、快中子）来检验金刚石探测器的敏感性，并获取电流-电压特性数据。这种电流-电压特性呈类二极管形状，带有明显的1.6伏的光伏转换。这种效应主要由硼衬底和沉积出的金刚石薄膜之间的界面引起。每个界面都会产生接触电压，而较高的电荷迁移则保证了电荷收集的损耗毕竟小。光伏转换器就是利用了这种原理。
       本研究旨在制备人造金刚石材料的光伏转换器。（p-i）结构的薄膜是本实验的光伏转换器材料，并对其光复特性进行检测。实验还研发了一种半透明触头制备技术，以保证短波辐射能进入转换器内。
2、问题
       用于光伏电池的（p-i）结构是一种CVD金刚石薄膜，衬底为掺硼高温高压（HTHP）IIb型金刚石衬底（p型）且具有良好的空穴导电性。衬底材料的尺寸为4×4×0.5mm3。氮浓度低于1ppm；硼浓度为100ppm；CVD IIa型金刚石薄膜厚度为50mkm。在CVD金刚石外表面上分别沉积出普通触头和半透明金属触头；在衬底的底部沉积上普通金属触头。图一为（p-i）结构的光伏转换器。箭头代表入射辐射。光伏电池的工作容积为IIa型金刚石层。

图一：（p-i）结构的光伏电池；p型HTHP金刚石衬底上沉积出50mkm厚度的CVD IIa型金刚石薄膜

3、（p-i）结构的制备
（1）衬底的制备
       在高温真空炉RD-G WEBB-117中对HTHP金刚石晶体进行热处理。并研究真空热处理对HTHP金刚石传导的影响。衬底的主要参数为紫外线和红外辐射下的吸收光谱以及室温下衬底的导电性。吸收光谱和导电率的温度测量范围为10000℃-16000℃，温度增量为1000℃。同时还测量了阴极射线发光和X射线发冷光的强度。实验对Br40和Br03两种晶体试样的特性进行了研究。随着热处理温度的增高，阴极发光的强度逐渐变弱；X射线发冷光的测量结果显示，热处理降低了发冷光的光度对比和亮度。这说明热处理降低了晶体缺陷的密度。完成热处理工艺后，要对试样进行化学清洗以去除热处理过程中给晶体表面带来的局部石墨化。
       在1100℃-1500℃范围内无辐射条件下利用静电计测量电流-电压数据。Br03材料的电阻在热处理温度达到1300℃后出现明显变化，并随着后续操作步骤而逐渐降低10倍左右。Br40材料的电阻在整个热处理过程中单调递减，只有在1500℃时达到50欧姆，比初始值低了约2.3倍。
（2）CVD金刚石沉积
       对衬底完成热处理并获得良好导电性之后开始制备p-i结构：在衬底上沉积出50微米厚度的IIa型高纯同质外延CVD金刚石层。在试样的背面沉积上30nm厚的纯金电触头。在CVD薄膜的正面沉积出一层3mm宽的半透明触头，每个触头之间有一条20微米宽50微米长的隔离带。利用电子显微镜对衬底进行扫描，得到的阴极发光图样表明试样上存在缺陷增多区域，和衬底上的带状非均匀区相对应，呈明亮的十字形。这种结构降低了同质外延薄膜的质量；而薄膜结构的晶体缺陷也降低了电离辐射转化电流的效率。
（3）光伏电池的制备
       利用磁控沉积设备DESK V在金刚石晶体上制备紫外线半透明纯金触头。首先在晶体上沉积出连续的金属层，然后在晶体表面覆山高以成特殊的面罩。然后将覆盖了面罩的晶体放入离子清洗装置内。这样，未被覆盖的金属就会被离子束去除掉。图2为原子力显微镜下半透明纯金触头示意图。

图二：原子力显微镜下半透明纯金触头

覆盖晶体用的面罩由铜材料经过激光切割而成。
4、实验实例与结果
       实验对p-i结构光伏电池的特性进行了研究，利用α粒子照射p-i结构后的电荷收集效率实验显示，电荷收集效率超过了90%，当薄膜中的电场大于0.5V/m时，效率基本达到100%。同时还检测到能量分辨率为2%的5.5MeV的α粒子峰值。5×102的α粒子流相当于0.44×10-9瓦特的吸收能。图三为电流-电压测试数据。当施以零偏差电压时，电流显示为3.40pA。考虑到0.62V的光伏电压转换，光伏转换器的效率计算为5.4%。

图三：α粒子辐射条件下p-i结构的电流-电压示意图

       图四为放射剂量为1Rad/sec的X射线辐射条件下试样的电流-电压特性图。I-V负支快速增长是由于注入电流增大，且取决于外延薄膜和硼衬底之间注入接触边界上的电场量级。在辐射剂量为~1Rad/sec，零偏差光伏转换电压为1.4V，电流为1.8nA的条件下，光伏转换器效率计算为6%。

       图五为紫外线氘灯照射条件下的转换器I-V图。实验对普通触头（实线）和半透明触头（虚线）两种类型的触头进行研究。曲线在-1.2V处出现明显的光伏变化。半透明触头的光伏电池转换效率是普通触头电池效率的两倍之多。在最后的实验中个，转换效率未超过7%。

图六为半透明触头的晶体实物图。

       由此可见，实验制备而得的金刚石结构可以作为辐射转化电流的转换器，其转换效率取决于同质外延薄膜的质量。而这些薄膜结构的晶体缺陷又降低了薄膜中载荷子的平均寿命。改善衬底材料和沉积薄膜的质量则可以提高光伏转换器的性能效率。
5、结论
       本实验证明了p-i结构金刚石可以制备辐射能转化电能的转换器，并研发了一种光伏电池用的半透明触头技术。同时还对紫外线、α射线和X射线照射条件下转换器的效率进行了实验，计算得出的转换效率范围为5%~7%。（编译：中国超硬材料网）