摘要：異質結構（p-i結構）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。
       實驗研發了一種半透明端口觸頭制備技術；對寬帶隙金剛石光伏電池的電流-電壓（I-V）特性進行測量。在紫外線照射實驗中對普通觸頭和半透明觸頭進行對比。實驗數據顯示α、X射線和紫外線照射的換能效率大致在5%~7%范圍。
關鍵詞：鍍硼金剛石，CVD金剛石，金剛石異質結構，光伏電池，半透明觸頭
1、引言
       近年來，人們利用紫外線或放射性同位素，結合光伏電池轉化光子能為電流的技術，成功解決了能長時間運轉工作的緊湊自動發電機短缺的問題。
       不少研究者已經提出了轉化紫外線和放射性衰變能量的方法。例如，在供應數百瓦特的應用案例中，人們采用放射性同位素熱電式發電機（RTG）用于自動氣象觀測站、燈塔和衛星等設備供電。
       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體材料制備而成的光伏變換器研發出來之后，核能源便成為電源供應的新機遇；而利用金剛石的光伏效應則可以將輻射能轉化為電流。含有內置電場區的半導體結構則是這種設備的關鍵。
       金剛石材料設備的優勢主要有耐輻射性好、工作溫度高、熱導率高、化學惰性好。利用這些材料設備可以制備出簡單緊湊且能工作數十年的電源設備。
       實驗利用不同類型的輻射（紫外線、X射線、帶電粒子、快中子）來檢驗金剛石探測器的敏感性，并獲取電流-電壓特性數據。這種電流-電壓特性呈類二極管形狀，帶有明顯的1.6伏的光伏轉換。這種效應主要由硼襯底和沉積出的金剛石薄膜之間的界面引起。每個界面都會產生接觸電壓，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換器。（p-i）結構的薄膜是本實驗的光伏轉換器材料，并對其光復特性進行檢測。實驗還研發了一種半透明觸頭制備技術，以保證短波輻射能進入轉換器內。
2、問題
       用于光伏電池的（p-i）結構是一種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）結構的光伏轉換器。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）結構的光伏電池；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）結構的制備
（1）襯底的制備
       在高溫真空爐RD-G WEBB-117中對HTHP金剛石晶體進行熱處理。并研究真空熱處理對HTHP金剛石傳導的影響。襯底的主要參數為紫外線和紅外輻射下的吸收光譜以及室溫下襯底的導電性。吸收光譜和導電率的溫度測量范圍為10000℃-16000℃，溫度增量為1000℃。同時還測量了陰極射線發光和X射線發冷光的強度。實驗對Br40和Br03兩種晶體試樣的特性進行了研究。隨著熱處理溫度的增高，陰極發光的強度逐漸變弱；X射線發冷光的測量結果顯示，熱處理降低了發冷光的光度對比和亮度。這說明熱處理降低了晶體缺陷的密度。完成熱處理工藝后，要對試樣進行化學清洗以去除熱處理過程中給晶體表面帶來的局部石墨化。
       在1100℃-1500℃范圍內無輻射條件下利用靜電計測量電流-電壓數據。Br03材料的電阻在熱處理溫度達到1300℃后出現明顯變化，并隨著后續操作步驟而逐漸降低10倍左右。Br40材料的電阻在整個熱處理過程中單調遞減，只有在1500℃時達到50歐姆，比初始值低了約2.3倍。
（2）CVD金剛石沉積
       對襯底完成熱處理并獲得良好導電性之后開始制備p-i結構：在襯底上沉積出50微米厚度的IIa型高純同質外延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，每個觸頭之間有一條20微米寬50微米長的隔離帶。利用電子顯微鏡對襯底進行掃描，得到的陰極發光圖樣表明試樣上存在缺陷增多區域，和襯底上的帶狀非均勻區相對應，呈明亮的十字形。這種結構降低了同質外延薄膜的質量；而薄膜結構的晶體缺陷也降低了電離輻射轉化電流的效率。
（3）光伏電池的制備
       利用磁控沉積設備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。這樣，未被覆蓋的金屬就會被離子束去除掉。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過激光切割而成。
4、實驗實例與結果
       實驗對p-i結構光伏電池的特性進行了研究，利用α粒子照射p-i結構后的電荷收集效率實驗顯示，電荷收集效率超過了90%，當薄膜中的電場大于0.5V/m時，效率基本達到100%。同時還檢測到能量分辨率為2%的5.5MeV的α粒子峰值。5×102的α粒子流相當于0.44×10-9瓦特的吸收能。圖三為電流-電壓測試數據。當施以零偏差電壓時，電流顯示為3.40pA。考慮到0.62V的光伏電壓轉換，光伏轉換器的效率計算為5.4%。

圖三：α粒子輻射條件下p-i結構的電流-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負支快速增長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量級。在輻射劑量為~1Rad/sec，零偏差光伏轉換電壓為1.4V，電流為1.8nA的條件下，光伏轉換器效率計算為6%。

       圖五為紫外線氘燈照射條件下的轉換器I-V圖。實驗對普通觸頭（實線）和半透明觸頭（虛線）兩種類型的觸頭進行研究。曲線在-1.2V處出現明顯的光伏變化。半透明觸頭的光伏電池轉換效率是普通觸頭電池效率的兩倍之多。在最后的實驗中個，轉換效率未超過7%。

圖六為半透明觸頭的晶體實物圖。

       由此可見，實驗制備而得的金剛石結構可以作為輻射轉化電流的轉換器，其轉換效率取決于同質外延薄膜的質量。而這些薄膜結構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量則可以提高光伏轉換器的性能效率。
5、結論
       本實驗證明了p-i結構金剛石可以制備輻射能轉化電能的轉換器，并研發了一種光伏電池用的半透明觸頭技術。同時還對紫外線、α射線和X射線照射條件下轉換器的效率進行了實驗，計算得出的轉換效率范圍為5%~7%。（編譯：中國超硬材料網）