技术领域
[0001] 本
发明属于薄膜
太阳能电池材料及光电器件材料技术领域，特别涉及一种具有日光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法，具体来说，是一种具有日光光伏效应的
铁掺杂
碳/
氧化
硅/硅异质结薄膜材料及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着现代工业的蓬勃发展，传统的石化
能源不断枯竭，由此造成的环境污染也日益严重。因此，如何高效地利用太阳能现已经成为世界各国政府能源研究的重点，高效率低成本
太阳能电池的研制就是太阳能利用的重要途径之一。太阳能光伏电池是由
光电效应把光能转化为
电能的装置。太阳能电池是一种清洁的
可再生能源。尽管目前占主流的太阳能电池是
单晶硅、
多晶硅、非晶硅太阳能电池，但是由于复杂的制备工艺和过高的生产成本限制了它在日常生活中的广泛应用。Rusop通过PLD的方法制备了B掺杂的非晶碳膜/硅
异质结太阳能电池。非晶碳薄膜材料因其制备方法多样，材料便宜易得，结构物质稳定度高，原材料资源丰富而且无毒，带隙可调性大等优点，成为一种非常有可能提高太阳电池效率的新的材料。
[0003] a-C/Si碳基
半导体在光伏方面的应用最早可以追溯到在上个世纪90年代日本科学家H.A.Yu和TKaneko的研究[1]。随后日本及欧美的一大批科研工作者在此领域进行了探索，以日本学者为最多和最有代表性。如AshrafM.M.Omer[2]，Mohamad Rusop[3]分别用氮和磷元素成功实现了非晶碳膜的n型掺杂并制备了n-C/p-Si太阳能电池，Kalaga M.Krishna[4]等则报导了用离子溅射和
化学气相沉积方法(CVD)制备的用
硼元素实现p型掺杂的p-C:B/n-Si太阳能电池。随此后的十余年时间，非晶碳基光伏电池的研究日趋繁荣并取得了长足的进步。国内清华大学的吴德海，朱宏伟教授组近年来致
力于
石墨烯、非晶碳基光伏电池的研究，发表了一批很有影响力的文章；国内清华大学的章晓中教授组在碳基多功能光电薄膜材料方面的研究已有多年，在此领域取得了卓有成效的工作。C/Si基异质结是一种非常有潜力的太阳能电池的材料，具有产生较大转换效率而减少或最终完全移除Si层的可能性。碳基材料太阳能电池是科学研究和实用应用上都值得探索的课题。
[0004] 目前关于非晶碳和硅构成的a-C/Si异质结结构，其p型掺杂除了成功的用硼掺杂、碘掺杂和本课题提出的钴掺杂和通过铁层扩散的方法来实现外[5，6]，尚未有其他掺杂材料的有关报导。通过铁层
退火扩散的方法，能有效实现碳膜的铁掺杂，但是，无法精确控制碳膜中的铁掺杂含量[6，7]，而碳的非晶特征造成的pn结区的界面问题，也制约着该类电池的发展。
[0005] 参考文献：
[0006] 1.H.A.Yu，Y.Kaneko，S.Yoshimura，S.Otani，Appl.Phys.Lett.68，547(1996).[0007] 2.Ashraf M.M.Omera and Sudip Adhikari，APPLIED PHYSICS LETTERS 87，161912(2005).
[0008] 3.M.Rusop，Tetsuo Soga，Takashi Jimbo.Sol.Energy Mater.Sol.Cells.90，3214(2006).
[0009] 4.K.M.Krishna，Y.Nukaya，T.Soga，T.Jimbo，Sol.Energy Mater.Sol.Cells.65163(2001).
[0010] 5.Properties of Fe doped amorphous Carbon thin films for photovoltaic solar cell applications.Mater.Sci.Forum.685，110(2011).
[0011] 6.A bias voltage dependent positive magnetoresistance in Cox-C1-x/Si heterostructure.APPL.Phys.LETT.95，022503(2009).
[0012] 7.Enhancing Photovoltaic Characteristics of Iron Doped Amphous Carbon/Al2O3/Si Solar Cell by Al2O3 Interface Passivation.Jpn.J.Appl.Phys.50，070204(2011).
发明内容
[0013] 本发明的目的是提供一种具有日光光伏效应的异质结薄膜材料及其制备方法。本发明制备的具有日光光伏效应的异质结薄膜材料以氧化硅层为界面
钝化层，以铁掺杂的碳层为
活性层，所制备的异质结在室温条件下对可见光有光响应，具有明显光伏效应。
[0014] 本发明提供的具有日光光伏效应的异质结薄膜材料，其特征在于：在n型Si基片上依次设有氧化硅层和铁掺杂的碳层，形成具有日光光伏效应的铁掺杂碳/氧化硅/硅(C-Fe/SiO2/Si)异质结薄膜材料，其中，所述铁掺杂的碳层为p型半导体，作为活性层；所述氧化硅层为界面
钝化层。
[0015] 所述氧化硅层的厚度为1.5～2纳米。
[0016] 所述铁掺杂的碳层的厚度为20～80纳米。
[0017] 本发明还提供上述具有日光光伏效应的异质结薄膜材料的制备方法，特征在于：将n型硅基片在空气中自然氧化生成1.5～2nm的氧化硅层，再将基片依次放入丙
酮和酒精中加热超声清洗处理，在每一种清洗液中可清洗2至3遍。
[0018] 将铁碳靶和清洗洁净的
硅片放入
脉冲激光沉积(PLD)设备的
真空镀膜室内，用机-4械
泵和分子泵将镀膜室内的背底真空抽至5×10 Pa后，加热基片至320～360℃，再用KrF
激光器(Lambda Physics LPX205，248nm，25ns FWHM)产生的
能量为280～300mJ的脉冲烧蚀铁碳靶，在同样的
温度下(320～360℃)沉积铁掺杂的碳层。
[0019] 沉积结束后维持在沉积温度上退火，退火时间可为10～15min；退火结束后，样品自然冷却至室温，得到具有日光光伏效应的铁掺杂碳/氧化硅/硅异质结薄膜材料。
[0020] 沉积过程中的其他工艺参数还包括：靶基距为45mm，
激光束在靶材上的束斑大小约为2×4mm，激光重复
频率控制在1～6Hz。
[0021] 本发明的有益效果为：
[0022] 1、采用的原材料成本低，在室温下具有明显的光伏效应。PLD沉积制备的p-n结界面非常平坦，结区
原子互扩散通过薄层SiO2得到有效抑制，相对于未加入SiO2薄膜的C-Fe/2
Si异质结，光伏效应得到明显增强，在室温、100mW/cm(AM 1.5)的模拟太阳
光源照射下，器
2
件的开路光
电压达到180mV、
短路光
电流为7.96mA/cm。是一种具有潜力的光伏器件。
[0023] 2、采用激光脉冲沉积方法制备薄膜，方法简单，工艺稳定，可控性好，无污染。
[0024] 3、采用该材料具有性能优越，价格低廉，制备简单等特点，并且在制备过程中，不使用任何有毒易燃易爆物质，符合环保要求。
附图说明
[0025] 图1为C-Fe/SiO2/Si
异质结构薄膜材料的结构示意图；
[0026] 图2为C-Fe/SiO2/Si异质结构薄膜材料的光伏性能测试示意图；
[0027] 图3为有SiO2薄膜作为界面钝化层时的C-Fe/SiO2/Si异质结材料光照下的室温光伏效应图；及无界面钝化层和有SiO2薄膜作为界面钝化层时的C-Fe/Si和C-Fe/SiO2/Si异质结光伏效应比较图；
[0028] 图中标号：1-n-Si(100)基片；2-氧化硅(SiO2)层；3-铁掺杂的碳(C-Fe)层；4-金属
电极。
具体实施方式
[0029] 下面的
实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
[0030] 实施例1
[0031] 一种具有日光光伏响应的异质结薄膜材料，其特征在于：在n型Si基片上依次设有氧化硅层和铁掺杂的碳层，形成具有日光光伏效应的C-Fe/SiO2/Si异质结薄膜材料。其中，所述铁掺杂的碳层为p型半导体，作为活性层；所述氧化硅层位界面钝化层。
[0032] 所述氧化硅层的厚度为2纳米。
[0033] 所述铁掺杂的碳层的厚度为20纳米。
[0034] 这种具有日光光伏效应的异质结薄膜材料的制备方法：将n型硅基片在空气中自然氧化生成氧化硅层，再将基片依次放入丙酮和酒精中加热超声清洗处理，在每一种清洗液中清洗2至3遍。
[0035] 将清洗洁净的硅片和铁碳靶放入脉冲激光沉积(PLD)设备的
真空镀膜室内，用机-4械泵和分子泵将镀膜室内的背底真空抽至5×10 Pa后，加热基片至350℃，再用KrF激光器(Lambda Physics LPX205，248nm，25ns FWHM)产生的能量为280～300mJ的脉冲烧蚀铁碳靶，在同样的温度下(350℃)沉积铁掺杂的碳层。
[0036] 沉积结束后维持在沉积温度上(350℃)退火10min；退火结束后，样品自然冷却至室温，得到具有日光光伏效应的异质结薄膜材料。氧化硅层的厚度为2纳米，铁掺杂的碳层的厚度为20纳米。
[0037] 所述铁碳靶采用如下方法制备：将纯度均＞99.99wt％的碳粉和铁粉混合，再球磨，然后
冷压成铁碳靶，其中铁粉占铁粉和碳粉总重量的5％。
[0038] 沉积过程中的其他工艺参数还包括：靶基距为45mm，激光束在靶材上的束斑大小约为2×4mm，激光重复频率控制在1～6Hz。
[0039] 本发明所制备的C-Fe/SiO2/Si异质结薄膜材料样品的各层膜厚度和形貌由TEM(JEM-2011)测量。IV性能用梳状电极上下垂直测量法由Keithley2400电流电压表测2
量；光源由100mW/cm(AM 1.5)的模拟太阳光源提供。
[0040] C-Fe/SiO2/Si异质结薄膜材料的结构图如图1所示，其光伏性能测试原理图如图2所示，本实施例制备的C-Fe/SiO2/Si异质结薄膜材料的光伏性能测量结果由图3所示。在
2 2
100mW/cm(AM 1.5)的模拟太阳光源照射下，可以产生在室温、100mW/cm(AM 1.5)的模拟
2
太阳光源照射下，器件的开路光电压为163mV、短路光电流为7.96mA/cm。填充因子为42％。
[0041] 实施例2
[0042] 除了沉积的铁掺杂的碳层的厚度在40nm外，其余与实例1的方法相同。
[0043] 本实施例制备的C-Fe/SiO2/Si异质结薄膜材料其光伏性能测量结果如下：在在室2
温、100mW/cm(AM 1.5)的模拟太阳光源照射下，器件的开路光电压达到180mV、短路光电流
2
为7.1mA/cm。
[0044] 实施例3
[0045] 除了沉积的铁掺杂的碳层的厚度在80nm外，其余与实例1的方法相同。
[0046] 本实施例制备的C-Fe/SiO2/Si异质结薄膜材料其光伏性能测量结果如下：在在室2
温、100mW/cm(AM 1.5)的模拟太阳光源照射下，器件的开路光电压为170mV、短路光电流为
2
6.5mA/cm。
[0047] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求的保护范围为准。
