摘要：
       利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)人造金剛石制備光電池，鍍硼P型金剛石為襯底，50mkm厚的CVD IIa型金剛石薄膜沉積在襯底上。
       實(shí)驗(yàn)采用半透明入口接觸件技術(shù)；測(cè)量寬帶隙金剛石光電池的I-V特性。針對(duì)紫外光照射，普通接觸件和半透明接觸件的I-V進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示alpha、X光和紫外光照射的轉(zhuǎn)換效率在5÷7%范圍內(nèi)。
關(guān)鍵詞：
       鍍硼金剛石,CVD金剛石,金剛石異質(zhì)結(jié)構(gòu),光電池,半透明接觸件
1、引言
       目前，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的緊湊型自主式發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域仍為空缺。與光電池轉(zhuǎn)換光子能為電流技術(shù)相關(guān)的紫外光源和放射性同位素則是比較有前景的電力來(lái)源。
       研究者已經(jīng)試驗(yàn)了一系列紫外光和放射性衰變能量轉(zhuǎn)換的方法。在自動(dòng)氣象站、衛(wèi)星和燈塔等需要數(shù)百瓦功率的應(yīng)用設(shè)備中，通常使用放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機(jī)（RTGs）。
       鍶-90和釙-238是RTGs的主要熱量來(lái)源，而隨著鍍附人造金剛石等寬帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)明問(wèn)世，核能源性能便得到了極大的改善；其中，利用金剛石的光生伏特效應(yīng)可以將輻射能轉(zhuǎn)化為電流，核心技術(shù)是包含內(nèi)建電場(chǎng)的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
       人造金剛石設(shè)備的優(yōu)勢(shì)主要是輻射硬度高、耐操作溫度高（150℃）、熱導(dǎo)率高、化學(xué)惰性好。利用其優(yōu)越的特性可以制備出簡(jiǎn)潔緊湊的電源設(shè)備并工作數(shù)十年。
       文獻(xiàn)[7]對(duì)不同輻射類型的金剛石探測(cè)器的靈敏性進(jìn)行研究，并得到I-V特性；這些特性具有類二極管形狀并帶有清晰的1.6伏光伏轉(zhuǎn)換。該效應(yīng)是由于硼襯底和CVD金剛石沉積薄膜之間的界面所致。純金剛石表面的每個(gè)界面產(chǎn)生接觸電壓，而較高的電荷遷移則保證了電荷收集過(guò)程中較低的損耗。據(jù)此，可以將其應(yīng)用在不同類型的光伏轉(zhuǎn)換器上。
       本實(shí)驗(yàn)旨在制備一種人造金剛石光伏轉(zhuǎn)換器，利用p-i結(jié)構(gòu)的薄膜做轉(zhuǎn)換器并測(cè)量其光伏特性。通過(guò)制備半透明接觸片，保證短波輻射有效進(jìn)入轉(zhuǎn)換器。
2、問(wèn)題探討
       光電池用p-i結(jié)構(gòu)是一種沉積有CVD金剛石薄膜的襯底。該襯底為鍍硼HTHP IIb型金剛石襯底，具有良好的空穴導(dǎo)電性，襯底尺寸為4×4×0.5mm3，氮濃度低于1ppm，硼濃度低于100ppm。襯底上沉積出50mkm的IIa型CVD金剛石薄膜。在CVD金剛石的外表面沉積出半透明金屬觸點(diǎn)，在襯底底側(cè)沉積出普通金屬觸點(diǎn)。圖1為p-i結(jié)構(gòu)光伏轉(zhuǎn)換器示意圖。剪頭為入射輻射的方向。光電池的工作容積為一層IIa型金剛石層，和襯底相鄰。

3、P-I結(jié)構(gòu)的制備
A、襯底的制備
       在RD-G WEBB-117真空高溫爐中對(duì)HTHP金剛石晶體做退火處理，并對(duì)真空退火影響HTHP金剛石電導(dǎo)性與否做了研究。襯底參數(shù)主要是UV輻射和IR輻射下的吸收光譜和室溫下襯底的電導(dǎo)率。在10000℃~16000℃范圍內(nèi)（增量為1000℃）對(duì)吸收光譜和電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量；并對(duì)陰極發(fā)光強(qiáng)度和X射線發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)對(duì)Br40和Br03兩種晶體試樣特性進(jìn)行研究。陰極發(fā)光強(qiáng)度和X射線發(fā)光強(qiáng)度隨退火溫度升高而減弱，這說(shuō)明退火降低了晶體缺陷的濃度。由于退火引起晶體表面發(fā)生局部石墨化，所以在退火后要對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)清洗。
       利用較大電壓（不接近0伏）的I-V曲線的切線求得晶體電阻；在1100℃~1500℃范圍內(nèi)無(wú)輻射條件下利用靜電計(jì)求得I-Vs。在1300℃下退火后Br03試樣的電阻出現(xiàn)顯著變化，隨著后續(xù)退火處理，電阻變化逐漸降低了10倍。Br40試樣的電阻在整個(gè)退火過(guò)程中都單調(diào)遞減，最終達(dá)到50ohms，比初始值降低了2.3倍。
B、CVD金剛石的沉積
       襯底在退火處理并獲得良好導(dǎo)電性后開(kāi)始制備p-i結(jié)構(gòu)：在襯底上沉積出50微米厚的高純IIa型CVD金剛石同質(zhì)外延薄層，襯底背面沉積出30nm厚的硬金電觸點(diǎn)，在CVD薄膜正面沉積出3毫米寬的半透明觸片，有20微米寬的接觸條組成，間隔為50微米。鍍硼外延金剛石薄膜的沉積要求襯底的初始表面必須良好。利用電子顯微鏡對(duì)襯底進(jìn)行掃描，得到的陰極發(fā)光類型圖表明試樣中存在缺陷增多區(qū)，這和襯底的帶狀不均質(zhì)性相一致，并呈明亮的正十字形。這種結(jié)構(gòu)降低了同質(zhì)外延薄膜的質(zhì)量性能，且薄膜的不完全晶體結(jié)構(gòu)也降低了電離輻射轉(zhuǎn)化電流的效率。
C、光電池的制備
       實(shí)驗(yàn)利用DESK V磁控管在金剛石晶體上沉積出UV半透明硬金觸點(diǎn)。首先在晶體上沉積出一層連續(xù)金屬層，然后在晶體表面鋪設(shè)一層特殊的面罩。將帶有面罩的晶體放置在離子清洗裝置中，未被面罩覆蓋的金屬層部分就離子束去除掉。圖2為原子力顯微鏡（AFM）觀測(cè)到的半透明硬金觸點(diǎn)輪廓。

       實(shí)驗(yàn)采用幾種不同類型的銅材質(zhì)的面罩，利用激光切割加工而成。
       利用彈簧觸點(diǎn)將硬金觸點(diǎn)p-i結(jié)構(gòu)裝配在探測(cè)器室內(nèi)，面接觸為入口孔徑2mm的膜片狀。在不同條件下對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)試以分析UV、EUV和X射線轉(zhuǎn)化電流的效率。
       實(shí)驗(yàn)所用儀器為CanBerra 2001A 電荷靈敏前置放大器，BUI-14P ADC放大器。
4、實(shí)驗(yàn)分析
       對(duì)p-i結(jié)構(gòu)光電池的特性進(jìn)行研究分析。α粒子照射的p-i結(jié)構(gòu)電荷收集效率測(cè)試顯示：當(dāng)薄膜的電場(chǎng)估算值大于0.5V/m時(shí)，電荷收集效率高達(dá)90%，接近100%；并檢測(cè)到2%能量分辨率的5.5MeVα粒子峰值。5×102的α粒子通量相當(dāng)于0.44×10-9瓦的吸收能量。圖3為測(cè)得的I-V?？紤]到0.62V的光伏電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換器效率可以推斷相當(dāng)于5.4%。

       圖4是劑量率為1Rad/sec的X射線照射下的電流-電壓特性。隨著電流注入的增強(qiáng)，I-V負(fù)值迅速增長(zhǎng)并線性地取決于外延薄膜和硼襯底之間注入接觸邊界上的電場(chǎng)大小?？紤]到~1Rad/sec的劑量，1.4V變換光伏電壓和零偏差出1.8nA的電流，該條件下的轉(zhuǎn)換效率相當(dāng)于6%。

       圖5為UV氘燈照射條件下轉(zhuǎn)換器的I-V。該試驗(yàn)研究了普通接觸（實(shí)線部分）和半透明接觸（短虛線部分）兩種類型。曲線出現(xiàn)了相當(dāng)于-1.2V的清晰光伏變換。半透明觸點(diǎn)的光電池效率則實(shí)現(xiàn)了2倍之多。最后的實(shí)驗(yàn)中，效率數(shù)據(jù)沒(méi)有超過(guò)7%。

       以上實(shí)驗(yàn)可知，金剛石結(jié)構(gòu)觸片可以用于光照射轉(zhuǎn)換電流的轉(zhuǎn)換器設(shè)備。電離輻射轉(zhuǎn)換電流的效率取決于同質(zhì)外延薄膜的質(zhì)量性能。薄膜的晶體結(jié)構(gòu)缺陷降低了薄膜中載流子的平均壽命。改善襯底質(zhì)量則可以提高轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)并聯(lián)光電池可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模高效率的光伏轉(zhuǎn)換器設(shè)備建設(shè)。

5、結(jié)論
       金剛石p-i結(jié)構(gòu)可以用于光照射轉(zhuǎn)換電流的轉(zhuǎn)換器設(shè)備，研發(fā)了半透明窗口光電池制備技術(shù)。研制了普通、半透明入射窗口的金剛石光電池設(shè)備。利用UV、α和X射線照射對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)換效率范圍為5÷7%。 (編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng))