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摘要：
       利用異質結構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。
       實驗采用半透明入口接觸件技術；測量寬帶隙金剛石光電池的I-V特性。針對紫外光照射，普通接觸件和半透明接觸件的I-V進行對比研究。實驗結果顯示alpha、X光和紫外光照射的轉換效率在5÷7%范圍內。
關鍵詞：
       鍍硼金剛石,CVD金剛石,金剛石異質結構,光電池,半透明接觸件
1、引言
       目前，長時間運轉的緊湊型自主式發電機技術領域仍為空缺。與光電池轉換光子能為電流技術相關的紫外光源和放射性同位素則是比較有前景的電力來源。
       研究者已經試驗了一系列紫外光和放射性衰變能量轉換的方法。在自動氣象站、衛星和燈塔等需要數百瓦功率的應用設備中，通常使用放射性同位素熱電式發電機（RTGs）。
       鍶-90和釙-238是RTGs的主要熱量來源，而隨著鍍附人造金剛石等寬帶隙半導體材料的發明問世，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可以將輻射能轉化為電流，核心技術是包含內建電場的半導體結構。
       人造金剛石設備的優勢主要是輻射硬度高、耐操作溫度高（150℃）、熱導率高、化學惰性好。利用其優越的特性可以制備出簡潔緊湊的電源設備并工作數十年。
       文獻[7]對不同輻射類型的金剛石探測器的靈敏性進行研究，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伏光伏轉換。該效應是由于硼襯底和CVD金剛石沉積薄膜之間的界面所致。純金剛石表面的每個界面產生接觸電壓，而較高的電荷遷移則保證了電荷收集過程中較低的損耗。據此，可以將其應用在不同類型的光伏轉換器上。
       本實驗旨在制備一種人造金剛石光伏轉換器，利用p-i結構的薄膜做轉換器并測量其光伏特性。通過制備半透明接觸片，保證短波輻射有效進入轉換器。
2、問題探討
       光電池用p-i結構是一種沉積有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，在襯底底側沉積出普通金屬觸點。圖1為p-i結構光伏轉換器示意圖。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結構的制備
A、襯底的制備
       在RD-G WEBB-117真空高溫爐中對HTHP金剛石晶體做退火處理，并對真空退火影響HTHP金剛石電導性與否做了研究。襯底參數主要是UV輻射和IR輻射下的吸收光譜和室溫下襯底的電導率。在10000℃~16000℃范圍內（增量為1000℃）對吸收光譜和電導率進行測量；并對陰極發光強度和X射線發光強度進行測量。實驗對Br40和Br03兩種晶體試樣特性進行研究。陰極發光強度和X射線發光強度隨退火溫度升高而減弱，這說明退火降低了晶體缺陷的濃度。由于退火引起晶體表面發生局部石墨化，所以在退火后要對試樣進行化學清洗。
       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℃范圍內無輻射條件下利用靜電計求得I-Vs。在1300℃下退火后Br03試樣的電阻出現顯著變化，隨著后續退火處理，電阻變化逐漸降低了10倍。Br40試樣的電阻在整個退火過程中都單調遞減，最終達到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電性后開始制備p-i結構：在襯底上沉積出50微米厚的高純IIa型CVD金剛石同質外延薄層，襯底背面沉積出30nm厚的硬金電觸點，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。利用電子顯微鏡對襯底進行掃描，得到的陰極發光類型圖表明試樣中存在缺陷增多區，這和襯底的帶狀不均質性相一致，并呈明亮的正十字形。這種結構降低了同質外延薄膜的質量性能，且薄膜的不完全晶體結構也降低了電離輻射轉化電流的效率。
C、光電池的制備
       實驗利用DESK V磁控管在金剛石晶體上沉積出UV半透明硬金觸點。首先在晶體上沉積出一層連續金屬層，然后在晶體表面鋪設一層特殊的面罩。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）觀測到的半透明硬金觸點輪廓。

       實驗采用幾種不同類型的銅材質的面罩，利用激光切割加工而成。
       利用彈簧觸點將硬金觸點p-i結構裝配在探測器室內，面接觸為入口孔徑2mm的膜片狀。在不同條件下對轉換器進行測試以分析UV、EUV和X射線轉化電流的效率。
       實驗所用儀器為CanBerra 2001A 電荷靈敏前置放大器，BUI-14P ADC放大器。
4、實驗分析
       對p-i結構光電池的特性進行研究分析。α粒子照射的p-i結構電荷收集效率測試顯示：當薄膜的電場估算值大于0.5V/m時，電荷收集效率高達90%，接近100%；并檢測到2%能量分辨率的5.5MeVα粒子峰值。5×102的α粒子通量相當于0.44×10-9瓦的吸收能量。圖3為測得的I-V。考慮到0.62V的光伏電壓轉換，轉換器效率可以推斷相當于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，I-V負值迅速增長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大小。考慮到~1Rad/sec的劑量，1.4V變換光伏電壓和零偏差出1.8nA的電流，該條件下的轉換效率相當于6%。

       圖5為UV氘燈照射條件下轉換器的I-V。該試驗研究了普通接觸（實線部分）和半透明接觸（短虛線部分）兩種類型。曲線出現了相當于-1.2V的清晰光伏變換。半透明觸點的光電池效率則實現了2倍之多。最后的實驗中，效率數據沒有超過7%。

       以上實驗可知，金剛石結構觸片可以用于光照射轉換電流的轉換器設備。電離輻射轉換電流的效率取決于同質外延薄膜的質量性能。薄膜的晶體結構缺陷降低了薄膜中載流子的平均壽命。改善襯底質量則可以提高轉換效率。通過并聯光電池可以實現大規模高效率的光伏轉換器設備建設。

5、結論
       金剛石p-i結構可以用于光照射轉換電流的轉換器設備，研發了半透明窗口光電池制備技術。研制了普通、半透明入射窗口的金剛石光電池設備。利用UV、α和X射線照射對轉換器進行測試，轉換效率范圍為5÷7%。 (編譯：中國超硬材料網)