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摘要：
       利用异质结构人造金刚石制备光电池，镀硼P型金刚石为衬底，50mkm厚的CVD IIa型金刚石薄膜沉积在衬底上。
       实验采用半透明入口接触件技术；测量宽带隙金刚石光电池的I-V特性。针对紫外光照射，普通接触件和半透明接触件的I-V进行对比研究。实验结果显示alpha、X光和紫外光照射的转换效率在5÷7%范围内。
关键词：
       镀硼金刚石,CVD金刚石,金刚石异质结构,光电池,半透明接触件
1、引言
       目前，长时间运转的紧凑型自主式发电机技术领域仍为空缺。与光电池转换光子能为电流技术相关的紫外光源和放射性同位素则是比较有前景的电力来源。
       研究者已经试验了一系列紫外光和放射性衰变能量转换的方法。在自动气象站、卫星和灯塔等需要数百瓦功率的应用设备中，通常使用放射性同位素热电式发电机（RTGs）。
       锶-90和钋-238是RTGs的主要热量来源，而随着镀附人造金刚石等宽带隙半导体材料的发明问世，核能源性能便得到了极大的改善；其中，利用金刚石的光生伏特效应可以将辐射能转化为电流，核心技术是包含内建电场的半导体结构。
       人造金刚石设备的优势主要是辐射硬度高、耐操作温度高（150℃）、热导率高、化学惰性好。利用其优越的特性可以制备出简洁紧凑的电源设备并工作数十年。
       文献[7]对不同辐射类型的金刚石探测器的灵敏性进行研究，并得到I-V特性；这些特性具有类二极管形状并带有清晰的1.6伏光伏转换。该效应是由于硼衬底和CVD金刚石沉积薄膜之间的界面所致。纯金刚石表面的每个界面产生接触电压，而较高的电荷迁移则保证了电荷收集过程中较低的损耗。据此，可以将其应用在不同类型的光伏转换器上。
       本实验旨在制备一种人造金刚石光伏转换器，利用p-i结构的薄膜做转换器并测量其光伏特性。通过制备半透明接触片，保证短波辐射有效进入转换器。
2、问题探讨
       光电池用p-i结构是一种沉积有CVD金刚石薄膜的衬底。该衬底为镀硼HTHP IIb型金刚石衬底，具有良好的空穴导电性，衬底尺寸为4×4×0.5mm3，氮浓度低于1ppm，硼浓度低于100ppm。衬底上沉积出50mkm的IIa型CVD金刚石薄膜。在CVD金刚石的外表面沉积出半透明金属触点，在衬底底侧沉积出普通金属触点。图1为p-i结构光伏转换器示意图。剪头为入射辐射的方向。光电池的工作容积为一层IIa型金刚石层，和衬底相邻。

3、P-I结构的制备
A、衬底的制备
       在RD-G WEBB-117真空高温炉中对HTHP金刚石晶体做退火处理，并对真空退火影响HTHP金刚石电导性与否做了研究。衬底参数主要是UV辐射和IR辐射下的吸收光谱和室温下衬底的电导率。在10000℃~16000℃范围内（增量为1000℃）对吸收光谱和电导率进行测量；并对阴极发光强度和X射线发光强度进行测量。实验对Br40和Br03两种晶体试样特性进行研究。阴极发光强度和X射线发光强度随退火温度升高而减弱，这说明退火降低了晶体缺陷的浓度。由于退火引起晶体表面发生局部石墨化，所以在退火后要对试样进行化学清洗。
       利用较大电压（不接近0伏）的I-V曲线的切线求得晶体电阻；在1100℃~1500℃范围内无辐射条件下利用静电计求得I-Vs。在1300℃下退火后Br03试样的电阻出现显著变化，随着后续退火处理，电阻变化逐渐降低了10倍。Br40试样的电阻在整个退火过程中都单调递减，最终达到50ohms，比初始值降低了2.3倍。
B、CVD金刚石的沉积
       衬底在退火处理并获得良好导电性后开始制备p-i结构：在衬底上沉积出50微米厚的高纯IIa型CVD金刚石同质外延薄层，衬底背面沉积出30nm厚的硬金电触点，在CVD薄膜正面沉积出3毫米宽的半透明触片，有20微米宽的接触条组成，间隔为50微米。镀硼外延金刚石薄膜的沉积要求衬底的初始表面必须良好。利用电子显微镜对衬底进行扫描，得到的阴极发光类型图表明试样中存在缺陷增多区，这和衬底的带状不均质性相一致，并呈明亮的正十字形。这种结构降低了同质外延薄膜的质量性能，且薄膜的不完全晶体结构也降低了电离辐射转化电流的效率。
C、光电池的制备
       实验利用DESK V磁控管在金刚石晶体上沉积出UV半透明硬金触点。首先在晶体上沉积出一层连续金属层，然后在晶体表面铺设一层特殊的面罩。将带有面罩的晶体放置在离子清洗装置中，未被面罩覆盖的金属层部分就离子束去除掉。图2为原子力显微镜（AFM）观测到的半透明硬金触点轮廓。

       实验采用几种不同类型的铜材质的面罩，利用激光切割加工而成。
       利用弹簧触点将硬金触点p-i结构装配在探测器室内，面接触为入口孔径2mm的膜片状。在不同条件下对转换器进行测试以分析UV、EUV和X射线转化电流的效率。
       实验所用仪器为CanBerra 2001A 电荷灵敏前置放大器，BUI-14P ADC放大器。
4、实验分析
       对p-i结构光电池的特性进行研究分析。α粒子照射的p-i结构电荷收集效率测试显示：当薄膜的电场估算值大于0.5V/m时，电荷收集效率高达90%，接近100%；并检测到2%能量分辨率的5.5MeVα粒子峰值。5×102的α粒子通量相当于0.44×10-9瓦的吸收能量。图3为测得的I-V。考虑到0.62V的光伏电压转换，转换器效率可以推断相当于5.4%。

       图4是剂量率为1Rad/sec的X射线照射下的电流-电压特性。随着电流注入的增强，I-V负值迅速增长并线性地取决于外延薄膜和硼衬底之间注入接触边界上的电场大小。考虑到~1Rad/sec的剂量，1.4V变换光伏电压和零偏差出1.8nA的电流，该条件下的转换效率相当于6%。

       图5为UV氘灯照射条件下转换器的I-V。该试验研究了普通接触（实线部分）和半透明接触（短虚线部分）两种类型。曲线出现了相当于-1.2V的清晰光伏变换。半透明触点的光电池效率则实现了2倍之多。最后的实验中，效率数据没有超过7%。

       以上实验可知，金刚石结构触片可以用于光照射转换电流的转换器设备。电离辐射转换电流的效率取决于同质外延薄膜的质量性能。薄膜的晶体结构缺陷降低了薄膜中载流子的平均寿命。改善衬底质量则可以提高转换效率。通过并联光电池可以实现大规模高效率的光伏转换器设备建设。

5、结论
       金刚石p-i结构可以用于光照射转换电流的转换器设备，研发了半透明窗口光电池制备技术。研制了普通、半透明入射窗口的金刚石光电池设备。利用UV、α和X射线照射对转换器进行测试，转换效率范围为5÷7%。 (编译：中国超硬材料网)