[發明專利]一種金剛石薄膜太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 200710304533.9
• 申請日: 2007-12-28
• 公開（公告）號: CN101471214A
• 公開（公告）日: 2009-07-01
• 發明（設計）人: 熊玉卿;王多書;羅崇泰;任妮;馬勉軍
• 申請（專利權）人: 中國航天科技集團公司第五研究院第五一〇研究所
• 主分類號: H01J1/304
• 分類號: H01J1/304;H01J1/13;H01J9/02;H01L37/00;H01L31/04
• 代理公司: 北京理工大學專利中心
• 代理人: 張利萍

技術領域

本發明涉及到一種空間能源技術領域的太陽能電池，具體涉及到一種應用特殊結構金剛石薄膜的太陽能電池。

背景技術

太陽能是地球上一個用之不竭的可再生能源寶庫，太陽40分鐘內投射到地球表面的能量就相當于全世界每年消耗能量的總和。因此，如果能充分地利用太陽能，人類的未來就有了保障。人類利用太陽能的想法其實由來已久，最早是將它轉換為熱能加以利用，后來光伏效應的發現使太陽能轉化為電能成為可能，從而為解決地球能源枯竭的問題提供了希望。

專家預測，到2030年太陽能發電將占世界發電總量的50％，所以，大力發展太陽電池產業是一件有利于降低環境污染并造福于人類的偉大事業，太陽電池也必將成為人類未來能源的希望之星。

從目前的發展狀況來看，由于受單晶硅材料價格和單晶硅電池制備過程的限制，若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的，從而會阻礙太陽電池的進一步推廣應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用具有特殊結構的金剛石薄膜作為陰極的太陽能電池。

本發明的目的可通過以下技術措施實現：

在金屬陰極上生長有大量均勻分布的、3～4μm尺度的金字塔形金剛石小錐體，錐體的密度為每cm²面積一千萬量級；在電場作用下，利用錐體尖端的場發射效應發射出電子，通過加熱陰極，達到1000℃以上的溫度，使發出的電子數量大幅度增加，到達陽極后，形成電流。

本發明的目的還可以通過以下技術措施實現：

(1)利用化學刻蝕方法或者激光直寫方法，在硅基底的表面加工出大量均勻分布的、直徑約為5μm的小孔，孔深度為4～5μm，小孔在硅基底表面呈正方形排列，孔間距約為10μm，每cm²面積上的小孔數量在于萬量級；

(2)利用微波等離子體化學氣相沉積方法(MPECVD)，在硅基底上生長金剛石薄膜，工作氣體為氫氣(H₂)、甲烷(CH₄)和氧氣(O₂)；沉積參數為：基片溫度1000℃，微波功率3.5kW，沉積室氣壓5kPa，氫氣流量200sccm，甲烷流量8sccm，氧氣流量1sccm。小孔內就會生長出金字塔形的金剛石小錐體，控制生長時間，可以改變小錐體的尺度，使錐體底邊尺寸控制在3～4μm范圍；

(3)在生長有金字塔形金剛石小錐體的硅基底背面加上金屬層作為陰極，金屬層上再加一層黑體吸熱材料，和金屬陽極組合，工作時在兩極間加上電場，構成金剛石薄膜太陽能電池。

本發明的目的還可以通過以下技術措施實現：

利用聚光裝置，將太陽光聚集到陰極背面的黑體吸熱材料上，將陰極加熱到1000℃，由于金剛石的良好導熱性，小錐體的尖端溫度也將接近1000℃，金剛石的能隙會因受熱降低，電子也會因熱振蕩從價帶躍遷至導帶。在外加電場的作用下，會產生從陰極到陽極的電子流。

目前的晶體硅太陽能電池已經商品化，但具有難以克服的缺點，包括轉換效率低、電池承受溫度低以及抗空間輻射的能力低。

本發明涉及到的金剛石薄膜電池，光電轉換效率可以提升至50％，而且金剛石可承受500℃以上的高溫而不損壞，金剛石又是最耐空間輻射的材料，所以它在太空中使用時不會受到宇宙線的影響。除此之外，金剛石的硬度最高，所以不易磨損，它的散熱也最快，可以把熱能迅速擴散。這些優越性能使金剛石薄膜太陽能電池具有很好的發展前景。

金剛石太陽電池與目前的硅太陽電池最大的差異為前者使用“熱電效應”，而后者為“光電效應”。前者可使用較低的太陽熱量，所以其發電的效率較硅太陽電池高，另外，金剛石尖端也提供一個在真空中沒有電阻的通路，因此電子流動會比硅半導體者暢通，產生的廢熱較小，這是它的能量效率可以提高的另一原因。

附圖說明

圖1為太陽能電池陰極表面微觀形貌圖；

圖2為太陽能電池結構機工作原理示意圖；

圖3為小錐體結構圖。

具體實施方式

本發明中的金剛石薄膜太陽能電池主要由陰極、陽極和陰極上的黑體吸熱層組成，其中陽極和普通太陽能電池的陽極沒有區別，而陰極是金屬層上具有大量金字塔形小錐體的金剛石薄膜，在電場作用及高溫下，小錐體尖端發射出大量電子，到達陽極，形成電流。

金剛石薄膜太陽能電池制作過程如下：