[发明专利]一种室温下气-固相原位反应制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种室温下气-固相原位反应制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜的方法。

背景技术

传统的单晶硅太阳能电池虽然具有较高的稳定性和光电转化效率，但随着能源和环境两方面问题的日益突出，其生产和应用开始受到挑战。其中一个重要的原因就是p-n结的制备需要在高温条件下才能完成。例如在基于p-Si/n-ZnO异质结的太阳能电池制备中，Xiao-Mei Zhang课题组报道了具有空间3维结构的太阳能电池器件，ZnO纳米线分布在Si纳米线表面，该种器件表现出了很好的光敏性能并获得了1.2%的光电转化效率，但该器件中pn结的制备是在500℃氩气保护条件下完成的，依然没有解决pn结制备过程的高温高真空问题。另外，人们对其它基于Si/化合物半导体的异质结太阳能电池也进行了广泛的研究，如基于纯有机聚合物的太阳能电池器件虽然可以在较低温度下进行组装，但有机物较低的电荷迁移率和有限的光电响应范围导致通常情况下有机太阳能电池光电转化效率都不高。基于有机半导体材料可低温制备pn结的优点，美国普林斯顿大学Avasthi课题组选择了一种共轭聚合物P3HT作为p型半导体，通过旋涂的方法在室温条件下制备出了n-Si/P3HT异质结，实现了低温制备基于Si材料的异质结结构，并获得了较高的光电转化效率，该课题组在氢钝化的单晶硅基底表面制备了不同厚度的有机半导体材料P3HT，通过测试比较，最终在具有10nm厚度P3HT的n-Si/P3HT/PEDOT:PSS器件上获得了高达10.1%的光电转化效率，证明了在单晶Si基上低温制备pn异质结或者pn异质结光电器件的可行性，但光伏器件中使用有机聚合物半导体可用在柔性基底材料的优势在这种结构中没有体现。另外有机聚合物半导体材料制备过程繁琐、电荷迁移率低等问题依然是低温制备pn结的不利条件。寻找与硅材料能级匹配的无机化合物半导体，并在室温条件下制备得到pn结依然是个难题。

CuI作为一种常见的P型半导体材料引起了越来越多的关注，这是因为其一方面具有较好的导电性和较大的带宽，这通常有利于提高有效载流子的势垒，减少载流子的复合几率并降低器件的暗电流密度，从而提高开路电压。另外CuI薄膜在可见和近红外区是完全透过的，其价带顶和导带底的位置分别为-5.2eV和-2.2eV，带宽为～3.0eV，能够与单晶硅很好匹配，但到目前为止其用作太阳能电池方面的报道并不多。

目前，制备CuI半导体材料的方法很多，常用的方法有溅射法、热蒸镀法、水热法、电沉积法，化学沉积法等，例如：Akihito Imanishi课题组利用热蒸发的方法：在600℃、1.0×10^-3Pa条件下将99.99%的CuI粉体进行蒸发，在硅基底表面获得了具有片状结构的CuI薄膜，并利用该结构组装了太阳能电池器件(J.Phys.Chem.C.,2008,112,11586–11590)；申请人及其课题组在前期工作中通过溶剂热法，利用元素直接反应于160℃条件下在铜箔基底表面原位制备出了具有(110)面高度取向的CuI薄膜材料(J.Mater.Chem.,2008,18,852-854)。但这些方法所要求高温，高压，高真空，高能耗等苛刻条件，且存在反应过程需要复杂的设备等不足，因此研究一种室温快速制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜的方法是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种室温下气-固相原位反应制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜的方法。其可在室温反应条件下制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜，反应温度低，对单晶硅基底无影响，且反应过程可控，操作方便，制备时间短。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

室温下气-固相原位反应制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜的方法，它包括如下步骤：

（1）将n型单晶硅片进行表面腐蚀处理，得到表面为金字塔状阵列结构的n型单晶硅片；

（2）在n型单晶硅片表面制备单质铜层，得到覆铜n型单晶硅片；

（3）制备单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜：20-30℃下将步骤（2）得到的覆铜n型单晶硅片放入布满饱和碘蒸气的密闭反应器中反应15-50分钟，得到单晶硅/碘化亚铜本体异质结薄膜。

按上述方案，步骤（1）所述的表面腐蚀处理为：将n型单晶硅片经洗涤处理后，放入质量分数为3.0-4.0wt%的氢氧化钾溶液和异丙醇的混合溶液中，预热处理，然后洗涤后再在体积比为1:50的HF水溶液中浸泡30s，洗涤，烘干，备用。