过滤阴极电弧制备掺氮非晶金刚石薄膜的研究及其应用

论文摘要

本文采用过滤阴极真空电弧沉积系统制备掺氮非晶金刚石薄膜,开展对掺杂工艺控制、薄膜光电性能和结构表征以及掺杂机制的研究,获得性能优异的光电薄膜材料,并将其用作锗红外窗口除霜增透保护膜和碳基薄膜太阳能电池。具体工作如下:采用XPS和Raman光谱分别对不同含N量的ta-C:N膜的组分和微观结构进行分析。实验表明:随着氮气流速从0增加到24sccm,薄膜中氮原子含量单调增加到最大值为4.1%,此后随氮气流速增加到48sccm,薄膜中氮原子含量有所减少。在XPS C 1s芯能谱中,sp2/sp3出现先增大后减小的变化趋势,当氮气流速为36sccm时,薄膜中sp2/sp3比例达到最大值。XPS N 1s芯能谱说明了氮原子主要于sp2的杂化形式存在。在Raman光谱中,随着氮气流速的增加,G峰峰位一直向低频率区偏移,而D峰则先向高频率区偏移,当氮气流速达到32sccm时,D峰峰位达到最大值,随着氮气流速的继续增加,D峰峰位则不断下降。同时ID/IG值也出现了先增大后减小的现象。当氮气流速为32sccm和36sccm时,ID/IG达到最大值。采用FTIR光谱、紫外可见光分度计和电阻测试系统分别对不同氮含量的ta-C:N薄膜的光学常数和电导性能进行测试。实验表明:当氮原子含量少于4.1at%时,ta-C:N薄膜在312μm、近红外波段和可见光波段基本保持较高的透过率,同时薄膜的电阻率发生明显的变化。当氮原子含量为4.1at%时,薄膜的电阻率达到最小值为6.5×10-5?/S。试验数据显示:掺氮非晶金刚石薄膜是一种N型半导体。采用过滤阴极真空电弧沉积系统在锗基底上制备非晶金刚石薄膜作为锗红外窗口的除霜增透保护膜。镀完膜后试样在波长为3.44.5微米的波段内,透过率由50%提高到65%,取得良好的增透效果。用电压为15V的恒压源对其进行通电1530分钟后,膜系的表面温度提高510℃,达到除霜的效果。采用过滤阴极真空电弧沉积系统在铝膜上制备四面体非晶碳薄膜太阳能电池。由掺氮四面体非晶碳薄膜构成n层膜,由掺硼四面体非晶碳构成p层膜。光伏曲线测试结果显示,在铝膜上制备的太阳能电池具有一定的光伏特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 锗红外光学窗口的兼具除霜功能的增透保护膜的研究现状
• 1.1.2 太阳能电池的研究现状
• 1.2 非晶金刚石薄膜的概述
• 1.2.1 制备方法
• 1.2.2 结构表征
• 1.2.3 力学性能及应用
• 1.2.4 光学性能及应用
• 1.2.5 电学性能及应用
• 1.3 掺氮非晶金刚石薄膜的概述
• 1.4 本课题主要研究的内容
• 第2章 ta-C:N 薄膜的制备及试验方法
• 2.1 ta-C:N 薄膜的制备
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 沉积系统
• 2.1.3 掺杂方式
• 2.1.4 工艺参数
• 2.2 表征方法和测试手段
• 2.2.1 Raman 光谱分析
• 2.2.2 X 射线光电子能谱（XPS）分析
• 2.2.3 傅立叶红外光谱（FTIR）分析
• 2.2.4 光学性能测试
• 2.2.5 电学性能测试
• 2.3 本章小结
• 第3章 ta-C:N 薄膜的结构表征和性能测试
• 3.1 XPS 分析
• 3.2 Raman 光谱分析
• 3.3 傅立叶红外投射光谱（FTIR）分析
• 3.4 紫外可见光分光计分析
• 3.5 电学性能分析
• 3.5.1 电阻率测试
• 3.5.2 PN 结特性曲线测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 除霜增透保护膜和太阳能电池的制备与测试
• 4.1 锗红外光学窗口兼具除霜功能的增透保护膜的设计和制备
• 4.1.1 除霜增透保护膜窗口设计思路
• 4.1.2 膜系设计
• 4.1.3 膜系制备
• 4.2 薄膜的增透和除霜效果测试
• 4.3 碳基薄膜太阳能电池的制备和测试
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历