化合物型半导体薄膜太阳能电池材料的制备新方法研究

化合物型半导体薄膜（如GaAs, InP, InSb及其衍生物）材料的制备一直是太阳能电池利用和发展的瓶颈，现有的制备方法（如CVD, MOCVD, LPE，MBE等）均不能低成本、大规模和高效率地制备太阳能电池用化合物型半导体薄膜材料。本项目旨在探索一种新颖的化合物型半导体薄膜材料的制备方法，其原理是使用母体元素的氧化物为起始原料，在真空条件下与碳发生"高温固相类萃取反应"，原位形成的目标产物在高温下气相沉积在衬底材料上形成薄膜。该新方法避免了使用昂贵的单质和有机金属化合物，能高效率、低成本和大规模地制备太阳能电池用化合物型半导体薄膜材料。该项目的研究成功，将发现一种该类薄膜材料制备的新方法，获得国内外核心专利和自主知识产权，为我国的太阳能利用跨入国际先进行列和对推动节能减排，发展低碳经济，保护人类生存环境，降低温室效应具有巨大的现实意义。对丰富该类材料制备途径具有理论意义和参考价值。

本项目发明了一种化合物型薄膜材料的制备方法，尤其是化合物型半导体薄膜材料的制备方法，该方法特别适合于制备III-V（主）族和II-VI（主）族化合物型半导体薄膜材料的制备。同时还发明了与之配套的薄膜材料制备设备和工艺，创立了一种命名为高温固相类萃取原位氧化还原化学气相沉积反应法的制备方法。较系统的研究了制备III-V族化合物型半导体薄膜材料的制备工艺和参数条件，如GaAs、InAs、GaP、InP、Ga0.5In0.5P、Ga0.5In0.5As 和任意组成的 In1-xGaxAs 和 Ga1-xInxP (0<x<1)的原辅材料配方、组成和各种参数条件。系统考察了反应区温度、沉积区温度、真空度、反应时间、沉积时间、基片转速、升温速度、降温速度、原辅材料配方、组成及前驱物处理条件等多种因素的影响。发明了三种制备化合物型半导体薄膜材料的制备工艺：（1）采用抽提剂的直接合成法（一步法工艺），即采用还原性抽提剂，以III族元素和V族元素的氧化物直接为原料，在自创的工艺条件下一步得到上述薄膜。（2）采用二步法工艺，即先将III族元素和V族元素的氧化物在一定的条件下制备成为含氧盐类，然后再用抽提剂在一定的工艺条件下得到上述薄膜。（3）采用一步法或二步法得到的化合物薄膜材料如果不够纯净，可以再采用含氢气的惰性气体如氩气、高纯氮气进行纯化。本项目采取自己发明的制备设备共计成功制备了几十种III-V族化合物型半导体薄膜材料，采用了XRD、薄膜XRD、SEM、AFM等表征，已经申请了8项中国国家发明专利，仍有5项中国发明专利和2项国外发明专利正在申报中。本研究项目开创了化合物型半导体薄膜材料的全新制备方法，填补了化合物型半导体薄膜材料制备的国际空白，虽然目前的研究结果还比较粗糙和有限，但仍有可能取代甚至颠覆传统的和现有的物理或化学制备方法。因此还需要对此新方法和新工艺进行完善，搞清楚其中的某些基本问题。发表期刊研究论文和国内外会议研究论文数十篇。