下转换发光材料的制造方法

摘要

本发明公开了一种下转换发光材料的制造方法，形成步骤包括：步骤一、提供多靶磁控溅射设备；步骤二、安装多个靶材，靶材根据所要形成的稀土掺杂氧化物进行选取，稀土掺杂氧化物的基质材料为稀土钒酸盐或稀土铌酸盐，靶材包括：基质材料对应的基质稀土氧化物靶、氧化钒靶或氧化铌靶，稀土掺杂材料对应的掺杂稀土靶；步骤三、将衬底放入到共溅射反应室的基片座上；步骤四、将对共溅射反应室进行抽真空；步骤五、通入溅射气体并进行衬底温度为室温～400摄氏度的溅射工艺在衬底表面形成所述稀土掺杂氧化物。本发明能在较低温度下实现材料的大面积生长，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低，并能有效的与太阳能电池的制备过程相结合。

权利要求

1.一种下转换发光材料的制造方法，其特征在于，下转换发光材料由采用包括如下步骤形成的稀土掺杂氧化物组成：步骤一、提供多靶磁控溅射设备；

步骤二、在所述多靶磁控溅射设备的共溅射反应室中安装多个靶材，靶材根据所要形成的所述稀土掺杂氧化物进行选取，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为稀土钒酸盐或稀土铌酸盐，靶材包括：所述稀土掺杂氧化物的基质材料对应的基质稀土氧化物靶、氧化钒靶或氧化铌靶，所述稀土掺杂氧化物的稀土掺杂材料对应的掺杂稀土靶；

步骤三、将衬底放入到所述共溅射反应室的基片座上；

步骤四、将对所述共溅射反应室进行抽真空；

步骤五、通入溅射气体并进行溅射工艺在所述衬底表面形成所述稀土掺杂氧化物，所述溅射工艺的衬底温度为室温～400摄氏度；

通过对所述溅射工艺的衬底温度的控制，使得所述下转换发光材料的形成工艺和采用制造硅基太阳能电池的微电子工艺相结合，并实现所述下转换发光材料和所述硅基太阳能电池相结合，使得所述下转换发光材料和所述硅基太阳能电池的结合结构中，利用所述下转换发光材料将高能量的光子转换为能被所述硅基太阳能电池吸收且进行光电转换的低能量的光子，提高硅基太阳能电池的光电转换效率。

2.如权利要求1所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：所述稀土掺杂氧化物的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆。

3.如权利要求2所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶。

4.如权利要求1或2或3所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铕或镱；或者，所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料采用铋替换。

5.如权利要求4所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。

6.如权利要求1所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：步骤四中将所述共溅射反应室的真空抽到本底真空度优于4.0×10-4Pa。

7.如权利要求1所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：步骤五中所述溅射气体为氩气。

8.如权利要求1所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：步骤五中所述溅射工艺的溅射功率为：200W～1000W；溅射压强为：0.1Pa～10Pa。

9.如权利要求1所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：在步骤五的所述溅射工艺中还包括通入氧气。

10.如权利要求1或 2 或 3 所述的下转换发光材料的制造方法，其特征在于：所述衬底包括透明导电玻璃片或单晶硅片。

说明书

下转换发光材料的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种纳米光电子器件材料的制造方法，尤其是涉及一种下转换发光材料的制造方法。

背景技术

[0002] 在新能源的研究过程中，太阳能作为一种分布广泛、取之不尽、用之不竭且无污染的绿色清洁能源，成为人类社会可持续发展的首选目标。所以，将光能直接转换成电能的太阳能电池的研究成为世界各国重点投资、大力研发的重大课题。单晶硅材料室温下带隙为1.1eV，正好落在太阳光辐射的峰值附近，有比较高的光电能量转换效率。因此，硅基太阳能电池成为目前乃至将来最具发展潜力的材料之一。

[0003] 对于单晶硅太阳能电池，染料敏化电池等在内的光伏电池能量转换效率不高的问题，光谱不匹配正是原因之一。由于光伏电池具有特定的光响应范围，对晶体硅太阳能电池来说，低于其禁带的低能光子不能被吸收，而能量大于吸收带的短波长的紫外光虽然可以被吸收，但大部分转化为热能，未能被电池充分利用。由于光谱不匹配，单晶硅太阳能电池的光伏电池能量转换效率不高，根据肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)理论，硅太阳能电池的极限能量转化效率为30％。

[0004] 但若配合光转换材料如上转换材料或下转换材料将中远红外光和紫外光转化为单晶硅太阳能电池能够进行吸收并进行光电转换的近红外光或可见光，则可有效提高电池的光电转换效率。下转换发光材料通过吸收一个高能光子并辐射出两个或多个低能光子，其理论量子效率大于100％。选用合适的基质材料，并通过稀土掺杂处理制备的下转换发光材料，可以将短波段光谱(200nm～400nm)转换为电池可吸收的可见光及可见光附近的红外光谱，通过这种转光材料能够将单晶硅太阳能电池原本难以利用的紫外光转化为其利用率最高的光谱区域。

[0005] 现有工艺中，制备稀土掺杂的下转换发光材料的方法都是基于高温条件下进行，往往导致产物颗粒均匀性和分散性不够，合成成本高，不能够与硅基太阳能电池工艺相结合。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种下转换发光材料的制造方法，能在较低温度下实现材料的大面积生长，能与微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低，并能有效的与太阳能电池的制备过程相结合。

[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供的下转换发光材料的制造方法中的下转换发光材料由采用包括如下步骤形成的稀土掺杂氧化物组成：

[0008] 步骤一、提供多靶磁控溅射设备。

[0009] 步骤二、在所述多靶磁控溅射设备的共溅射反应室中安装多个靶材，靶材根据所要形成的所述稀土掺杂氧化物进行选取，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为稀土钒酸盐或稀土铌酸盐，靶材包括：

[0010] 所述稀土掺杂氧化物的基质材料对应的基质稀土氧化物靶、氧化钒靶或氧化铌靶，所述稀土掺杂氧化物的稀土掺杂材料对应的掺杂稀土靶。

[0011] 步骤三、将衬底放入到所述共溅射反应室的基片座上。

[0012] 步骤四、将对所述共溅射反应室进行抽真空。

[0013] 步骤五、通入溅射气体并进行溅射工艺在所述衬底表面形成所述稀土掺杂氧化物，所述溅射工艺的衬底温度为室温～400摄氏度。

[0014] 进一步的改进是，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆。

[0015] 进一步的改进是，钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶。

[0016] 进一步的改进是，所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。

[0017] 进一步的改进是，铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。

[0018] 进一步的改进是，步骤四中将所述共溅射反应室的真空抽到本底真空度优于4.0×10-4Pa。

[0019] 进一步的改进是，步骤五中所述溅射气体为氩气。

[0020] 进一步的改进是，步骤五中所述溅射工艺的溅射功率为：200W～1000W；溅射压强为：0.1Pa～10Pa。

[0021] 进一步的改进是，在步骤五的所述溅射工艺中还包括通入氧气。

[0022] 进一步的改进是，所述衬底包括透明导电玻璃片或单晶硅片。

[0023] 本发明能在较低温度如低于400摄氏度下实现材料的大面积生长，由于没有采用到高温，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底即衬底材料，从而能与当前的微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低，并能有效的与太阳能电池的制备过程相结合。

[0024] 另外，本发明方法采用溅射工艺就能实现，通过对靶材和溅射工艺条件的设计就能实现材料的生长，所以本发明方法方便快捷，避免了复杂的操作过程和成本昂贵的深加工技术，能更好的和微电子工艺技术相兼容。

[0025] 另外，如果将本发明的工艺方法和太阳能电池的制备过程相结合，则能够实现下转换发光材料和硅基太阳能电池相结合，利用下转换发光材料对光子的下转换特性即将高能量的光子转换为低能量的光子，能够将太阳光中本来不能被硅基太阳能电池利用的短波转换为能被硅基太阳能电池吸收且进行光电转换的光波，转换后的光波主要为可见光波和近可见光波的红外线，这样能够提高硅基太阳能电池的光电转换效率，所以本发明方法在高效率太阳能电池的研究中具有广阔应用前景。

附图说明

[0026] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

[0027] 图1是本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

[0028] 如图1所示，是本发明实施例方法流程图，本发明实施例下转换发光材料的制造方法中下转换发光材料由采用包括如下步骤形成的稀土掺杂氧化物组成：

[0029] 步骤一、提供多靶磁控溅射设备。

[0030] 步骤二、在所述多靶磁控溅射设备的共溅射反应室中安装多个靶材，靶材根据所要形成的所述稀土掺杂氧化物进行选取，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为稀土钒酸盐或稀土铌酸盐，稀土钒酸盐或稀土铌酸盐中的钒、铌和稀土都是金属，稀土钒酸盐或稀土铌酸盐都为双金属氧化物，靶材包括：

[0031] 所述稀土掺杂氧化物的基质材料对应的基质稀土氧化物靶、氧化钒靶或氧化铌靶，所述稀土掺杂氧化物的稀土掺杂材料对应的掺杂稀土靶。

[0032] 本发明实施例方法中，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆。钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶。

[0033] 所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。

[0034] 步骤三、将衬底放入到所述共溅射反应室的基片座上。所述衬底包括透明导电玻璃片或单晶硅片。

[0035] 步骤四、将对所述共溅射反应室进行抽真空，且本发明实施例中，将所述共溅射反应室的真空抽到本底真空度优于4.0×10-4Pa。

[0036] 步骤五、通入溅射气体并进行溅射工艺在所述衬底表面形成所述稀土掺杂氧化物。

[0037] 本发明实施例中，溅射气体为高纯氩气。

[0038] 制备中的具体工艺条件为：

[0039] 溅射功率：200W～1000W；

[0040] 衬底温度：室温～400摄氏度；

[0041] 溅射压强：0.1Pa～10Pa。

[0042] 根据步骤二中设置的靶材不同，最后形成的所述稀土掺杂氧化物也不同，也即通过调节步骤二中的靶材的设置能够调节最后形成的所述稀土掺杂氧化物的具体成分。最后，本发明实施例方法所制备的所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆，所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。

[0043] 由稀土离子激活，尤其是由Bi+3、Eu3+、Yb3+等离子激活的钒酸钇(钒酸钆等)的下转换材料，其物理化学稳定性优异，具有较高的光吸收效率、能量转化率、无毒等优点，目前已经广泛用于太阳能电池增效转光材料领域。同时，稀土掺杂的发光材料化学稳定性好，无背景干扰等，这些优点使其成为最有潜力的新一代太阳能电池材料。

[0044] 目前，制备下转换发光材料的方法都是基于高温条件下进行，往往导致产物颗粒均匀性和分散性不够，合成成本高，不能够与硅基太阳能电池工艺相结合。而在本发明实施例方法中，通过采用磁控溅射技术在较低温度下(<400℃)制备下转换发光材料，通过调节材料的生长气氛以及功率对材料的结构和性能实现改善。

[0045] 由上可知，本发明实施例能在较低温度如低于400摄氏度下实现材料的大面积生长，由于没有采用到高温，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底即衬底材料，从而能与当前的微电子工艺技术相兼容，工艺简单、成本低，并能有效的与太阳能电池的制备过程相结合。

[0046] 另外，本发明实施例方法采用溅射工艺就能实现，通过对靶材和溅射工艺条件的设计就能实现材料的生长，所以本发明实施例方法方便快捷，避免了复杂的操作过程和成本昂贵的深加工技术，能更好的和微电子工艺技术相兼容。

[0047] 另外，如果将本发明实施例的工艺方法和太阳能电池的制备过程相结合，则能够实现下转换发光材料和硅基太阳能电池相结合，利用下转换发光材料对光子的下转换特性即将高能量的光子转换为低能量的光子，能够将太阳光中本来不能被硅基太阳能电池利用的短波转换为能被硅基太阳能电池吸收且进行光电转换的光波，这样能够提高硅基太阳能电池的光电转换效率，所以本发明实施例方法在高效率太阳能电池的研究中具有广阔应用前景。

[0048] 总之，本发明实施例方法具有如下优点：

[0049] 1、该方法在实施中方便快捷，操作简单，无需昂贵的成本。

[0050] 2、制备过程简单，可在小于400℃的低温下进行，并可以通过调节生长时的参数实现对材料结构和性能的可控调节。

[0051] 3、制备过程没有高温处理过程，对基底没有特殊的要求，可采用普通透明导电玻璃片、单晶硅片等作为基底材料，与当前的微电子工艺技术相兼容。

[0052] 如图1所示，是本发明实施例方法流程图，本发明实施例下转换发光材料的制造方法中下转换发光材料由采用包括如下步骤形成的稀土掺杂氧化物组成：

[0053] 步骤一、提供多靶磁控溅射设备。

[0054] 步骤二、在所述多靶磁控溅射设备的共溅射反应室中安装多个靶材，靶材根据所要形成的所述稀土掺杂氧化物进行选取，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为稀土钒酸盐或稀土铌酸盐，稀土钒酸盐或稀土铌酸盐中的钒、铌和稀土都是金属，稀土钒酸盐或稀土铌酸盐都为双金属氧化物，靶材包括：

[0055] 所述稀土掺杂氧化物的基质材料对应的基质稀土氧化物靶、氧化钒靶或氧化铌靶，所述稀土掺杂氧化物的稀土掺杂材料对应的掺杂稀土靶。

[0056] 本发明实施例方法中，所述稀土掺杂氧化物的基质材料为钒酸钇、钒酸钆、铌酸钇或铌酸钆。钒酸钇基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钇靶，钒酸钆基质材料对应的靶材为氧化钒靶和氧化钆靶，铌酸钇基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钇靶，铌酸钆基质材料对应的靶材为氧化铌靶和氧化钆靶。

[0057] 所述下转换发光材料的稀土掺杂氧化物薄膜材料的稀土掺杂材料为铋、铕或镱。铋掺杂材料对应的靶材为铋靶，铕掺杂材料对应的靶材为铕靶，镱掺杂材料对应的靶材为镱靶。

[0058] 步骤三、将衬底放入到所述共溅射反应室的基片座上。所述衬底包括透明导电玻璃片或单晶硅片。

[0059] 步骤四、将对所述共溅射反应室进行抽真空，且本发明实施例中，将所述共溅射反应室的真空抽到本底真空度优于4.0×10-4Pa。

[0060] 步骤五、通入溅射气体并进行溅射工艺在所述衬底表面形成所述稀土掺杂氧化物。

[0061] 本发明实施例中，溅射气体为高纯氩气。

[0062] 制备中的具体工艺条件为：

[0063] 溅射功率：200W～1000W；

[0064] 衬底温度：室温～400摄氏度；

[0065] 溅射压强：0.1Pa～10Pa。

[0066] 所述溅射工艺中还包括通入氧气，通过通入高纯氧气处理和优化发光基质的结构和性能。

[0067] 以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。