CN106847987B - Cigs超高、超快宽波带光位置灵敏探测器 - Google Patents
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Abstract
CIGS超高、超快宽波带光位置灵敏探测器，本发明属于位置探测器的技术领域，包括生长在玻璃衬底上的光响应薄膜层，设置在光响应薄膜层上借助导线与电压表或示波器串联的第一电极和第二电极，所述的光响应薄膜层包括自玻璃衬底至上依次设置的金属背电极Mo层、CIGS吸光层、CdS过渡层、ZnO窗口层、ITO透明导电层，第一电极和第二电极设置在ITO透明导电层上。本发明位置探测器能够实现宽波带快速响应、超高信号的效果，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于位置探测器的技术领域，涉及光位置灵敏探测器，具体涉及CIGS超高、超快宽波带光位置灵敏探测器，本发明位置探测器能够实现宽波带快速响应、超高信号的效果，灵敏度高。
背景技术
当点光源照射PN结，半导体异质结或者金属半导体结时，由于光照区域和非光照区域间载流子浓度的不同，利用结的同一表面上引出的两个电极可以测得电压值，这一效应称之为侧向光伏效应。随着点光源在两电极之间移动,电压差与点光源的位置呈现线性关系。这一特征使侧向光伏效应广泛应用于位置灵敏探测器。
光电检测的位置探测器有许多独特的优点：如(1)没有工作死区，可给出所测区域的连续性位置数据；(2)分辨率高，响应速度快，线性较好。(3)不需扫面，可简化外围电路，具有较高的性价比。但是，目前基于侧向光伏效应的位置灵敏探测器普遍存在灵敏度低的问题，虽然通过加偏压调制可以很大程度上提高灵敏度，但是该方法也有一个很大的弊端，那就是在高功率激光照射下，线性度极度变差，换句话说也就是电压差随光照位置不再呈现线性关系。这种现象很大程度上限制了此类探测器的探测范围和探测精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种克服现有技术的不足，基于侧向光伏效应的超高、超快光位置灵敏探测器，极大提高了此类探测器的探测范围和探测精度。并且与此同时，通过材料的选择，使该类位置探测器的时间响应速度超快。
本发明为实现其目的采用的技术方案是：
CIGS超高、超快宽波带光位置灵敏探测器，包括生长在玻璃衬底上的光响应薄膜层，设置在光响应薄膜层上借助导线与电压表或示波器串联的第一电极和第二电极，所述的光响应薄膜层包括自玻璃衬底至上依次设置的金属背电极Mo层、CIGS吸光层、CdS过渡层、ZnO窗口层、ITO透明导电层，第一电极和第二电极设置在ITO透明导电层上。
光响应薄膜层中各层的厚度分别为：金属背电极Mo层≥1μm，CIGS吸光层1-2μm，CdS过渡层100-300nm，ZnO窗口层100-500nm，ITO透明导电层50-100nm。
所述的光响应薄膜层为纳米半导体薄膜或纳米金属薄膜。
所述的第一电极和第二电极采用铟。
所述的第一电极和第二电极的形状均为圆形或正方形，且两电极等大，直径均不超过1mm，易与多层复合薄膜形成良好的欧姆接触。
所述的导线为银导线或铜导线，导线的直径为100-250μm，导线太粗不易连接到样品表面，同时电阻较大，影响测量精度，导线太细又会增加不必要的成本，且容易断裂。
本发明的关键是将CIGS薄膜应用于侧向光伏效应，并取得了预料不到的技术效果。目前CIGS薄膜普遍用做电池方面的研究应用，因其用料少、效率高、稳定性好、易于柔化和卷绕式生产，广泛用于电池方面，然而将其用于侧向光伏效应未见报道，也未见实践的先例，也没有人想到将其用于侧向光伏效应。本发明将其用于侧向光伏效应需要克服侧向光伏效应中的很多问题，研究中发现如果将CIGS薄膜直接应用，侧向光伏效应无法进行，探测器灵敏度非常低(还不如传统的硅基p-n结构或p-i-n结构)；本技术方案通过对CIGS薄膜进行创造性改进，创造性的研究出ITO透明导电层的厚度为50-100nm，不仅使CIGS薄膜成功应用于侧向光伏效应中，而且取得了预料不到的效果，响应信号大幅度增强，响应时间大幅度缩短，使得探测器探测更灵敏。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用含CIGS的薄膜材料，预料不到的使本光位置灵敏探测器具有超高信号和超快的响应时间的特点。
2、本发明光位置灵敏探测器位置分辨稳定、线性关系好。
3、ITO层厚度的设置至关重要，创造性的将ITO层厚度降低为50-100nm时，相较于现有的300-400nm厚度的ITO透明导电层的响应信号提高了3.5倍以上，获得了超高信号，探测更灵敏。
4、本发明光响应薄膜层结构的顺序为玻璃衬底、Mo层、CIGS层、CdS层、ZnO层、ITO层。Mo层为金属背电极，将设置在最底层，收集光生空穴；CIGS为光吸收层，入射的光基本都被该层吸收，产生电子-空穴对；CdS为过渡层，由于半导体界面间能级匹配，该层与CIGS层形成一个内建电场，使光激发的电子-空穴对分离，且电子朝CdS层方向移动，空穴朝Mo层移动；ZnO为窗口层，能够让入射光穿透而没有吸收，且可以阻挡隧穿分离的电子很快复合；ITO为上导电层，能够让入射光穿透而没有吸收，且具有很好的导电特性，收集隧穿分离的电子。通过对各结构层的创造性研究，确定了各层的排布关系，结合各层的厚度，实现了将CIGS薄膜成功应用于侧向光伏效应中。
5、Mo层厚度的设定，是为了背电极能形成均匀的很好的导电层，该厚度的设定可以获得更好的导电性能；将CIGS层厚度设置为1-2μm，几乎能够吸收入射的所有光强，增加光的吸收效率，当该层厚度大于2μm时，不但增加经济成本，而且不利于光生-电子空穴对的分离和隧穿；将CdS层厚度设置在100-300nm，使得CIGS与CdS界面间能够形成较强的内建电场，同时还可使分离的电子能够很容易隧穿过CdS层；ZnO层厚度设置在100-500nm，能够有效阻止隧穿分离的电子再复合的几率，且不会过多增加电子在ZnO中的隧穿时间；ITO层厚度设置在50-100nm，对于侧向光伏效应响应非常重要，表面电阻比较大，很容易在不同位置间形成电压差，当厚度太厚(300-400nm)，ITO层电阻率非常低，表面基本处于等电位，所以侧向光伏响应非常小，这是经过长期的研究总结得到的。
6、本发明的非线性度控制在3％以内，最高位置灵敏度达到226mV/mm,可测波长范围为350-1150nm，响应时间达到16.987μs。
附图说明
图1是具体实施例1的实验示意图。
图2是具体实施例2的实验示意图。
图3是本发明的LPV随激光波长的变化图。
图4是本发明的LPV随激光功率的变化图。
图5是本发明的斩波器频率为10Hz、激光束分别在距第二电极为0.2mm、0.4mm、0.8mm时的响应时间测试图。
图6是本发明的斩波器频率为4KHz、激光束分别在距第二电极为0.2mm、0.4mm、0.8mm时的响应时间测试图。
图7是改变ITO厚度对侧向光伏的变化图。
图中，1、玻璃片衬底，2、金属背电极Mo层，3、CIGS光吸收层，4、CdS过渡层，5、ZnO窗口层，6、ITO透明导电层，7、第一电极，8、第二电极，9、电压表，10、激光，11、示波器，12、斩波器，x、激光照射点距第二电极距离，T、代表响应时间符号。
具体实施方式
本发明光响应薄膜层分别采用了共蒸发法、磁控溅射法、化学水浴法、低压化学气相沉积法制备。本发明通过更改激光照射的功率和波长和斩波器频率的调制，达到实现本发明的技术操作。下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
在玻璃片衬底1上生长光响应薄膜层，光响应薄膜层自玻璃片衬底1至上依次为金属背电极Mo层2、CIGS吸光层3、CdS过渡层4、ZnO窗口层5、ITO透明导电层6，形成异质结结构位置灵敏探测器，将第一电极7和第二电极8用导线与电压表9串联，照射激光10做侧向光伏效应测试，得LPV图，更换激光10的功率及波长，重复上述操作，所得LPV随激光束位置的变化曲线可看出该CIGS结构器件在所测量范围内光位置灵敏探测器拥有超高的响应信号。
实施例2
在玻璃片衬底1上生长光响应薄膜层，光响应薄膜层自玻璃片衬底1至上依次为金属背电极Mo层2、CIGS吸光层3、CdS过渡层4、ZnO窗口层5、ITO透明导电层6，形成异质结结构位置灵敏探测器，将第一电极7和第二电极8用导线与示波器11串联，并在激光10到达光位置灵敏探测器前加斩波器12，调节激光10照射位置并固定，令激光照射，调节斩波器12频率，由示波器11可得此光位置灵敏探测器的响应时间图，做数据处理及分析，得到此光位置灵敏探测器拥有超快的响应时间。
通过图3可以看出，在671nm的波长，信号最强，可达100000μV；通过图4可以看出，随着功率的增大，信号是越来越强，5mW的功率信号最强，可达150000μV；通过图5和图6可以看出，在同一激光频率下，激光照射位置不同，则信号的强弱不同，但是响应时间相同，信号的强弱随激光照射位置距离第二电极的远近有关，距离第二电极近，则信号强度低，距离第二电极远，则信号强度高；不同频率下，同一照射位置，信号强度相同，但是响应时间不同，频率越大，时间分辨能力越高，所得到的响应时间越真实。
本发明创造性的将CIGS应用到光位置灵敏探测器上，这在现有光位置探测器技术中是未曾有过的技术，现有技术中CIGS主要是应用于太阳能电池上，其在太阳能电池中的作用是吸收光能转化成电能，从而产生电流，在太阳能电池中主要解决的是光能向电能的转换率，即应用于太阳能电池上可以产生电流即可；本发明创造性的将CIGS应用到光位置灵敏探测器上时，由于是位置探测器，面临的是位置分辨、电压差随光照位置的线性度问题，该问题是实现位置检测器功能的关键，在太阳能电池领域中未曾遇到过，面对该问题，发明人经过了长期的创造性研究，通过严格选定光响应薄膜层的各层材料、各层的排列顺序、各层的厚度设计等相关特性，使得各技术特征相辅相成，在功能上相互支撑，从而极大的改善了响应信号的强弱，实现高响应信号，信号变化更明显，同时响应时间更快，使得探测更灵敏；且在高功率激光照射下，电压差随光照位置依然呈线性关系。
Claims (5)
1.CIGS宽波带光位置灵敏探测器，包括生长在玻璃衬底(1)上的光响应薄膜层，设置在光响应薄膜层上借助导线与电压表(9)串联的第一电极(7)和第二电极(8)，其特征在于，所述的光响应薄膜层包括自玻璃衬底(1)至上依次设置的金属背电极Mo层(2)、CIGS吸光层(3)、CdS过渡层(4)、ZnO窗口层(5)、ITO透明导电层(6)，第一电极(7)和第二电极(8)设置在ITO透明导电层(6)上，光响应薄膜层中各层的厚度分别为：金属背电极Mo层≥1μm，CIGS吸光层1-2μm，CdS过渡层100-300nm，ZnO窗口层100-500nm，ITO透明导电层50-100nm。
2.根据权利要求1所述的CIGS宽波带光位置灵敏探测器，其特征在于，所述的光响应薄膜层为纳米半导体薄膜或纳米金属薄膜。
3.根据权利要求1所述的CIGS宽波带光位置灵敏探测器，其特征在于：所述的第一电极(7)和第二电极(8)采用铟。
4.根据权利要求1所述的CIGS宽波带光位置灵敏探测器，其特征在于：所述的第一电极(7)和第二电极(8)的形状均为圆形或正方形，其直径均不超过1mm。
5.根据权利要求1所述的CIGS宽波带光位置灵敏探测器，其特征在于：所述的导线为银导线或铜导线，导线的直径为100-250μm。
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