專利名稱：一種柔性襯底硅化鐵(βFeSi₂)薄膜太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種柔性襯底硅化鐵(P-FeSi2)薄膜太陽電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
直接帶隙半導(dǎo)體材料硅化鐵(P-FeSi2)具有原材料儲量豐富、無毒性、高吸收系數(shù)( IO5CnT1)等特點，其帶隙寬度為0. 8eV 0. 92eV，在光電、熱電、微電子等領(lǐng)域越來越受到重視和發(fā)展。^ -FeSi2材料帶隙寬度較窄，其對太陽光光譜的響應(yīng)范圍可擴(kuò)展至1450nm左右，大大地提高了太陽光譜的利用率，基于P-FeSi2材料的太陽電池理論轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%以 上。太陽電池中的P-FeSi2材料厚度小于Iy m，并可采用磁控濺射等低成本鍍膜方法進(jìn)行制備，將大幅降低太陽電池的制備成本。因此，P-FeSi2薄膜被視為一種可實現(xiàn)高性價比、長壽命太陽電池的新型光伏材料。目前，基于P-FeSi2材料的太陽電池結(jié)構(gòu)主要為0_FeSi2/Si異質(zhì)結(jié)形式，SP在單晶Si襯底上沉積P-FeSi2材料，從而制備出太陽電池。2006年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研究人員制備出0 4必12/51異質(zhì)結(jié)太陽電池，電池效率為3.7% (Solar EnergyMaterials&Solar Cells 90(2006)276)。上述研究機(jī)構(gòu)也開展了在金屬鑰、鐵、不銹鋼等非硅廉價襯底材料上制備P -FeSi2薄膜材的相關(guān)研究，P -FeSi2材料由面向?qū)Π写趴貫R射沉積獲得(Thin Solid Films 515 (2006) 1532);另外，該機(jī)構(gòu)研究人員在不銹鋼上預(yù)沉積Fe3Si過渡薄層，以制備出低剩余電子濃度的單一相結(jié)構(gòu)P-FeSi2，但效果并不理想(Journal of Crystal Growth 307(2007)82)。專利 CN101388423B 提出了一種在陶瓷薄片、耐高溫金屬薄片等非硅襯底上制備P -FeSi2薄膜材料的制備方法，主要采用磁控濺射等鍍膜手段，通過多周期方式制備出Si/Fe多層膜，隨后進(jìn)行700°C 1000°C下熱退火獲得晶態(tài)半導(dǎo)體P-FeSi2薄膜，但是這種制備方法增加了工藝過程，提高了制造成本。專利CN200910068154. 3提出了在單晶硅上制備P _FeSi2/Si異質(zhì)結(jié)太陽電池的方法，其中利用直流磁控濺射Fe-Si組合靶沉積出Fe-Si薄膜，然后通過后續(xù)的Ar氣氛圍、100°C 1000°C下熱退火工藝獲得單一相P -FeSi2薄膜，退火時間為0. 5 20小時；Fe_Si組合靶采用孿生對向靶方式，其靶材結(jié)構(gòu)為硅片綁定在鐵靶上面組合而成。目前，硅化鐵薄膜太陽電池襯底主要使用Si材料，材料成本高，不利于電池產(chǎn)品的市場應(yīng)用。在廉價的不銹鋼箔等非硅襯底上，制備P-FeSi2薄膜太陽電池，可大幅降低材料成本，同時電池具有輕質(zhì)、可卷曲、便于攜帶等特點，大大提高了電池產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，并易于采用卷對卷連續(xù)化方式進(jìn)行大面積電池產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，進(jìn)一步降低電池成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種新型結(jié)構(gòu)的柔性硅化鐵(P-FeSi2)薄膜太陽電池及其制備方法，不但可以提高電池性能，而且太陽電池PU結(jié)都由P -FeSi2多晶薄膜材料組成，大幅降低電池材料成本，并具有輕質(zhì)、可卷曲等特點。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，依次由襯底[I]、底電極[2]、過渡層[3]、N型薄膜層[4]、弱N型薄膜層[5]、P型薄膜層[6]、透明導(dǎo)電層[7]和上電極金屬膜[8]材料組成，其特征在于所述的襯底[I]為柔性金屬箔材料。在上述技術(shù)方案中，本發(fā)明以N型多晶薄膜P-FeSi2、弱N型多晶薄膜0 4必“和P型多晶薄膜P-FeSi2形成n-p同質(zhì)結(jié)，其導(dǎo)電類型由Fe/Si元素比進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于實現(xiàn)高性價比的柔性襯底P -FeSi2薄膜太陽電池。本發(fā)明中的柔性金屬箔材料為不銹鋼箔，不銹鋼箔厚度為0. 5iim 200iim，具有可卷曲的特點。本發(fā)明中電池的底電極為金屬鑰(Mo)膜,Mo膜厚度為500nm 900nm,可有效地 提高電池附著力和改善后續(xù)薄膜材料質(zhì)量。本發(fā)明中電池的過渡層為二硅化鑰(MoSi2)膜，MoSi2膜厚度為IOnm 20nm，具有良好的高溫穩(wěn)定性、導(dǎo)電性等特點，并可有效阻止P -FeSi2材料和襯底中元素互擴(kuò)散。本發(fā)明中電池的透明導(dǎo)電層為氧化鋅鋁(ZnO = Al)膜，ZnOiAl膜厚度為200nm 300nmo一種制備上述太陽電池的方法，其特征包括以下步驟步驟一、在不銹鋼箔襯底上，磁控濺射沉積背電極Mo膜，厚度為500nm 900nm ；步驟二、采用磁控派射娃(Si)祀,在背電極上沉積厚度為3nm IOnm的Si薄層，硅靶材料純度為99. 99%以上。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Mo與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，在背電極上形成二硅化鑰(MoSi2)膜過渡層，MoSi2膜厚度為IOnm 20nm?？焖贌嵬嘶饻囟葹?00°C 750°C，退火處理時間為3秒 10秒。步驟三、采用磁控濺射孿生雙靶硅靶、鐵(Fe)靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，沉積時的襯底溫度為300°C 350°C，硅靶、鐵靶材料純度均為99. 99%以上?；旌蠟R射過程中，通過分別改變硅靶、鐵靶的濺射工藝參數(shù)，在Fe-Si膜層中的Fe/Si原子比逐漸由0. 35增加至0. 55。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，F(xiàn)e-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腘型P -FeSi2，膜層厚度為500nm 900nm?？焖贌嵬嘶饻囟葹?50°C 750°C，退火處理時間為10秒 30秒。步驟四、采用磁控派射鐵祀,在N型0 -FeSi2薄膜層上沉積厚度為0. 5nm 3nm的Fe薄層，鐵靶材料純度為99. 99%以上。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，在N型P -FeSi2薄膜層上形成厚度為5nm 20nm的弱N型P -FeSi2薄膜層。快速熱退火溫度為550°C 690°C，退火處理時間為2秒 5秒。步驟五、采用磁控濺射孿生雙靶硅靶、鐵靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，沉積時的襯底溫度為300°C 350°C，硅靶、鐵靶材料純度均為99. 99%以上。混合濺射過程中，通過分別改變硅靶、鐵靶的濺射工藝參數(shù)，在Fe-Si膜層中的Fe/Si原子介于0. 55 0. 75。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，F(xiàn)e-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腜型P -FeSi2，膜層厚度為150nm 300nm?？焖贌嵬嘶饻囟葹?00°C 650°C，退火處理時間為6秒 20秒。
步驟六、采用磁控濺射沉積厚度為200nm 300nm的透明導(dǎo)電層ZnO = Al膜，然后制備上電極Al月旲。上述制備步驟一至步驟六中的電池材料都可在真空環(huán)境下采用磁控濺射沉積獲得，磁控濺射沉積使用中頻、射頻或直流脈沖方法之一。 上述制備步驟三和步驟五中孿生雙靶，為兩個靶位以肩并肩形式并排放置。本發(fā)明具有的優(yōu)點和有益效果采用厚度為0. 5 ii m 200 ii m的為襯底制備硅化鐵(P-FeSi2)薄膜太陽電池，使P-FeSi2薄膜太陽電池具有輕質(zhì)、可卷曲、易于采用卷對卷連續(xù)化生產(chǎn)等優(yōu)點，電池應(yīng)用領(lǐng)域廣；采用以N型多晶薄膜P-FeSi2、弱N型多晶薄膜& -FeSij^P P型多晶薄膜0 -FeSi2形成n-p同質(zhì)結(jié),其導(dǎo)電類型由Fe/Si元素比進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于實現(xiàn)高性價比的薄膜太陽電池。本發(fā)明中電池材料都可在真空環(huán)境下采用磁控濺射沉積獲得，易于實現(xiàn)真空氛圍下的連續(xù)化制備。因此，本發(fā)明具有太陽電池結(jié)構(gòu)簡單，制備方法簡單、無污染，電池輕質(zhì)可卷曲、高性價比高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點。


圖I為應(yīng)用本發(fā)明的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點進(jìn)行詳細(xì)的說明。參照附圖1，本發(fā)明涉及的柔性襯底硅化鐵(P-FeSi2)薄膜太陽電池依次由不銹鋼箔襯底[I]、金屬鑰底電極[2]、二硅化鑰過渡層[3]、N型P-FeSi2薄膜層[4]、弱N型^ -FeSi2薄膜層[5]、P型3 -FeSi2薄膜層[6]、ZnOiAl透明導(dǎo)電層[7]和上電極金屬Al膜[8]材料組成。在不銹鋼箔襯底上，磁控濺射沉積背電極Mo膜，然后磁控濺射硅靶獲得Si薄層，并通過快速熱退火在Mo上形成厚度為IOnm 20nm的MoSi2膜過渡層。隨后，采用磁控濺射孿生雙靶硅靶、鐵靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，在后續(xù)真空環(huán)境下的快速熱退火將Fe-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腘型P -FeSi2。接著，采用磁控濺射鐵靶，在N型3 -FeSi2薄膜層上沉積厚度為0. 5nm 3nm的Fe薄層，并通過后續(xù)真空環(huán)境下的快速熱退火工藝，在N型膜層上形成弱N型膜層。然后，采用磁控濺射孿生雙靶硅靶、鐵靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，通過后續(xù)真空環(huán)境下的快速熱退火工藝將Fe-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腜型P-FeSi2。最后，采用磁控濺射沉積透明導(dǎo)電層ZnOiAl膜和上電極Al膜，從而制備出柔性襯底P -FeSi2薄膜太陽電池。本發(fā)明中采用的磁控濺射孿生雙靶為兩個靶位以肩并肩形式并排放置，在混合濺射過程中，可通過分別改變硅靶、鐵靶的濺射工藝參數(shù)，容易調(diào)節(jié)Fe-Si膜層中的Fe/Si原子比，有利于獲得P型或N型P-FeSi2薄膜。本發(fā)明中采用的快速熱退火工藝，退火溫度500°C 650°C，退火時間很短，僅為2秒 30秒，有利于控制電池材料間的元素互擴(kuò)散，獲得高質(zhì)量的電池材料。實施例I參照附圖1，制備柔性P -FeSi2薄膜太陽電池的制造方法包括如下的步驟步驟一、在不銹鋼箔襯底上，采用直流脈沖磁控濺射沉積背電極Mo膜，厚度為500nm 900nm,派射時氛圍為Ar氣，氛圍真空度為0. 5Pa IPa ；步驟二、采用射頻磁控派射Si IE,在背電極上沉積厚度為3nm IOnm的Si薄層，Si靶材料純度為99. 99%以上。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Mo與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，在背電極上形成MoSi2膜過渡層，MoSi2膜厚度為IOnm 20nm。快速熱退火溫度為500°C 750°C，退火處理時間為3秒 10秒。步驟三、采用直流脈沖磁控濺射孿生雙靶Si靶、Fe靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，沉積時的襯底溫度為300°C 350°C，硅靶、鐵靶材料純度均為99. 99%以上。混合濺射過程中，通過分別改變硅靶、鐵靶的濺 射工藝參數(shù)，在Fe-Si膜層中的Fe/Si原子比逐漸由0. 35增加至0. 55。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，F(xiàn)e-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腘型P -FeSi2，膜層厚度為500nm 900nm?？焖贌嵬嘶饻囟葹?50°C 750°C，退火處理時間為10秒 30秒。步驟四、采用直流脈沖磁控濺射Fe靶，在N型P -FeSi2薄膜層上沉積厚度為0. 5nm 3nm的Fe薄層,鐵祀材料純度為99. 99%以上。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，在N型P -FeSi2薄膜層上形成厚度為5nm 20nm的弱N型P -FeSi2薄膜層。快速熱退火溫度為550°C 690°C，退火處理時間為2秒 5秒。步驟五、采用直流脈沖磁控濺射孿生雙靶Si靶、Fe靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，沉積時的襯底溫度為300°C 350°C，硅靶、鐵靶材料純度均為99. 99%以上?；旌蠟R射過程中，通過分別改變硅靶、鐵靶的濺射工藝參數(shù)，在Fe-Si膜層中的Fe/Si原子介于0. 55 0. 75。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，F(xiàn)e-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腜型P -FeSi2，膜層厚度為150nm 300nm?？焖贌嵬嘶饻囟葹?00°C 650°C，退火處理時間為6秒 20秒。步驟六、采用直流脈沖磁控濺射沉積厚度為200nm 300nm的透明導(dǎo)電層ZnO = Al膜，然后制備上電極Al膜。實施例2上述步驟三和步驟五，可中頻磁控濺射沉積Fe-Si膜。其余步驟同實施例I。實施例3上述步驟一，可以在不銹鋼箔襯底上，采用直流脈沖磁控濺射沉積兩層Mo膜，總厚度為500nm 900nm。在不銹鋼箔襯底上，濺射沉積厚度30nm IOOnm的Mo膜，濺射時氛圍為Ar氣，氛圍真空度為0. 8Pa 0. 9Pa。然后，濺射沉積厚度700nm 800nm的Mo膜，濺射時氛圍為Ar氣，氛圍真空度為0. 5Pa 0.6Pa。雙層Mo膜具有(110)擇優(yōu)取向，有利于后續(xù)制備出高質(zhì)量的P-FeSi2薄膜。其余步驟同實施例I。實施例4上述步驟三中，在真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，退火環(huán)境可以為氬氣和氫氣混合氛圍，氫氣氛圍壓力10_4 10_5Pa。其余步驟同實施例I。
權(quán)利要求
1.柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，依次由襯底[I]、底電極[2]、過渡層[3]、N型薄膜層[4]、弱N型薄膜層[5]、P型薄膜層[6]、透明導(dǎo)電層[7]和上電極金屬膜[8]材料組成，其特征在于所述的襯底[I]為柔性金屬箔材料。
2.如權(quán)利要求I所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，其特征在于所述的柔性金屬箔材料為不銹鋼箔，不銹鋼箔厚度為O. 5 μ m 200 μ m。
3.如權(quán)利要求I所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，其特征在于所述的底電極[2]為金屬鑰(Mo)膜，Mo膜厚度為500nm 900nm。
4.如權(quán)利要求I所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，其特征在于所述的過渡層[3]為二硅化鑰(MoSi2)膜，MoSi2膜厚度為IOnm 20nm。
5.如權(quán)利要求I所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，其特征在于所述的N型薄膜層[4]、弱N型薄膜層[5]和P型薄膜層[6]材料，均為多晶薄膜P-FeSi2，其導(dǎo)電類型由Fe/Si元素比進(jìn)行調(diào)節(jié)。
6.如權(quán)利要求I所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池，其特征在于所述的透明導(dǎo)電層[7]為氧化鋅鋁(ZnOiAl)膜，ZnOiAl膜厚度為200nm 300nm。
7.—種如權(quán)利要求I所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池制備方法，其特征包括以下步驟 步驟一、在不銹鋼箔襯底[I]上，磁控濺射沉積背電極Mo膜[2]，厚度為500nm 900nm ； 步驟二、采用磁控濺射硅(Si)靶，在背電極[2]上沉積厚度為3nm IOnm的Si薄層，硅靶材料純度為99. 99%以上。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Mo與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，在背電極[2]上形成二硅化鑰(MoSi2)膜過渡層[3]^必丨2膜厚度為IOnm 20nm。快速熱退火溫度為500°C 750°C，退火處理時間為3秒 10秒。
步驟三、采用磁控濺射孿生雙靶硅靶、鐵(Fe)靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，沉積時的襯底溫度為300°C 350°C，硅靶、鐵靶材料純度均為99. 99%以上?；旌蠟R射過程中，通過分別改變硅靶、鐵靶的濺射工藝參數(shù)，在Fe-Si膜層中的Fe/Si原子比逐漸由O. 35增加至O. 55。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，F(xiàn)e-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腘型β -FeSi2 [4]，膜層厚度為500nm 900nm。快速熱退火溫度為650°C 750°C，退火處理時間為10秒 30秒。
步驟四、采用磁控濺射鐵靶，在N型β -FeSi2薄膜層[4]上沉積厚度為O. 5nm 3nm的Fe薄層，鐵靶材料純度為99. 99%以上。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，在N型β -FeSi2薄膜層[4]上形成厚度為5nm 20nm的弱N型β -FeSi2薄膜層[5]?？焖贌嵬嘶饻囟葹?50°C 690°C，退火處理時間為2秒 5秒。
步驟五、采用磁控濺射孿生雙靶硅靶、鐵靶，通過混合濺射方式沉積制備出Fe-Si膜，沉積時的襯底溫度為300°C 350°C，硅靶、鐵靶材料純度均為99. 99%以上。混合濺射過程中，通過分別改變硅靶、鐵靶的濺射工藝參數(shù)，在Fe-Si膜層中的Fe/Si原子介于O. 55 ·0.75。在隨后真空環(huán)境下的快速熱退火工藝中，通過Fe與Si互擴(kuò)散反應(yīng)，F(xiàn)e-Si層轉(zhuǎn)變?yōu)槟又旅艿腜型β -FeSi2 [6]，膜層厚度為150nm 300nm。快速熱退火溫度為500°C 650°C，退火處理時間為6秒 20秒。
步驟六、采用磁控濺射沉積厚度為200nm 300nm的透明導(dǎo)電層[7]Ζη0:Α1膜，然后制備上電極Al膜[8]。
8.如權(quán)利要求7所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池制備方法，其特征在于所述的步驟一至步驟六中的電池材料都可在真空環(huán)境下采用磁控濺射沉積獲得，磁控濺射沉積使用中頻、射頻或直流脈沖方法之一。
9.如權(quán)利要求7所述的柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池制備方法，其特征在于所述的步驟三和步驟五中孿生雙靶，為兩個靶位以肩并肩形式并排放置。
全文摘要
一種柔性襯底硅化鐵(β-FeSi2)薄膜太陽電池及其制備方法，涉及多晶β-FeSi2薄膜太陽電池器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和薄膜半導(dǎo)體材料制備方法。本發(fā)明的特點是以柔性金屬箔為襯底材料[1]，底電極為金屬鉬(Mo)膜[2]，以N型多晶薄膜β-FeSi2[4]、弱N型多晶薄膜β-FeSi2[5]和P型多晶薄膜β-FeSi2[6]形成n-p結(jié)，透明導(dǎo)電層為氧化鋅鋁(ZnO:Al)[7]，其特征為太陽電池pn結(jié)都由β-FeSi2多晶薄膜材料組成。柔性襯底硅化鐵薄膜太陽電池其制備方法，包括在襯底[1]上順序制備底電極[2]、過渡層[3]、N型薄膜層[4]、弱N型薄膜層[5]、P型薄膜層[6]、透明導(dǎo)電層[7]和上電極金屬膜[8]材料，其特點是電池各層材料都可在真空環(huán)境下采用磁控濺射沉積獲得。本發(fā)明的太陽電池結(jié)構(gòu)簡單，電池具有輕質(zhì)、可卷曲和高性價比等優(yōu)點，電池原材料成本廉價，制備方法簡單、無污染，易于采用卷對卷連續(xù)化方式進(jìn)行大面積電池產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，電池應(yīng)用領(lǐng)域廣。
文檔編號H01L31/0368GK102760776SQ20121026439
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月30日
發(fā)明者王澤洪 申請人:江蘇天孚太陽能有限公司