專利名稱：一種窄帶隙薄膜光伏材料β-FeSi₂的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽電池吸收層薄膜的制備方法，特別是低溫下用孿生對靶濺射Fe-Si 組合耙制備窄帶隙卩-FeSi2薄膜的方法，是一種新穎的太陽電池制備技術(shù)，屬于新能源中薄膜 太陽電池的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在^的太陽輻射光譜中，可見光部分大概占48%, ^i提高電池效率，充分利用太陽光中 紅外和近紅外部分的光非常觀，逸就需要窄帶隙的光伏材料。低溫半導(dǎo)糊的鐵硅化^tl p-FeSi2 具有0.80-0.92eV的直接帶隙，對太陽光的響應(yīng)極限擴展到了 1500nm左右，可以吸收將近90%的 太陽光，特別魏近紅外光的吸收能力很強，顯著提高了太陽光譜的利用率，成為一種非?？赡?提高太陽電池效率的新材料。形卜，P-FeSi2薄膜的吸收系數(shù)很高( 105 cm—1 )，理論上只需要~100nm 的材料即可吸收大部分的太陽光，原材料的消耗明顯斷氏，有利于附氏電池制造成本；穩(wěn)定性好， 對高溫、氧氣、濕氣以及化學(xué)品具有極強的耐受性；原材料資源豐富而且無毒；具有極好的耐放 射線和宇宙射線的特性，可為航空航天設(shè)^f共電。因此，p-FeSi2是一種體實現(xiàn)高效率、低成本、 ，命電池的新型窄帶隙薄膜光伏材料。
雖然人們很早就認i喂Up-FeSi2薄膜可以應(yīng)用于太陽電池，但是轉(zhuǎn)換效率一直不高，其關(guān)鍵因 素依然(3-FeSi2材料問題，即如何穩(wěn)定可控的生長單一相、具有優(yōu)異光電鵬鵬l3-FeSi2薄膜。高 質(zhì)量的P-FeSi2薄lM該滿足以下要求①精確可控的Fe/Si原子比，盡可能銜fil:2;②平坦、 纖、沒有激的理想薄膜表面；③沒有針孔的表面和界面；④pn結(jié)界面足夠平坦，結(jié)區(qū)原子 互擴t^導(dǎo)到抑制；⑤剩余^^子濃度在1016cm-3識，電子或空穴濃度可控?，F(xiàn)在影響P-FeSi2 薄^M量的主要原因是(1)Fe/Si原子比偏離l:2的化學(xué)if4比，在制備卩-FeSi2過程中容易導(dǎo)致 Fe向Si襯底中擴散，形成的深倉激成為載流子復(fù)合中心，這不僅附氏P-FeSi2薄膜的質(zhì)量，而且 導(dǎo)致p-FeSi2/Si異質(zhì)界M^清晰(un-shaip interface),以及較高的串連電阻和^I的漏電流，最終 使得電池的效 高；(2) (3-FeSi2和Si襯底之間H格常數(shù)的失配，P-FeSi2和Si之間存在著多種 取向關(guān)系，造成P"FeSi2薄EM現(xiàn)多晶結(jié)構(gòu)以及大量的晶粒間界缺陷。以上分析可以看出，目前 (3-FeSi2薄膜太陽電池效軒高的主要原因在于材料的質(zhì)量不夠高。而調(diào)整薄膜中的Fe/Si原子比， 可以抑制襯底中Si向薄膜中的擴散，達至腿高P-FeSi2薄麟量的目的，進而為(3"FeSi2薄駄陽電池奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)影響P-FeSi2薄膜的關(guān)鍵因素，設(shè)計了一種提高窄帶隙(Eg 0.9eV)薄膜光伏 材料(3-FeSi2光電質(zhì)量的新方案，即采用孿生對靶磁控濺射技術(shù)，通過調(diào)整Fe-Si組合靶中鐵 耙和硅耙面積，非常方便地調(diào)節(jié)沉積薄膜中的Fe/Si原子比。該方法能夠顯著提高P-FeSi2薄 膜光電質(zhì)量，實現(xiàn)p-Si(lll)/n-P-FeSi2異質(zhì)結(jié)太陽電池，擴展了太陽電池的光譜響應(yīng)范圍，提 高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案采用孿生對耙磁控濺射Fe-Si組合靶中鐵靶和硅靶面積制備|3-FeSi2 薄膜的方法，其特征在于它包括以下步驟
1) 將單晶硅片襯底放在真空室內(nèi)，本底真空 10^Pa;
2) 采用磁控濺射方法在單晶硅片上沉積Fe/Si混合薄膜；
3) 將Fe/Si混合薄膜放在氣氛退火爐中熱處理；
4) 在P-FeSi2薄膜上面制備透明導(dǎo)電薄膜(TCO);
5) 在TCO上制備Al柵極，在單晶Si上制備背Al電極。
本發(fā)明中采用的濺射裝置是孿生對向靶濺射方式，濺射所需的靶是鐵靶和硅靶組成的組 合耙，其結(jié)構(gòu)是將2cmX8cmX0.5cm的硅片(純度99.9999%)綁定在6cmX8cmX lcm的鐵 耙(純度99.99%)上面組合而成。組合靶中鐵靶和硅靶的濺射面積是可調(diào)的，其方法是通過 移動一個連接在靶罩上接地擋板的位置，使暴露在等離子體區(qū)域鐵靶和硅靶的面積不同，從 而改變沉積薄膜中Fe和Si的成分比例。
本發(fā)明中濺射參數(shù)范圍是Ar氣流量10 100sccm;濺射功率10~1000W;濺射壓力
0.05~10Pa;襯底溫度100~900°C。
本發(fā)明中熱退火處理工藝范圍退火溫度lOO-lOOO^C;退火時間0.5~20小時；退火
氛圍Ar氣保護氛圍。
本發(fā)明采用的單晶硅片包括電阻率大于2000Qcm和電阻率在8 10Qcm兩種；結(jié)晶取 向為Si(100)和Si(lll);導(dǎo)電類型為p型和n型。
4本發(fā)明在P-FeSi2薄膜上制備的透明導(dǎo)電薄膜(TCO)是ZnO或ITO，其相應(yīng)制備方法是 濺射或電子束蒸發(fā)或金屬有機化學(xué)氣象沉積。
本發(fā)明有益效果是采用孿生對靶濺射FeSi組合靶的方法制備薄膜，其中孿生對耙濺射 有利于減小離子轟擊作用，從而有利于提高薄膜的質(zhì)量；而Fe和Si共濺射可以使Fe原子和 Si原子混合比較充分，有利于降低退火溫度，最終得到高質(zhì)量P-FeSi2薄膜材料，并制備出具 有一定效率的電池。
要得到不同F(xiàn)e/Si原子比例，進而得到具有不同導(dǎo)電類型(p型或n型)的P-FeSi2薄膜材 料，可以通過移動一個連接在靶罩上接地擋板的位置，使暴露在等離子體區(qū)域鐵靶和硅靶的 面積不同，從而改變沉積薄膜中Fe和Si的成分比例。方法簡單，便于操作實現(xiàn)。該方法制 備出的p-FeSi2薄膜材料可以比較充分的禾傭近紅外波段的太陽光，從而有效地提高電池的光 電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為本發(fā)明制備P-FeSi2薄膜的孿生對靶濺射裝置。
圖中S為磁場南極，N為磁場北極，target為濺射靶材，substrate為襯底，pump為真空 抽氣系統(tǒng)
圖2為本發(fā)明n-p-FeSi2/p-Si(lll)異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施案例對本發(fā)明所述的技術(shù)方案進行詳細的說明。
本發(fā)明涉及的(3-FeSi2/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池有Al背電極、p-Si(lll)襯底、(3-FeSi2薄膜、
透明導(dǎo)電薄膜和A1柵極組成。由于P-FeSi2吸收系數(shù)很高，所以作為吸收層的P-FeSi2厚度在
200nm左右。
首先以Ar氣為濺射氣體，將清洗后的單晶硅襯底放入沉積腔室，采用孿生對耙濺射Fe-Si 組合靶的方法制備Fe/Si混合薄膜，然后再把Fe/Si混合薄膜放在Ar氣氛退火爐中熱處理，之 后采用電子束蒸發(fā)或者濺射或者制備透明導(dǎo)電膜TCO，最后采用熱蒸發(fā)方式制備Al背電極和Al柵電極，從而形成p-FeSi2/c-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池。
本發(fā)明采用的的孿生對靶濺射方式得到高密度的等離子體，而且襯底垂直于兩個濺射耙 的位置放置，這樣有利于減小離子轟擊作用，從而提高薄膜的質(zhì)量。
本發(fā)明采用的濺射靶是有Fe靶和Si靶組成的組合靶，這樣Fe和Si共濺射可以使Fe原 子和Si原子混合比較充分，使退火溫度減低到600~700°C，最終在較低的溫度下獲得了高質(zhì) 量P-FeSi2薄膜材料。
本發(fā)明制備的P-FeSi2薄膜具有很高的吸收系數(shù)，作為吸收層時厚度在 200nm左右，是 非晶硅電池厚度的1/3左右，是微晶硅電池厚度的1/10。這樣既可以節(jié)省半導(dǎo)體材料，又可 以縮短電池制備周期；而制備所采用的是工業(yè)化成熟的濺射技術(shù)，這都有利于實現(xiàn)太陽電池 的低成本制造。
實施例l
在電阻率大于2500Qcm的單晶Si(100)襯底上，在濺射壓力1Pa和濺射功率80W條件下， 移動靶罩上接地擋板的位置，使暴露在等離子體區(qū)域鐵靶和硅靶的面積之比為3: 1，這樣濺 射得到的樣品中由XPS測得的Fe/Si比例為4.4。然后上述樣品經(jīng)過600°C熱退火兩小時得到 了室溫下P型的單一相P-FeSi2薄膜。其中空穴濃度為5.75xl016cm—3，遷移率達到了 168cm2/Vs， 禁帶寬度是0.879eV，吸收系數(shù)在光子能量為l.OeV時達到了 1.42><105cm—、
實施例2
在電阻率大于2500Qcm的單晶Si(100)襯底上，在濺射壓力1Pa和濺射功率20W條件下，
移動耙罩上接地擋板的位置，使暴露在等離子體區(qū)域鐵靶和硅靶的面積之比為l: 1，這樣濺
射得到的樣品中由XPS測得的Fe/Si比例為0.3。然后上述樣品經(jīng)過700°C熱退火兩小時得到 了室溫下N型的單一相P-FeSi2薄膜。其中電子濃度約為1.35xl016cm—3，遷移率達到了 488cm2/Vs,禁帶寬度是0.9eV，吸收系數(shù)在光子能量為l.OeV時達到了 3.1xl(A;m—1。。 實施例3
采用電阻率8Qcm的p型Si(l 1 l)單晶片作為外延生長P-FeSi2薄膜的襯底，并通過退火溫度和薄膜厚度的優(yōu)化制備N型P-FeSi2，成功制得了國內(nèi)第一個n-p-FeSi2/p-Si異質(zhì)結(jié)太陽電池， 電池短路電流密度8.32mA/cm2，開路電壓0.223V，填充因子30.3%，光電轉(zhuǎn)換效率0.562°/。。 以上所述，僅為本發(fā)明在一定工藝條件下較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并 不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變 化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的 保護范圍為準。
權(quán)利要求
1、一種新型窄帶隙薄膜光伏材料β-FeSi2的制備方法，其特征在于它包括以下步驟1)將單晶硅片襯底放在真空室內(nèi)，本底真空～10-4Pa；2)采用磁控濺射方法在單晶硅片上沉積Fe/Si混合薄膜；3)將Fe/Si混合薄膜放在氣氛退火爐中熱處理；4)在β-FeSi2薄膜上面制備透明導(dǎo)電薄膜TCO；5)在TCO上制備Al柵極，在單晶Si上制備背Al電極。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料p-FeSb的制備方法，其特征在 于濺射裝置是孿生對向耙濺射方式。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料P-FeSi2的制備方法，其特征在 于濺射所需的靶是鐵靶和硅靶組成的組合靶，其結(jié)構(gòu)是將2cmX8cmX0.5cm的純度 99.9999%硅片綁定在6cmX8cmX lcm的純度99.99%鐵耙上面組合而成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料P-FeSi2的制備方法，其特征在 于組合耙中鐵耙和硅靶的濺射面積是可調(diào)的，其方法是通過移動一個連接在靶罩上接地擋 板的位置，使暴露在等離子體區(qū)域鐵靶和硅靶的面積不同，從而改變沉積薄膜中Fe和Si的 成分比例。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料P-FeSi2的制備方法，其特征在于濺射參數(shù)范圍Ar氣流量10 100sccm 濺射功率10-1000W濺射壓力0.05~10Pa 襯底溫度100~900°C 。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料P-FeSi2的制備方法，其特征在 于熱退火處理工藝范圍為，退火溫度100~1000QC;退火時間0.5~20小時；退火氛圍Ar 氣保護氛圍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料P-FeSi2的制備方法，其特征在 于P-FeSi2薄膜上的透明導(dǎo)電薄膜TCO是ZnO或ITO。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型窄帶隙薄膜光伏材料(3-FeSi2的制備方法，其特征在 于(3-FeSi2薄膜上的透明導(dǎo)電薄膜TCO制備方法是濺射或電子束蒸發(fā)或金屬有機化學(xué)氣象沉 積。
全文摘要
一種窄帶隙薄膜光伏材料β-FeSi₂的制備方法。利用直流磁控濺射Fe-Si組合靶，在單晶硅襯底上制備Fe-Si薄膜，然后經(jīng)過后續(xù)熱退火，最終形成高質(zhì)量的單一相β-FeSi₂薄膜。針對Fe/Si原子比例偏離造成后退火過程中嚴重的互擴散問題，本發(fā)明通過接地擋板來調(diào)節(jié)組合靶中鐵靶和硅靶面積的方法，非常方便地實現(xiàn)了沉積的薄膜中Fe/Si原子比的調(diào)節(jié)，退火溫度從傳統(tǒng)的700～800℃減小到600～700℃，退火時間減少到1～2小時，得到了具有優(yōu)異光電性能的單一相β-FeSi₂薄膜，并成功制備出效率0.562％的n-β-FeSi₂/p-Si(111)異質(zhì)結(jié)太陽電池。本發(fā)明的有益效果是可以顯著提高β-FeSi₂薄膜的光電性能，從而有利于提高太陽電池的效率。
文檔編號H01L31/18GK101510574SQ20091006815
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者侯國付, 耿新華, 穎 趙, 超 郁 申請人:南開大學(xué)