一種β-FeSi₂薄膜太陽能電池的制作方法

專利名稱：一種β-FeSi₂薄膜太陽能電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種太陽能電池，特別涉及一種13 -FeSi2薄膜太陽能電池。
背景技術：
太陽能電池是將太陽能直接轉換成電能的一種器件，具有安全可靠、無噪聲、無污 染、維護簡便、資源永不枯竭等優點。太陽能電池的應用已從軍事、航天領域進入工業、商 業、農業、通訊等領域，對于緩解能源危機、改善生態環境具有重大意義。 在傳統的硅基太陽能電池中，單晶硅太陽能電池消耗的原材料多且制備工藝復 雜，使成本居高不下，難以適應大規模應用的要求。非晶硅薄膜太陽能電池由于材料本身存 在的缺陷，限制轉換效率的提高，且存在光致衰退效應。 P-FeSi2薄膜是一種很有應用前景的新型太陽能電池材料，它的光學帶隙為 0. 85-0. 89eV，吸收系數大于105cm—、比單晶硅的吸收系數大1_2個數量級，理論上只需 100nm即可吸收大部分的太陽光，可以大幅減少電池的厚度，降低電池的成本。13 _FeSi2的 吸收譜擴展到紅外波段，可有效吸收單晶硅無法吸收的紅外光，提高電池的長波響應。此 外，P-FeSi2是一種環境友好型半導體，材料來源豐富，具有較強的防輻射和抗化學腐蝕 性，制造和使用過程不對生態造成破壞。 目前，P-FeSi2太陽能電池的結構為P-FeSi2薄膜與單晶硅襯底構成的異質結。 中國專利200910068154. 3公開了一種窄帶隙薄膜光伏材料P _FeSi2的制備方法，制備出 n-e-FeSi2/p-Si(lll)異質結太陽能電池。統計數據表明，產業化單晶硅太陽能電池的成 本約60%花費在單晶硅襯底上。P-FeSi2/Si異質結太陽能電池使用單晶硅襯底，仍需消 耗較多的硅材料，難以有效降低生產成本。

發明內容
本發明的目的是為了克服現有13 -FeSi2太陽能電池的缺點，提供一種生產成本低 的基于非硅襯底的P-FeSi2薄膜太陽能電池。
本發明的目的通過如下技術方案實現 —種P-FeSi2薄膜太陽能電池，依次由非硅襯底、背電極、薄膜硅層、P-FeSi2 層和氧化鋅層構成；非硅襯底是陶瓷薄片或金屬薄片；薄膜硅層厚度為8nm 12nm，是 n型或p型摻雜非晶硅，摻雜濃度1 X 1019cm—3 2X 1019cm—3 ;所述背電極是可導電的材 料；P-FeSi2層厚度為200nm 250nm，為p型摻雜或n型摻雜，摻雜濃度lX1017cm—3 2 X 1017cm—3 ;氧化鋅層厚度為100nm 150nm ;為n型摻雜，摻雜濃度1 X 1019cm—3 2X 1019cm—3，或者氧化鋅層p型摻雜，摻雜濃度IX 1017cm—3 2X 1017cm—3。
為進一步實現本發明目的，所述薄膜硅層為非晶硅、納米硅或微晶硅。
薄膜硅層、13 -FeSi2層和氧化鋅層是p型摻雜薄膜硅層、p型摻雜13 _FeSi2層和n 型摻雜氧化鋅層的組合。 薄膜硅層、13 -FeSi2層和氧化鋅層是型摻雜薄膜硅層、n型摻雜P -FeSi2層和p型摻雜氧化鋅層的組合。 所述氧化鋅層含有金屬柵線，增加電流側向收集效率。 與現有|3 -FeSi2太陽能電池相比，本發明的有益效果是 1.采用非硅廉價襯底，降低電池制造成本； 2.采用背場結構，提高開路電壓和光電轉換效率； 3.氧化鋅層起減反射作用，提高短路電流和光電轉換效率。


圖1為本發明e-FeS^薄膜太陽能電池結構示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施方式對本發明做進一步的說明，但本發明要求保護的范圍并 不局限于實施方式表述的范圍。 如圖l所示，本發明的P-FeSi2薄膜太陽能電池依次由非硅襯底1、背電極2、薄 膜硅層3、P-FeS^層4和氧化鋅層5構成。非硅襯底1是陶瓷薄片或金屬薄片。背電極2 是可導電的材料。薄膜硅層3是非晶硅、納米硅或微晶硅。薄膜硅層3、P-FeSi2層4和氧 化鋅層5結構中薄膜硅層3優選p型摻雜薄膜硅層，13 -FeSi2層4優選p型摻雜P _FeSi2 層，氧化鋅層5優選n型摻雜氧化鋅層；薄膜硅層3、 13 -FeSi2層4和氧化鋅層5結構中薄 膜硅層3優選n型摻雜薄膜硅層3， 13 -FeSi2層4優選n型摻雜P _FeSi2層，氧化鋅層5優 選P型摻雜氧化鋅層。本發明的P-FeSi2薄膜太陽能電池中，在氧化鋅層5上可以設有增 加電流側向收集效率的金屬柵線，柵線的形狀和分布采用傳統太陽能電池的設計。
薄膜硅層3作為電池的背場，用于形成背區高低結，可提高內建電場在電池中的 分布，以及形成光生少子勢壘，減小反向飽和電流，提高開路電壓和光電轉換效率。
P-FeSi2層4是電池的吸收層，可以充分利用太陽光譜中的紅外波段，增大電池長 波響應，提高對太陽光譜的吸收利用率。利用P-FeSi2薄膜的高吸收系數可有效減少吸收 層的厚度。 氧化鋅層5作為電池的窗口層，起透光作用。氧化鋅層5同時作為電池的前透明
導電電極和減反射層，提高短路電流和光電轉換效率，并降低電池的制造成本。為增加電流
的收集效率和方便連接，在氧化鋅層上可以含有金屬柵線。 本發明|3 -FeSi2薄膜太陽能電池的制備方法依下列步驟進行 (1)采用真空蒸發法在非硅襯底1上制備背電極2 ; (2)用PECVD工藝在背電極2上生長薄膜硅層3 ; (3)在薄膜硅層3上采用磁控濺射法制備13 _FeSi2層4 ; (4)用磁控濺射法在13 -FeSi2層4上制備氧化鋅層5。 實施例1 非硅襯底1是A1203陶瓷薄片滑電極2是Ag，厚度30nm ;薄膜硅層3是p型摻雜 非晶硅，摻雜濃度1 X 1019cm-3，厚度10nm ; P _FeSi2層4是p型摻雜，摻雜濃度1 X 1017cm-3， 厚度250nm ;氧化鋅層5是n型摻雜，摻雜濃度1 X 1019cm—3，厚度lOOnm ;氧化鋅層5上含有 金屬柵線，金屬柵線的寬度是100 ii m，線間距是2. 2mm。
實施例2 非硅襯底1是普通玻璃片；背電極2是Ag，厚度30nm ;薄膜硅層3是p型摻雜微 晶硅，摻雜濃度2X 1019cm—3，厚度8nm ; P _FeSi2層4是p型摻雜，摻雜濃度2X 1017cm—3，厚 度250nm ;氧化鋅層5是n型摻雜，摻雜濃度1 X 1019cm—3，厚度lOOnm ;氧化鋅層5上含有金 屬柵線，金屬柵線的寬度是100 ii m，線間距是2. 2mm。
實施例3 非硅襯底1是A1203陶瓷薄片滑電極2是Ag，厚度25nm ;薄膜硅層3是n型摻雜 微晶硅，摻雜濃度1 X 1019cm-3，厚度12nm ; P _FeSi2層4是n型摻雜，摻雜濃度1 X 1017cm-3， 厚度200nm ;氧化鋅層5是p型摻雜，摻雜濃度2 X 1017cm—3，厚度150nm ;氧化鋅層5上含有 金屬柵線，金屬柵線的寬度是100 ii m，線間距是2. 2mm。
實施例4 非硅襯底1是普通玻璃片；背電極2是Ag，厚度25nm ;薄膜硅層3是n型摻雜非 晶硅，摻雜濃度2X 1019cm—3，厚度10nm ; P _FeSi2層4是n型摻雜，摻雜濃度IX 1017cm—3，厚 度250nm ;氧化鋅層5是p型摻雜，摻雜濃度1 X 1017cm—3，厚度150nm ;氧化鋅層5上含有金 屬柵線，，金屬柵線的寬度是100 ii m，線間距是2. 2mm。 薄膜硅層3作為電池的背場，用于形成背區高低結，可明顯提高光電轉換效率。在 AMI. 5光照條件下，與沒有薄膜硅層3作為電池背場的相同實驗條件下制備的13 -FeSi2薄 膜電池相對比，轉換效率有明顯的增加，經檢測，其中實施例1增加了 3. 10 % ，實施例2增加 了 2. 68 % ，實施例3增加了 2. 05 % ，實施例4曾加了 2. 12 % ，目前薄膜硅太陽能電池的轉換 效率一般在10%左右，提高太陽能電池的轉換效率是提高薄膜太陽能電池最主要的性能之 一，本發明通過增設薄膜硅層3，采用背場結構，對提高了太陽能電池的轉換效率具有重要 的現實意義。氧化鋅層的應用，起到減反射作用，提高了短路電流和光電轉換效率。
權利要求
一種β-FeSi2薄膜太陽能電池，其特征在于依次由非硅襯底(1)、背電極(2)、薄膜硅層(3)、β-FeSi2層(4)和氧化鋅層(5)構成；非硅襯底(1)是陶瓷薄片或金屬薄片；薄膜硅層(3)厚度為8nm～12nm，是n型或p型摻雜非晶硅，摻雜濃度1×1019cm-3～2×1019cm-3；所述背電極(2)是可導電的材料；β-FeSi2層(4)厚度為200nm～250nm，為p型摻雜或n型摻雜，摻雜濃度1×1017cm-3～2×1017cm-3；氧化鋅層(5)厚度為100nm～150nm；為n型摻雜，摻雜濃度1×1019cm-3～2×1019cm-3，或者氧化鋅層p型摻雜，摻雜濃度1×1017cm-3～2×1017cm-3。
2. 根據權利要求l所述的P-FeSi2薄膜太陽能電池，其特征在于所述所述薄膜硅層 (3)是非晶硅、納米硅或微晶硅。
3. 根據權利要求1或2所述的13 -FeSi2薄膜太陽能電池，其特征在于薄膜硅層(3)、 13 -FeSi2層(4)和氧化鋅層(5)是p型摻雜薄膜硅層(3) 、 p型摻雜P _FeSi2層(4)和n 型摻雜氧化鋅層(5)的組合。
4. 根據權利要求1或2所述的13 -FeSi2薄膜太陽能電池，其特征在于薄膜硅層(3)、 13 -FeSi2層(4)和氧化鋅層(5)是型摻雜薄膜硅層(3) 、 n型摻雜P _FeSi2層(4)和p型 摻雜氧化鋅層(5)的組合。
5. 根據權利要求3所述的P-FeSi2薄膜太陽能電池，其特征在于所述氧化鋅層(5) 含有金屬柵線。
全文摘要
本發明公開了一種β-FeSi2薄膜太陽能電池，它依次由非硅襯底(1)、背電極(2)、薄膜硅層(3)、β-FeSi2層(4)、氧化鋅層(5)構成。非硅襯底(1)是陶瓷薄片或金屬薄片；薄膜硅層(3)是n型或p型摻雜非晶硅；背電極(2)是可導電的材料；β-FeSi2層(4)為p型摻雜或n型摻雜；氧化鋅層(5)為n型摻雜，摻雜濃度1×1019cm-3～2×1019cm-3，或者氧化鋅層p型摻雜，摻雜濃度1×1017cm-3～2×1017cm-3。本發明采用非硅廉價襯底，降低電池制造成本；采用背場結構，提高開路電壓和光電轉換效率；氧化鋅層起減反射作用，提高短路電流和光電轉換效率。
文檔編號H01L31/042GK101740645SQ20091021422
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者姚若河, 耿魁偉, 許家雄 申請人:華南理工大學