基于β-FeSi2薄膜的太陽(yáng)能電池研究.pdf

1、β-FeSi2是一種優(yōu)良的環(huán)境友好型半導(dǎo)體材料，在室溫時(shí)帶隙寬度為0.83eV-0.87eV，光吸收系數(shù)很大，對(duì)紅外光的吸收能力很強(qiáng)，其理論的光電轉(zhuǎn)換效率為16％-23%，僅次于晶體硅，并且該材料成本低，化學(xué)穩(wěn)定性高。近年來，隨著微電子器件的發(fā)展，基于β-FeSi2薄膜的電子器件研究在迅速發(fā)展，如在熱電、太陽(yáng)能電池、近紅外探測(cè)等領(lǐng)域。
　　本文利用磁控濺射技術(shù)對(duì)β-FeSi2薄膜和基于β-FeSi2薄膜的電池制備及性能進(jìn)行了探索。

2、具體內(nèi)容如下：
　　1.系統(tǒng)地研究了退火溫度、退火時(shí)間和Fe膜厚度對(duì)β-FeSi2薄膜形成的影響。通過XRD分析發(fā)現(xiàn)：制備β-FeSi2薄膜的最佳退火溫度是880℃。濺射Fe膜厚度80nm-130nm，在880℃15小時(shí)到22小時(shí)條件下退火均可以制備出β-FeSi2材料。測(cè)試結(jié)果表明：在880℃18小時(shí)以及880℃22小時(shí)條件下退火制備的β-FeSi2有較好的半導(dǎo)體性質(zhì)。制備的β-FeSi2是直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙值是0.85eV

3、。
　　2.在硅襯底上制備β-FeSi2/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)和Si/β-FeSi2/Si雙異質(zhì)結(jié)構(gòu),對(duì)其光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。測(cè)試結(jié)果表明：β-FeSi2薄膜厚度較大時(shí)，異質(zhì)結(jié)的光吸收率就會(huì)下降；β-FeSi2/Si的導(dǎo)電類型為 P型，Si/β-FeSi2/Si的導(dǎo)電類型為 N型。
　　3.研究了β-FeSi2薄膜吸收層厚度與太陽(yáng)光波長(zhǎng)的關(guān)系，采用AMPS-1D軟件對(duì)β-FeSi2薄膜電池的伏安特性進(jìn)行了模擬。通過研究β-Fe

4、Si2薄膜吸收層厚度與太陽(yáng)光波長(zhǎng)的關(guān)系，得到了相應(yīng)的計(jì)算公式以及β-FeSi2薄膜吸收層最佳厚度是200nm到250nm。對(duì)于β-FeSi2/Si電池模擬結(jié)果表明，硅襯底厚度為1μm時(shí)，β-FeSi2薄膜電池的效率可以達(dá)到10%以上。隨著硅襯底厚度的增加，電池的光電轉(zhuǎn)換效率下降。硅襯底厚度為200μm或500μm時(shí)，電池的光電轉(zhuǎn)換效率小于0.1%。在相同的硅襯底厚度和半導(dǎo)體材料摻雜濃度下，且β-FeSi2薄膜厚度為100nm-500nm

5、時(shí)，β-FeSi2薄膜厚度的增加有利于光電轉(zhuǎn)換效率的增加，但是增加的幅度呈下降趨勢(shì)。在半導(dǎo)體材料摻雜濃度相同時(shí)，硅襯底較薄的電池有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于Si/β-FeSi2/Si電池模擬結(jié)果表明，摻雜濃度(1016-1019cm-3)對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率幾乎沒有影響，其光電轉(zhuǎn)換效率最高可以達(dá)到24.7%，硅膜的厚度在20nm到200μm范圍內(nèi)變化時(shí)其對(duì)光電轉(zhuǎn)換效率的影響小于1%。模擬結(jié)果表明，制備太陽(yáng)能電池時(shí)，β-FeSi2薄膜厚度最佳值為

6、300nm。
　　4.制備了基于β-FeSi2薄膜的β-FeSi2/Si和 Si/β-FeSi2/Si太陽(yáng)能電池，并摻Mn和B來改變?chǔ)?FeSi2的載流子濃度和導(dǎo)電類型，分別采用磁控濺射設(shè)備和絲網(wǎng)印刷設(shè)備來制備歐姆電極。通過實(shí)驗(yàn)得到了利用磁控濺射制備 Ag上電極和Al下電極的適宜退火條件分別是650℃15分鐘和450℃20分鐘。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在Si/β-FeSi2/Si電池中，硅膜厚度在25nm到300nm變化時(shí)其對(duì)電池的光電轉(zhuǎn)換效率

7、的影響很小，在25nm-300nm內(nèi)硅膜厚度對(duì)電池光電轉(zhuǎn)換效率的影響與模擬結(jié)果相符，考慮到熱處理過程的影響，硅膜的厚度值通常取100nm。通過摻Mn和B，β-FeSi2電池的伏安特性有明顯改善，光電轉(zhuǎn)換效率有明顯提高。
　　5.制備出了β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)電池和Si/β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)電池，測(cè)試了其伏安特性。在β-FeSi2/Si結(jié)構(gòu)電池中獲得的性能參數(shù)為：最大開路電壓Voc=0.38V,最大短路電流Isc=0.9mA，