CN101740645A - 一种β-FeSi2薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种β-FeSi2薄膜太阳能电池 Download PDF

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许家雄
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Abstract

本发明公开了一种β-FeSi2薄膜太阳能电池，它依次由非硅衬底(1)、背电极(2)、薄膜硅层(3)、β-FeSi2层(4)、氧化锌层(5)构成。非硅衬底(1)是陶瓷薄片或金属薄片；薄膜硅层(3)是n型或p型掺杂非晶硅；背电极(2)是可导电的材料；β-FeSi2层(4)为p型掺杂或n型掺杂；氧化锌层(5)为n型掺杂，掺杂浓度1×1019cm-3～2×1019cm-3，或者氧化锌层p型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3～2×1017cm-3。本发明采用非硅廉价衬底，降低电池制造成本；采用背场结构，提高开路电压和光电转换效率；氧化锌层起减反射作用，提高短路电流和光电转换效率。

Description

一种β-FeSi2薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别涉及一种β-FeSi2薄膜太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是将太阳能直接转换成电能的一种器件，具有安全可靠、无噪声、无污染、维护简便、资源永不枯竭等优点。太阳能电池的应用已从军事、航天领域进入工业、商业、农业、通讯等领域，对于缓解能源危机、改善生态环境具有重大意义。
在传统的硅基太阳能电池中，单晶硅太阳能电池消耗的原材料多且制备工艺复杂，使成本居高不下，难以适应大规模应用的要求。非晶硅薄膜太阳能电池由于材料本身存在的缺陷，限制转换效率的提高，且存在光致衰退效应。
β-FeSi2薄膜是一种很有应用前景的新型太阳能电池材料，它的光学带隙为0.85-0.89eV，吸收系数大于105cm-1，比单晶硅的吸收系数大1-2个数量级，理论上只需100nm即可吸收大部分的太阳光，可以大幅减少电池的厚度，降低电池的成本。β-FeSi2的吸收谱扩展到红外波段，可有效吸收单晶硅无法吸收的红外光，提高电池的长波响应。此外，β-FeSi2是一种环境友好型半导体，材料来源丰富，具有较强的防辐射和抗化学腐蚀性，制造和使用过程不对生态造成破坏。
目前，β-FeSi2太阳能电池的结构为β-FeSi2薄膜与单晶硅衬底构成的异质结。中国专利200910068154.3公开了一种窄带隙薄膜光伏材料β-FeSi2的制备方法，制备出n-β-FeSi2/p-Si(111)异质结太阳能电池。统计数据表明，产业化单晶硅太阳能电池的成本约60％花费在单晶硅衬底上。β-FeSi2/Si异质结太阳能电池使用单晶硅衬底，仍需消耗较多的硅材料，难以有效降低生产成本。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有β-FeSi2太阳能电池的缺点，提供一种生产成本低的基于非硅衬底的β-FeSi2薄膜太阳能电池。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种β-FeSi2薄膜太阳能电池，依次由非硅衬底、背电极、薄膜硅层、β-FeSi2层和氧化锌层构成；非硅衬底是陶瓷薄片或金属薄片；薄膜硅层厚度为8nm～12nm，是n型或p型掺杂非晶硅，掺杂浓度1×1019cm-3～2×1019cm-3；所述背电极是可导电的材料；β-FeSi2层厚度为200nm～250nm，为p型掺杂或n型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3～2×1017cm-3；氧化锌层厚度为100nm～150nm；为n型掺杂，掺杂浓度1×1019cm-3～2×1019cm-3，或者氧化锌层p型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3～2×1017cm-3。
为进一步实现本发明目的，所述薄膜硅层为非晶硅、纳米硅或微晶硅。
薄膜硅层、β-FeSi2层和氧化锌层是p型掺杂薄膜硅层、p型掺杂β-FeSi2层和n型掺杂氧化锌层的组合。
薄膜硅层、β-FeSi2层和氧化锌层是型掺杂薄膜硅层、n型掺杂β-FeSi2层和p型掺杂氧化锌层的组合。
所述氧化锌层含有金属栅线，增加电流侧向收集效率。
与现有β-FeSi2太阳能电池相比，本发明的有益效果是：
1.采用非硅廉价衬底，降低电池制造成本；
2.采用背场结构，提高开路电压和光电转换效率；
3.氧化锌层起减反射作用，提高短路电流和光电转换效率。
附图说明
图1为本发明β-FeSi2薄膜太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明做进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。
如图1所示，本发明的β-FeSi2薄膜太阳能电池依次由非硅衬底1、背电极2、薄膜硅层3、β-FeSi2层4和氧化锌层5构成。非硅衬底1是陶瓷薄片或金属薄片。背电极2是可导电的材料。薄膜硅层3是非晶硅、纳米硅或微晶硅。薄膜硅层3、β-FeSi2层4和氧化锌层5结构中薄膜硅层3优选p型掺杂薄膜硅层，β-FeSi2层4优选p型掺杂β-FeSi2层，氧化锌层5优选n型掺杂氧化锌层；薄膜硅层3、β-FeSi2层4和氧化锌层5结构中薄膜硅层3优选n型掺杂薄膜硅层3，β-FeSi2层4优选n型掺杂β-FeSi2层，氧化锌层5优选p型掺杂氧化锌层。本发明的β-FeSi2薄膜太阳能电池中，在氧化锌层5上可以设有增加电流侧向收集效率的金属栅线，栅线的形状和分布采用传统太阳能电池的设计。
薄膜硅层3作为电池的背场，用于形成背区高低结，可提高内建电场在电池中的分布，以及形成光生少子势垒，减小反向饱和电流，提高开路电压和光电转换效率。
β-FeSi2层4是电池的吸收层，可以充分利用太阳光谱中的红外波段，增大电池长波响应，提高对太阳光谱的吸收利用率。利用β-FeSi2薄膜的高吸收系数可有效减少吸收层的厚度。
氧化锌层5作为电池的窗口层，起透光作用。氧化锌层5同时作为电池的前透明导电电极和减反射层，提高短路电流和光电转换效率，并降低电池的制造成本。为增加电流的收集效率和方便连接，在氧化锌层上可以含有金属栅线。
本发明β-FeSi2薄膜太阳能电池的制备方法依下列步骤进行：
(1)采用真空蒸发法在非硅衬底1上制备背电极2；
(2)用PECVD工艺在背电极2上生长薄膜硅层3；
(3)在薄膜硅层3上采用磁控溅射法制备β-FeSi2层4；
(4)用磁控溅射法在β-FeSi2层4上制备氧化锌层5。
实施例1
非硅衬底1是Al2O3陶瓷薄片；背电极2是Ag，厚度30nm；薄膜硅层3是p型掺杂非晶硅，掺杂浓度1×1019cm-3，厚度10nm；β-FeSi2层4是p型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3，厚度250nm；氧化锌层5是n型掺杂，掺杂浓度1×1019cm-3，厚度100nm；氧化锌层5上含有金属栅线，金属栅线的宽度是100μm，线间距是2.2mm。
实施例2
非硅衬底1是普通玻璃片；背电极2是Ag，厚度30nm；薄膜硅层3是p型掺杂微晶硅，掺杂浓度2×1019cm-3，厚度8nm；β-FeSi2层4是p型掺杂，掺杂浓度2×1017cm-3，厚度250nm；氧化锌层5是n型掺杂，掺杂浓度1×1019cm-3，厚度100nm；氧化锌层5上含有金属栅线，金属栅线的宽度是100μm，线间距是2.2mm。
实施例3
非硅衬底1是Al2O3陶瓷薄片；背电极2是Ag，厚度25nm；薄膜硅层3是n型掺杂微晶硅，掺杂浓度1×1019cm-3，厚度12nm；β-FeSi2层4是n型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3，厚度200nm；氧化锌层5是p型掺杂，掺杂浓度2×1017cm-3，厚度150nm；氧化锌层5上含有金属栅线，金属栅线的宽度是100μm，线间距是2.2mm。
实施例4
非硅衬底1是普通玻璃片；背电极2是Ag，厚度25nm；薄膜硅层3是n型掺杂非晶硅，掺杂浓度2×1019cm-3，厚度10nm；β-FeSi2层4是n型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3，厚度250nm；氧化锌层5是p型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3，厚度150nm；氧化锌层5上含有金属栅线，，金属栅线的宽度是100μm，线间距是2.2mm。
薄膜硅层3作为电池的背场，用于形成背区高低结，可明显提高光电转换效率。在AM1.5光照条件下，与没有薄膜硅层3作为电池背场的相同实验条件下制备的β-FeSi2薄膜电池相对比，转换效率有明显的增加，经检测，其中实施例1增加了3.10％，实施例2增加了2.68％，实施例3增加了2.05％，实施例4曾加了2.12％，目前薄膜硅太阳能电池的转换效率一般在10％左右，提高太阳能电池的转换效率是提高薄膜太阳能电池最主要的性能之一，本发明通过增设薄膜硅层3，采用背场结构，对提高了太阳能电池的转换效率具有重要的现实意义。氧化锌层的应用，起到减反射作用，提高了短路电流和光电转换效率。

Claims (5)

1.一种β-FeSi2薄膜太阳能电池，其特征在于：依次由非硅衬底(1)、背电极(2)、薄膜硅层(3)、β-FeSi2层(4)和氧化锌层(5)构成；非硅衬底(1)是陶瓷薄片或金属薄片；薄膜硅层(3)厚度为8nm～12nm，是n型或p型掺杂非晶硅，掺杂浓度1×1019cm-3～2×1019cm-3；所述背电极(2)是可导电的材料；β-FeSi2层(4)厚度为200nm～250nm，为p型掺杂或n型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3～2×1017cm-3；氧化锌层(5)厚度为100nm～150nm；为n型掺杂，掺杂浓度1×1019cm-3～2×1019cm-3，或者氧化锌层p型掺杂，掺杂浓度1×1017cm-3～2×1017cm-3。
2.根据权利要求1所述的β-FeSi2薄膜太阳能电池，其特征在于：所述所述薄膜硅层(3)是非晶硅、纳米硅或微晶硅。
3.根据权利要求1或2所述的β-FeSi2薄膜太阳能电池，其特征在于：薄膜硅层(3)、β-FeSi2层(4)和氧化锌层(5)是p型掺杂薄膜硅层(3)、p型掺杂β-FeSi2层(4)和n型掺杂氧化锌层(5)的组合。
4.根据权利要求1或2所述的β-FeSi2薄膜太阳能电池，其特征在于：薄膜硅层(3)、β-FeSi2层(4)和氧化锌层(5)是型掺杂薄膜硅层(3)、n型掺杂β-FeSi2层(4)和p型掺杂氧化锌层(5)的组合。
5.根据权利要求3所述的β-FeSi2薄膜太阳能电池，其特征在于：所述氧化锌层(5)含有金属栅线。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114520269A (zh) * 2022-02-17 2022-05-20 河南工程学院 一种波长可调的宽光谱光电器件

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