《超薄Si/FeSi2/Si太陽電池的界面、缺陷與光伏轉換效率的關聯》是依託鄭州大學，由邵國勝擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超薄Si/FeSi2/Si太陽電池的界面、缺陷與光伏轉換效率的關聯
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：邵國勝
- 依託單位：鄭州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對現有晶矽太陽電池價格昂貴及新型替代材料體系資源匱乏且污染環境的關鍵問題，本項目旨在將具有優良近紅外波段光吸收係數及電學性能的近本徵FeSi2納米晶層植入晶矽薄膜間構成超薄p-i-n型寬-窄-寬能隙匹配的電池結構，實現對400-1500納米寬波段太陽光譜的高效吸收，從而使約0.5微米厚度的超薄電池達到300微米厚的晶矽電池的光伏轉換效率。為了充分發揮FeSi2化合物在薄膜電池中的光伏效果，本項目將著重研究FeSi2納米晶薄膜的生長機制、與晶矽襯底的外延關係、相關微缺陷的物理特徵及消除策略，探討點、面缺陷態對光吸收、光伏轉換和載流子輸運性能的影響。進而最佳化電池結構，最終製備出超薄高效（大於10%）的示範電池。本項目的實施，將為矽化物太陽電池的發展奠定堅實的理論與實驗基礎，為我國自主研發低成本、可持續、環境友好的薄膜電池開闢一條嶄新的途徑， 具有重要的經濟環保價值及社會效益。
結題摘要
β-FeSi2與Mg2Si均是窄帶隙半導體材料，其禁頻寬度範圍在（0.7~0.85）eV，在遠紅外光區吸收係數比晶體矽材料至少高兩個數量級，因此230 nm厚薄膜就可實現對太陽光近紅外波段的充分吸收。β-FeSi2與Mg2Si通過熱處理還可以實現其半導體pn特性轉變，因此能滿足太陽能電池材料電學性能的基本要求。再加上其原料充足、環境友好、穩定耐用，而被稱為環保型半導體，也是繼Si和GaAs之後的第三代半導體。 項目執行期間, 進行了有關基於β-FeSi2和Mg2Si的太陽能電池理論模擬，經過最佳化電池結構，得到β-FeSi2電池和Mg2Si電池的最高理論光電轉化效率分別為24.7%和22.25%，因此這兩種金屬矽化物在太陽能電池領域具有廣泛的套用前景。因此我們在實驗部分對這兩種矽化物進行採用遠源電漿濺射製備和表征Fe-Si組合靶的方法，通過快速熱退火，在Si(111)襯底上製備了低缺陷、高質量的單相β-FeSi2與Mg2Si晶體薄膜，：（1）在組合靶中，通過最佳化沉積參數以及高溫快速退火後，均可形成單相多晶表面均勻的高質量β-FeSi2薄膜，同時具有良好的耐磨性和穩定性。此時β-FeSi2薄膜載流子濃度為4.05×1017 cm-3、遷移率為21.01 cm/(V∙s)的n型半導體，其禁頻寬度為0.85 eV；（2）經過最佳化Mg2Si薄膜沉積參數，在500ºC熱處理之後薄膜電阻率顯著降低從509~16Ω•cm，且帶隙最接近計算值0.74eV，同時霍爾遷移率高達17.2cm2/（V•s）； （3）項目期間，獲得最優性能鈣鈦礦電池的光電轉換效率達到10.88%，開路電壓0.88 V，短路電流密度23.71 mA/cm2，填充因子52.7%。 綜上所述，本文採用HiTUS成功製備出非晶和納米晶β-FeSi2與Mg2Si薄膜，且薄膜樣品表面連續、成膜均勻、力學性能及光電性能優越，屬於理想的薄膜太陽電池材料，本項目的研究為其在光伏領域的套用打下基礎。
