光電池用二矽化鐵的提純方法與材料的製作方法

2023-05-07 15:24:01

專利名稱：光電池用二矽化鐵的提純方法與材料的製作方法
光電池用二矽化鐵的提純方法與材料
相關申請的相互參考
本申請在美國申請了優先權，臨時專利申請號為No.60/976，239，申請 曰為2007年9月28日；本申請通常所指弗雷德裡維克.梅庫萊克多等AiL 明的"光電池用二矽化鐵的提純方法與材料"並為所有目的所引用。
聯邦#資助研究或開發下發明權的聲明 不適用
參考"序列表"，表格，或絲提交的計算^^序列表附件不適用
背景技術：
本發明涉及太陽能電池材料，具體涉及一種太陽能發電裝置用半導體 材料的製作方法和結構。已通過商業化的二矽化鐵實現了該方法和結構， 這僅是一個例子，但本發明可能還有其他配置。
從開始以來，人類就一直面臨著找到利用能源方法的挑戰。能源可分
為石化能源、水能、原子能、風能、生物能、太陽能，以及包括木材，煤
等佔多數的原始型能源。上個世紀，現代文明已依賴於作為重要能源的石
化能源。石化能源包括天然氣和石油。天然氣包括丁烷和丙烷等較輕形式
的氣體，通常用於家庭取暖和烹飪的燃料。石油包括汽油、柴油、噴氣燃
料等，通常用於運輸。較重形式的石化能源在一些地方也可用作家庭取暖。
不幸的是，基於地球上可用總量，石化能源有限且本質上不能再生，另夕卜， 由於汽車和4吏用石化產品的增加，石化能源正成為相當稀缺的資源，隨著
時間的流逝其最終將#。
最近，已迫切需要清潔能源。水力發電就是清潔能源的一個例子，通 過修建大型水壩，阻擋水的流動，通過水力驅動發電積i發電，如內華達州 的胡佛水壩，其所發的電供加利福尼亞州洛杉磯市的大部分地區使用。清
潔且能再生的能源也包括風能、生物能，等等。即，風力機將風能轉化為 更有用的形式的能量如電能。其他形式的清潔能源包括太陽能。該發明背 景以及下面更具體的敘述揭示了太陽能詳細情況。
太陽能通常將來自太陽的電磁輻射轉換為能源的其他有用形式，包括 熱能和電力。通常通過太陽能電池來應用太陽能。雖然太陽能清潔且在一 定程度獲得了成功，其在全世界廣泛應用之前仍存在許多缺陷。例如，一種太陽能電池採用結晶材料，該結晶材料由半導體錠構成，這些結晶材料 包括將電磁輻射轉換為電流的光電4體裝置。結晶材料生產成本高，很 難大量生產。另外，採用結晶材料製成的裝置能源轉換效率低。其他類型 的太陽能電池採用薄膜技術，形成薄膜的感光材料，將電磁輻射轉換為電 流。在利用薄膜技術製作太陽能電池時也存在類似的缺陷，也就是說，效 率通常也低。另外，膜的可靠性差，在常規應用環境中使用期P艮短。通常
通過;Wfe設備很難將薄膜與其他材料集成為 一體。本專利說明書以及下面 更具體的敘述揭示了這些常規技術的缺陷。本發明實施範例涉及一種光電池用半導體材料的製作方法與系統，具 體涉及一種光電池裝置用半導體材料的製作方法與結構。已利用所述方法 來提供光電池用P二矽化鐵，這僅是一個例子，但本發明更廣泛的應用範 圍也將獲得認可。
08在一個具體實施範例中，所述方法包括提供二矽化鐵第一樣品。所述 二珪化鐵第一樣品至少包括a相二珪化鐵、p相二珪化鐵與￡相矽化鐵並 具有第一粒徑特徵。所述方法包括在惰性環境中保持二矽化鐵第一樣品並 在惰性環境中對二矽化鐵第 一樣品進行加熱，以形成二矽化鐵第二樣品。 所述二矽化鐵第二樣品基本包括p相二矽化鐵(大於大約卯％ )。所述二 珪化鐵第二樣品具有第二粒徑特徵。所述方法包括形成含有二矽化鐵第二 樣品與有機溶劑的材料的第一混合物。在一個具體實施範例中，所述的材 料的第 一混合物包括經過研磨加工的二珪化鐵第二樣品。所述方法包括除 去有機溶劑，得到基本包括p二矽化鐵的二矽化鐵第三樣品。所述二珪化 鐵第三樣品具有第三粒徑特徵。在一個具體實施範例中，所述方法包括提供二矽化鐵第一樣品。所述 二矽化鐵第一樣品至少包括一a相實體、一p相實體以及一s相實體，所 述a相實體的範圍大約為全相實體的5%到20%,所述p相實體範圍大約 為全相實體的30%到75%,所述￡相實體範圍大約為全相實體的5%到 20%。所述方法包括在氮，氦，氬等惰性環境中保持二矽化鐵第一樣品。
5所述方法包括在惰性環境中加熱二矽化鐵第 一樣品，以形成二矽化鐵第二 樣品。所述二矽化鐵第二樣品基本包括P相二矽化鐵並具有範圍為大約1
微米到大約20微米的第一粒徑特徵。所述方法包括在第二樣品中加入有機 溶劑形成二矽化鐵第二樣品與有機溶劑的材料的第一混合物。在一個具體 實施範例中，對含二矽化鐵第二樣品的材料的第一混合物進行研磨加工， 將具有第 一粒徑特徵的二矽化鐵第二樣品轉換為具有第二粒徑特徵的二矽 化鐵第三樣品。在一個具體實施範例中，所述第二粒徑範圍為大約l微米 到大約2微米。所述方法還包括從二矽化鐵第三樣品中除去有機溶劑，得 到具有第二粒徑特徵且p相實體大於大約卯％的二矽化鐵第三樣品。圖2-6為才艮據本發明所述實施範例，製作p相二珪化鐵的示意圖。
發明詳述

圖1為才艮據本發明所述實施範例，製作p相二矽化鐵樣品的流程圖 100。所述方法可概括如下
1. 第102步開始；
2. 第104步提供^>一 a相實體、 一 卩相實體以及一 ￡相實體的二矽 化鐵第一樣品；3. 第106步加熱二矽化鐵樣品；
4. 第108步將二矽化鐵第一樣品轉換為基本含p相實體(例如大於 大約卯％ )並具有第一粒徑(大約20目)特徵的二矽化鐵第二樣品；
5. 第110步混合二矽化鐵第二樣品與溶劑；
6. 第112步研磨；
7. 第114步乾燥；
8. 第116步獲得基本含p相二矽化鐵並具有第二粒徑(大約1微米 到2微米)特徵的二珪化鐵第三樣品；
9. 第118步結束。參考圖3，該圖為p相二矽化鐵樣品製作方法的示意筒圖。所述簡圖 僅為一個實例，並不過分限制本文所述的權利要求。技術人員應認可其他 變化、修^LA選擇方式。如圖所示，在腔室(302)內形成二珪化鐵第一樣 品(304)。在一個具體實施範例中，二矽化鐵第一樣品保持在所述腔室內 的惰性氣體環境中。採用氮、氬、氦等可形成惰性環境。如圖所示，二矽 化鐵第一樣品保持在惰性環境中時對二矽化鐵第一樣品進行加熱過程 (306)，以形成二矽化鐵第二樣品。在一個具體實施範例中，用大約700 攝氏度到大約800攝氏度的溫度加熱大約16小時到大約17小時。在另一 個實施範例中，用大約800攝氏度到大約850攝氏度的溫度加熱大約16小
7時到大約18小時。通過所述加熱過程，可將所述a相二珪化鐵以及所述￡ 相矽化鐵轉換為所述p相實體。所述二矽化鐵第二樣品基本包括p 二矽化 鐵。在一個具體實施範例中，所述二矽化鐵第二樣品包括大於大約卯％的 P 二矽化鐵。在一個具體實施範例中，所述二矽化鐵第二樣品具有範圍為 大約1微米到大約20微米的粒徑特徵。當然也可能有其他變化、修M選 擇方式。所述方法包括允許將二矽化鐵第二樣品大致冷卻到大約室溫。在一個 具體實施範例中，冷卻後的二矽化鐵第二樣品與適當有機溶劑混合，以形 成圖4所示的材料的第一混合物(402 )。該有機溶劑可包括烷類(如辛烷)， 或醇類(如異丙醇)有機溶劑等。在一個具體實施範例中，如圖5所示， 對所述的材料的第一混合物進行研磨加工過程，所述材料的第一混合物含 P相二珪化鐵大於卯。/。的二矽化鐵第二樣品。在一個首選實施範例中，採 用球磨技術方法進行研磨加工。也可採用其他研磨工藝。在一個具體實施 範例中，採用了多個球體(502)共同研磨的方法。根據應用情況，所述多 個球體可為金屬球或陶瓷球。在一個具體實施範例中，所述多個球體為二 氧化鋯製作的陶資球。在一個具體實施範例中，每個球體直徑大約為3毫 米。將含二矽化鐵第二樣品的材料的第一混合物與多個陶瓷球;^適當的 容器內。該類容器可包括Haan、 Restsch、德國生產的二氧化鋯塗層不鏽 鋼罐。在一個具體實施範例中，將所述裝有材料的第一混合物與多個二氧 化鋯球的容器裝入旋轉式行星球磨機內。所述旋轉式行星球磨機同樣由 Haan、 Restsch、德國生產。才艮據所述實施範例，研磨時間大約為15小時 到大約30小時。另外，根據溶劑與其他條件，可停止球磨以減小所述罐的 內部壓力，然後大約1小時後繼續i^ff研磨加工。當然，也可能有其他4務 改、變化以及選擇方式。另外，所述實施範例採用塗有二氧化鋯(產自 Restsch)的不鏽鋼罐作為混合容器。在所述罐內裝有重量大約為50克、 直徑為3亳米的二氧化鋯球，20克二矽化鐵第二樣品以及15克辛烷等適 當溶劑。將所述罐^v旋轉式行星球磨機(產自Restsch)後，於400到 600rpm的^研磨大約15到30小時。根據溶劑與其他條件，可停止球磨 以減小所述罐的內部壓力，然後大約1小時後繼續進^ff研磨加工。如圖6所示，通過乾燥過程(602)，除去材料的第一混合物內的有機 溶劑，得到二矽化鐵第三樣品(604)。所述乾燥過程可包括真空過程或加 熱過程，或從材料的第一混合物內蒸發有機溶劑的組合處理。在一個具體實施範例中，所述二矽化鐵第三樣品至少包括95。/。的p相二矽化鐵。所述 二矽化鐵第三樣品具有範圍為大約1微米到2微米，大小基本一致的粒徑 606的特徵。在一個具體實施範例中，所述二矽化鐵第三樣品具有範圍為 0.8 eV到0.9eV帶隙的所需半導體特徵。當然也可能有其他變化、修M 選擇方式。此處描述的實例及實施例僅為說明目的，技術人員可進行各種細小的 修改或變化，其將包含在申請範圍與附加要求範圍內。
權利要求
1.一種光電池裝置用二矽化鐵的製作方法，所述方法包括提供至少包括一α相實體、一β相實體與一ε相實體的二矽化鐵第一樣品，所述α相實體的範圍大約為全相實體的5％到20％，所述β相實體範圍大約為全相實體的30％到75％，以及ε相實體範圍大約為全相實體的5％到20％；在惰性環境中保持二矽化鐵第一樣品；保持在惰性環境中對所述二矽化鐵第一樣品進行加熱，以形成二矽化鐵第二樣品。所述二矽化鐵第二樣品基本包括β相二矽化鐵並具有範圍為大約1微米到大約20微米的第一粒徑特徵；在所述二矽化鐵第二樣品中加入有機溶劑，以形成含有二矽化鐵第二樣品與有機溶劑的材料的第一混合物；對含二矽化鐵第二樣品的材料的第一混合物進行研磨加工，將具有第一粒徑的二矽化鐵第二樣品轉換為具有第二粒徑的二矽化鐵第三樣品，所述第二粒徑範圍為大約1微米到大約2微米；從二矽化鐵第三樣品中除去有機溶劑；得到具有第二粒徑特徵且β相實體大於大約90％的二矽化鐵第三樣品。
2. 權利要求l所述的方法，其中第一二矽化鐵來自商業化二矽化鐵。
3. 權利要求l所述的方法，其中所述第一粒徑範圍為大約15目到大約25 目。
4. 權利要求l所述的方法，其中所述二矽化鐵第一樣品包括大於大約75% 的p相二矽化鐵。
5. 權利要求l所述的方法，其中所述惰性環境由氮、氬、氦等形成。
6. 權利要求1所述的方法，其中所述加熱過程是在大約800攝氏度到大約 850攝氏度下進行大約16小時到大約17小時。
7. 權利要求l所述的方法，其中所述加熱過程是在大約700攝氏度到大約 800攝氏度下進行大約16小時到大約18小時。
8. 權利要求l所述的方法，其中所述有機溶劑選自異丙醇(IPA)及辛烷 等有機溶劑。
9. 權利要求1所述的方法，其中所述二矽化鐵第二樣品包括大於約95% 的p相二矽化鐵。
10. 權利要求l所述的方法，其中所述第二粒徑為大約20目。
11. 權利要求l所述的方法，其中所述研磨加工為球磨加工。
12. 權利要求ll所述的方法，其中所述的球磨加工包括 採用直徑範圍為大約2.5毫米到大約3.5毫米的多個陶瓷球； 將材料混合物與多個陶瓷球混合;^t^研磨容器內；並採用旋轉式行星球磨;Mf磨所述材料混合物。
13. 權利要求l所述的方法，其中所述二矽化鐵第三樣品至少包括卯％的 (5相二珪化鐵。
14. 權利要求l所述的方法，其中所述第二粒徑小於等於2微米。
15. 權利要求l所述的方法，其中所述第二粒徑範圍為大約l微米到大約 2微米。
16. 權利要求1所述的方法，其中所述二矽化鐵第三樣品具有範圍為0.8 eV 到大約0.9 eV的帶隙特徵。
全文摘要
一種光電池裝置用二矽化鐵的製作方法。所述方法包括提供一至少包括一α相實體、一β相實體與一ε相實體的二矽化鐵第一樣品，所述方法包括在惰性環境中保持所述二矽化鐵第一樣品，以及加熱所述二矽化鐵第一樣品以形成二矽化鐵第二樣品。所述二矽化鐵第二樣品基本包括β相二矽化鐵且具有第一粒徑的特徵。所述方法包括在二矽化鐵第二樣品中加入有機溶劑，形成含有二矽化鐵第二樣品與有機溶劑的材料的第一混合物，並對含有二矽化鐵第二樣品的材料的第一混合物進行研磨加工。所述方法包括將具有第一粒徑的二矽化鐵第二樣品轉換為具有第二粒徑的二矽化鐵第三樣品。除去有機溶劑，得到以具有第二粒徑且β相實體含量為大約90％或更高為特徵的二矽化鐵第三樣品。
文檔編號H01L21/02GK101578693SQ200880001622
公開日2009年11月11日 申請日期2008年9月18日 優先權日2007年9月28日
發明者弗雷德裡·維克·梅庫萊克, 霍華德·W·H·李, 高賓生 申請人:Stion太陽能電池有限公司