光電池用二矽化鐵的加工方法和材料的製作方法

2023-07-03 15:07:01 2

專利名稱：光電池用二矽化鐵的加工方法和材料的製作方法
光電池用二>^化鐵的加工方法和材料 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.60/976,317，申請 日為2007年9月28日，發明名稱為"光電池用二矽化鐵的加工方法和材料"； 美國發明專利申請號為No.l2/210， 173，申請日為2008年9月12日。通 常所指由霍華德W.H. LEE等人良明的"光電池用二矽化鐵的加工方法和材 料"並為所有目的所引用。
聯邦i^資助研究或開發下發明權的聲明 不適用 參考"序列表"，表格，或光碟提交的計算^L^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它配置。
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， 由於汽車和使用石化產品的增加，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私^。
最近，已迫切需要清潔且能再生的能源。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，通過水力驅動發電機發電， 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。也就是說，風 車將風能轉換為其它更有用的能源形式，如電。其它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它有用形式，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4MS"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二極體裝置。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。其它類型 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限短。通常 通過機械設備很難將薄膜與其它材料集成為一體。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。
綜上所述可以看出，迫切需要生產太陽能電池材料的改進技術及合成 裝置的技術。
發明概述
根據本發明所述實施範例，本發明具體涉及一種光電池裝置用半導體 材料製作方法和結構。更具體地說，根據本發明所述實施範例提供一種基 本包括P相二珪化鐵的二珪化鐵材料。所述二珪化鐵材料已用作光電池裝 置的薄膜材料，這僅是一個例子，但所述實施範例的更廣泛應用範圍將獲 得認可。
在一個具體的實施範例中，提供一種光電池裝置用半導體材料的製作 方法。所述方法包括提供二矽化鐵樣品。在一個具體的實施範例中，所述 二矽化鐵樣品大致包括90。/。或更多的P相實體且具有笫一粒徑特徵。所述 方法包括將所述二矽化鐵樣品和粘結材料進行混合以形成材料混合物。所 述方法也包括提供具有表面區域的^L構件。所述方法包括對覆蓋在所述 ^L表面區域上的材料混合物進行沉積，利用沉積後過程(如硬化過程) 形成覆蓋在所述^L構件上的材料層。在一個具體的實施範例中，可設計 含所述二矽化鐵樣品的材料層。所述材料層優選具有與第一粒徑大小相同 的厚度特徵。
才艮據所述實施範例，可實現一種或多種優點。所述方法採用無毒環保 清潔材料。另外，所述方法提供一種與傳統工藝技術相兼容且基本無需 改變傳統設備和工藝的技術。根據所述材料混合物的成分及形態，可設計所述混合物的各種材料屬性，如電阻率、載流密度、載體遷移率及吸收系
數。根據所述實施範例，可實現一種或多種優點，也可i殳計一種或多種材 料屬性。本說明書將對這些材料屬性和其它優點進行更加詳細地描述，具 體見下文。
根據這些詳細的描述和參考附圖可更充分地理解本發明的各種其它目 的、特徵及優點。


根據本發明實施範例，圖1為光電池裝置用半導體材料樣品製作方法 的流程圖。
圖2-3為光電池裝置所採用的傳統材料簡圖。
才艮據本發明實施範例，圖4-6為光電池裝置用半導體材料製作方法的 示意圖。
根據本發明實施範例，圖7為光電池裝置用半導體材料製作方法的示 意圖。
根據本發明實施範例，圖8為光電池裝置用半導體材料另一製作方法 的示意圖。
根據本發明實施範例，圖9為光電池裝置用半導體材料另一製作方法 的示意圖。
根據本發明實施範例，圖IO為光電池裝置用半導體材料另一製作方法 的示意圖。
^L據本發明實施範例，圖ll為光電池裝置用半導體材料另一製作方法 的示意圖。
根據本發明實施範例，圖12為光電池裝置用半導體材料樣品簡圖。 發明詳述
根據本發明所述實施範例，提供一種光電池裝置的製作方法和材料。更具體地說，根據本發明所述實施範例提供一種基本包括P相二矽化鐵的 二矽化鐵材料。所述二矽化鐵材料已用作製作光電池裝置的材料，這僅是 一個例子，樹艮據本發明所述實施範例的更廣泛的適用範圍將獲得認可。
根據本發明所述實施範例，圖1為P相二矽化鐵樣品的製作方法流程
圖100。所述方法概括如下
1. 第102步開始；
2. 第104步提供p 二矽化鐵含量較高的二珪化鐵樣品(大於90%或 更高);
3. 第106步將二矽化鐵樣品與粘結材料混合，以形成材料混合物；
4. 第108步提供具有表面區域的a構件；
5. 第110步在所a面區域塗抹第一材料混合物；
6. 第112步硬化；
7. 第U4步:形成含覆蓋在所述表面區域上的二矽化鐵樣品的材料層；
8. 第116步進行其它步驟；
9. 第118步結束。
以上各步驟概括了根據本發明所述實施例，製作二珪化鐵薄膜的方法， 所述二矽化鐵覆蓋在所iL&板上且基本含p相二矽化鐵。如圖所示，所述 方法採用了綜合步驟，以製作包括粘結材料的薄膜材料和p相二矽化鐵。 已採用該方法製作光電池裝置，這僅是一個例子，本發明更廣泛的應用範 圍將獲得認可。
圖2為第一傳統光電池材料(200)的結構簡圖。如圖所示，所述第一 傳統樣品的層體(208 )含多個粒子(202 )。所述光電池材料可由金屬氧化 物、金屬硫化物、金屬矽化物及其它材料製成。每個粒子具有粒徑(206) 的特徵.如圖所示，每個粒子具有由相鄰粒子形成的晶界區域(204)。所 述晶界區域為電子和腔穴提供重組場所且可影響光電池裝置的性能。
圖3為第二傳統光電池材料(300)的結構簡圖。所述第二傳統光電池 材料可提供在粘結材料(312)內。所述光電池材料的第二傳統樣品具有厚 度(302)。所述光電池材料也可由金屬氧化物、金屬硫化物、金屬矽化物 及其它材料製成。所述第二傳統光電池材料包括多個粒子，每個粒子具有粒徑的特徵。例如，粒子(304)具有粒徑P1，粒子(306)具有粒徑P2， 粒子(308)具有粒徑P3，粒子(310)具有粒徑P4。如圖所示，每個粒 子的粒徑小於所述薄膜的厚度。如圖所示，粒子(304)和(306)遮蔽粒 子(308)。粒子(306)遮蔽粒子(310)。遮蔽結果是影響粒子(303)和 (306)對電磁輻射的吸收，也影響光電池裝置的效率。
參考圖4-6，根據本發明所述的實施範例，提供一種光電池薄膜材料的 製作方法。如圖所示，提供光電池材料樣品。在一個具體的實施範例中， 所述光電池材料樣品包括二矽化鐵含量大約為卯％或更高的二矽化鐵樣 品(402)。在一個具體的實施範例中，所述二>^化鐵樣品的特徵在於粒徑 小於IO微米。在一個優選實施範例中，所述二珪化l5^樣品的特徵在於粒徑 的範圍為大約1到IO微米。如圖所示，所述方法包括將所述二珪化鐵樣品 與粘結材料(406)混合以形成材料混合物(408)。棉^據應用情況或實施範 例，所述粘結材料包括各種材料且具有所需屬性，如透光性或吸光性、電 阻可導電性、或其它屬性，以及這些屬性的變化屬性。例如，根據所述實 施範例，所述粘結材料可包括有機高分子材料或無機高分子材料、半導體 材料、絕緣材料、非結晶材料、如旋塗式玻璃(SOG)的玻璃材料，或這 些材料的一種混合物。在一個具體的實施範例中，所述粘結材料包括美國 霍尼韋爾公司生產的SOG 512B、 P-5S或SOG 2027，也可以是其它的材 料。當然也可能有其它變化、修改及選擇方式。
參考圖5，所述方法包括提供具有表面區域(504)的基板(502)。所 ^S^L可為透明基仗，如玻璃、石英、熔融石英、高分子材料、半導體材 料、絕緣材料等。所述基板可為半導體基板，如矽、矽鍺材料、鍺、絕緣 體上矽等。根據應用情況，其它基fel可包括金屬勤良，其可由不鏽鋼、鎳、 鋁、或其它適合材料製成。當然也可能有其它變化、修^tSJ4擇方式。
如圖6所示，在所述^SL表面區域的中心區(604)沉積大量包括所述 二矽化鐵樣品的材料混合物(602)。在一個具體的實施範例中，利用現有 技術的旋轉塗覆工藝(606)將所述材料混合物均勻分布在所述表面區域。 當然也可能有其它變化、修M選擇方式。
根據本發明所述另 一個實施範例，圖7為覆蓋在14SL構件(704)表面 區域(702)的光電池薄膜材料製作方法700的示意圖。所^i4l構件可為 透明基板，如玻璃、石英、熔融石英、高分子材料、半導體材料、絕緣材 料等。所M板可為半導體基板，如矽、矽鍺材料、鍺、絕緣體上矽等。根據應用情況，其它基敗可包括金屬基板，其可由不鏽鋼、鎳、鋁、或其
它適合材料製成。如圖所示，利用噴塗法(706)將含所述二矽化鐵的材料 混合物覆蓋在所述表面區域上。如圖所示，在將所述材料混合物噴塗在所 W面區域時，允許將所^^構件(708)轉移。當然也可能有其它變化、 修gUL選擇方式。
參考圖8，根據本發明所述的另一個實施範例，該圖為光電池薄膜材 料製作方法(800)的示意圖。如圖所示，提供包括表面區域(804)的基 板構件(802)。在一個具體的實施範例中，如圖所示，利用刮片工藝(806) 將含p相二矽化鐵的材料混合物分布在所^41構件的表面區域。覆蓋所 ^i4l構件的表面區域以形成含所述二矽化鐵樣品的材料層(808)。當然 也可能有其它變化、修^5L選擇方式。
根據本發明所述的另一個實施範例，圖9為覆蓋在M構件(902 )表 面區域(卯4)的光電池材料的另一製作方法900的示意圖。所i^S^L構件 可為透明基&，如玻璃、石英、熔融石英、高分子材料、半導體材料、絕 緣材料等。所i^l也可為半導體基板，如矽、矽鍺材料、鍺、絕緣體上 矽等。根據應用情況，其它基板可包括金屬基板，其可由不鏽鋼、鎳、鋁、 或其它適合材料製成。如圖所示，利用噴墨工藝(906)覆蓋所W面區域 以形成含所述二矽化鐵樣品的材料混合物。如圖所示，在將所述材料混合 物噴塗在所述表面區域時，允許將所述^構件(908)轉移。當然也可能 有其它變化、修M選擇方式。
參考圖10，該圖為覆蓋在^構件(1002)上的光電池材料製作方法 示意圖。如圖所示，提供含p相二矽化鐵和粘結材料的材料混合物(1004 )。 所述方法包括在所述材料混合物中對具有表面區域的基板構件進行浸塗 1006，以將所述材料混合物塗抹在所ii^面區域上。當然也可能有其它變 化、修^5L選擇方式。
在一個具體的實施範例中，對沉積在所ii^L構件上的材料混合物進 行沉積後過程，以完成成膜過程。在一個具體實施範例中，如圖11所示， 該沉積後過程包括硬化過程(1102 ),以形成覆蓋在所i^J4l構件上的材料 層(1104)。根據所述實施範例，該硬化過程可包括加熱過程、光分解過程 (如紫外線硬化過程)、化學過程、或這些過程的一種組合。在一個具體 實施範例中，加熱過程的溫度為大約100到450攝氏度。根據本發明所述的實施範例，圖12為材料層(1200)的詳圖。如圖所 示，所述材料層包括在粘結材州1204 )內的多個p相二矽化鐵粒子(1202 )， 如SOG。每個所述p相二珪化鐵粒子具有粒徑(1208)的特徵。例如，如 圖12所示的Dl-D2-D3，其大小大約為1到10微米且14^一致。在一個 具體實施範例中，所述材料層具有與每個所述p相二矽化鐵粒子粒徑大小 相同的厚度(1206)。如圖所示，每個所述p相二矽化鐵粒子都暴露在電 磁輻射1210中，相互之間沒有妨礙和遮蔽，從而提高了光電池裝置的效率。 當然也可能有其它變化、修改及選擇方式。
基本上已對利用p相二矽化鐵作為光電池材料的本發明進行了闡述。 也可用其它適合材料，如硫化鋅、氧化鋅，或其它材料。本文描述的實例 及實施例僅為說明目的，精通該技術的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。
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權利要求
1.一種光電池裝置用半導體材料製作方法，所述方法包括提供β相實體含量大約為90％或更高的二矽化鐵樣品，所述二矽化鐵樣品具有第一粒徑特徵；將所述二矽化鐵樣品與粘結材料混合，以形成材料混合物；提供具有表面區域的基板構件；對覆蓋在所述基板表面區域的材料混合物進行沉積；以及利用沉積後過程(如硬化過程)形成覆蓋在所述基板構件上的材料層，所述材料層包括二矽化鐵樣品並具有與第一粒徑大小相同的厚度特徵。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中所述二珪化鐵樣品包括大於大約95% 的p相二矽化鐵。
3. 根據權利要求l所述的方法，其中所述第一粒徑範圍為l到IO微米。
4. 根據權利要求l所述的方法，其中所述第一粒徑範圍為1到5微米。
5. 根據權利要求l所述的方法，其中所述第一粒徑範圍為1到2微米。
6. 根據權利要求l所述的方法，其中利用旋塗工藝、噴塗工藝、噴墨工藝、 刮片工藝形成所述材料層。
7. 根據權利要求l所述的方法，其中在所述材料混合物中浸塗所#&以 形成所述材料層。
8. 根據權利要求l所述的方法，其中所述粘結材料對於電磁輻射為透明材 料。
9. 根據權利要求l所述的方法，其中所述粘結材料選自有機高分子材料或 無機高分子材料、旋塗式玻璃(SOG)。
10. 根據權利要求l所述的方法，其中所述沉積後過程包括加熱過程、紫 外線硬化過程、化學過程，或這些過程的一種組合。
11. 根據權利要求10所述的方法，其中所述加熱過程的溫度為大約100 到450攝氏度，時間為5到240分鐘。
12. 根據權利要求1所述的方法，其中所述材料層具有與第一粒徑大小相 同的厚度。
13. 根據權利要求l所述的方法，其中所^S^構件可為透明基板，如玻璃、石英、熔融石英、聚合物、半導體材料、絕緣材料等。
14. 根據權利要求1所述的方法，其中所ili^構件可為半導體基仗，如 矽、多晶矽、矽鍺材料、鍺、絕緣體上矽等。
15. 根據權利要求l所述的方法，其中所it!4l構件可為多層複合材料.
16. 根據權利要求1所述的方法，其中所i^J4l構件可為金屬。
17. —種光電池裝置用半導體材料製作方法，所述方法包括 提供半導體材料樣品，所述半導體材料樣品具有第一粒徑特徵；將所述半導體材料樣品與粘結材料混合，以形成材料混合物；提供具有表面區域的^構件；沉積覆蓋在所^Jjtl表面區域的材料混合物；以及利用沉積後過程(如硬化過程)形成覆蓋在所i^J^構件上的材料層， 所述材料層包括半導體材料樣品並具有與第 一粒徑大小相同的厚度特徵。
全文摘要
一種光電池裝置用半導體材料製作方法，所述方法包括提供β相放射大約為90％或更多的二矽化鐵樣品。所述二矽化鐵樣品具有範圍為大約1微米到大約10微米的第一粒徑特徵。所述方法包括將所述二矽化鐵樣品和粘結材料進行混合以形成材料混合物。所述方法包括提供具有表面區域的基板構件和對覆蓋在所述基板表面區域上的材料混合物進行沉積。在一個具體的實施範例中，對所述材料混合物進行沉積後過程(如硬化過程)以形成材料層。所述材料層包括覆蓋在所述基板構件上的二矽化鐵樣品。在一個具體的實施範例中，所述材料層具有與第一粒徑大小相同的厚度特徵。
文檔編號H01L33/00GK101611501SQ200880001613
公開日2009年12月23日 申請日期2008年9月26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, 黃金曼 申請人:Stion太陽能電池有限公司