超薄Si/FeSi2/Si太阳电池的界面、缺陷与光伏转换效率的关联

针对现有晶硅太阳电池价格昂贵及新型替代材料体系资源匮乏且污染环境的关键问题，本项目旨在将具有优良近红外波段光吸收系数及电学性能的近本征FeSi2纳米晶层植入晶硅薄膜间构成超薄p-i-n型"宽-窄-宽"能隙匹配的电池结构，实现对400-1500纳米宽波段太阳光谱的高效吸收，从而使约0.5微米厚度的超薄电池达到300微米厚的晶硅电池的光伏转换效率。为了充分发挥FeSi2化合物在薄膜电池中的光伏效果，本项目将着重研究FeSi2纳米晶薄膜的生长机制、与晶硅衬底的外延关系、相关微缺陷的物理特征及消除策略，探讨点、面缺陷态对光吸收、光伏转换和载流子输运性能的影响。进而优化电池结构，最终制备出超薄高效（大于10%）的示范电池。本项目的实施，将为硅化物太阳电池的发展奠定坚实的理论与实验基础，为我国自主研发低成本、可持续、环境友好的薄膜电池开辟一条崭新的途径， 具有重要的经济环保价值及社会效益。

β-FeSi2与Mg2Si均是窄带隙半导体材料，其禁带宽度范围在（0.7~0.85）eV，在远红外光区吸收系数比晶体硅材料至少高两个数量级，因此230 nm厚薄膜就可实现对太阳光近红外波段的充分吸收。β-FeSi2与Mg2Si通过热处理还可以实现其半导体pn特性转变，因此能满足太阳能电池材料电学性能的基本要求。再加上其原料充足、环境友好、稳定耐用，而被称为环保型半导体，也是继Si和GaAs之后的第三代半导体。. 项目执行期间, 进行了有关基于β-FeSi2和Mg2Si的太阳能电池理论模拟，经过优化电池结构，得到β-FeSi2电池和Mg2Si电池的最高理论光电转化效率分别为24.7%和22.25%，因此这两种金属硅化物在太阳能电池领域具有广泛的应用前景。因此我们在实验部分对这两种硅化物进行采用远源等离子体溅射制备和表征Fe-Si组合靶的方法，通过快速热退火，在Si(111)衬底上制备了低缺陷、高质量的单相β-FeSi2与Mg2Si晶体薄膜，：（1）在组合靶中，通过优化沉积参数以及高温快速退火后，均可形成单相多晶表面均匀的高质量β-FeSi2薄膜，同时具有良好的耐磨性和稳定性。此时β-FeSi2薄膜载流子浓度为4.05×1017 cm-3、迁移率为21.01 cm²/(V∙s)的n型半导体，其禁带宽度为0.85 eV；（2）经过优化Mg2Si薄膜沉积参数，在500ºC热处理之后薄膜电阻率显著降低从509~16Ω•cm，且带隙最接近计算值0.74eV，同时霍尔迁移率高达17.2cm2/（V•s）； （3）项目期间，获得最优性能钙钛矿电池的光电转换效率达到10.88%，开路电压0.88 V，短路电流密度23.71 mA/cm2，填充因子52.7%。.综上所述，本文采用HiTUS成功制备出非晶和纳米晶β-FeSi2与Mg2Si薄膜，且薄膜样品表面连续、成膜均匀、力学性能及光电性能优越，属于理想的薄膜太阳电池材料，本项目的研究为其在光伏领域的应用打下基础。