CN101611501A - 光电池用二硅化铁的加工方法和材料 - Google Patents

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Abstract

一种光电池装置用半导体材料制作方法，所述方法包括提供β相放射大约为90％或更多的二硅化铁样品。所述二硅化铁样品具有范围为大约1微米到大约10微米的第一粒径特征。所述方法包括将所述二硅化铁样品和粘结材料进行混合以形成材料混合物。所述方法包括提供具有表面区域的基板构件和对覆盖在所述基板表面区域上的材料混合物进行沉积。在一个具体的实施范例中，对所述材料混合物进行沉积后过程(如硬化过程)以形成材料层。所述材料层包括覆盖在所述基板构件上的二硅化铁样品。在一个具体的实施范例中，所述材料层具有与第一粒径大小相同的厚度特征。

Description

光电池用二硅化铁的加工方法和材料
相关申请的相互参考
本申请在美国申请了优先权，临时专利申请号为No.60/976,317，申请日为2007年9月28日，发明名称为“光电池用二硅化铁的加工方法和材料”；美国发明专利申请号为No.12/210,173，申请日为2008年9月12日。通常所指由霍华德W.H.LEE等人发明的“光电池用二硅化铁的加工方法和材料”并为所有目的所引用。
联邦政府资助研究或开发下发明权的声明  不适用
参考“序列表”，表格，或光盘提交的计算机程序列表附件  不适用
背景技术
本发明涉及太阳能电池材料，具体涉及一种太阳能发电装置用半导体材料的制作方法和结构。已通过商业化的二硅化铁实现了该方法和结构，这仅是一个例子，但本发明可能还有其它配置。
从开始以来，人类就一直面临着找到利用能源方法的挑战。能源可分为石化能源、水能、原子能、风能、生物能、太阳能，以及包括木材，煤等占多数的原始型能源。上个世纪，现代文明已依赖于作为重要能源的石化能源。石化能源包括天然气和石油。天然气包括丁烷和丙烷等较轻形式的气体，通常用于家庭取暖和烹饪的燃料。石油包括汽油、柴油、喷气燃料等，通常用于运输。较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，基于地球上可用总量，石化能源有限且本质上不能再生，另外，由于汽车和使用石化产品的增加，石化能源正成为相当稀缺的资源，随着时间的流逝其最终将耗尽。
最近，已迫切需要清洁且能再生的能源。水力发电就是清洁能源的一个例子，通过修建大型水坝，阻挡水的流动，通过水力驱动发电机发电，如内华达州的胡佛水坝，其所发的电供加利福尼亚州洛杉矶市的大部分地区使用。清洁且能再生的能源也包括风能、生物能，等等。也就是说，风车将风能转换为其它更有用的能源形式，如电。其它形式的清洁能源包括太阳能。该发明背景以及下面更具体的叙述揭示了太阳能详细情况。
太阳能通常将来自太阳的电磁辐射转换为能源的其它有用形式，包括热能和电力。通常通过太阳能电池来应用太阳能。虽然太阳能清洁且在一定程度获得了成功，其在全世界广泛应用之前仍存在许多缺陷。例如，一种太阳能电池采用结晶材料，该结晶材料由半导体锭构成，这些结晶材料包括将电磁辐射转换为电流的光电二极体装置。结晶材料生产成本高，很难大量生产。另外，采用结晶材料制成的装置能源转换效率低。其它类型的太阳能电池采用薄膜技术，形成薄膜的感光材料，将电磁辐射转换为电流。在利用薄膜技术制作太阳能电池时也存在类似的缺陷，也就是说，效率通常也低。另外，膜的可靠性差，在常规应用环境中使用期限短。通常通过机械设备很难将薄膜与其它材料集成为一体。本专利说明书以及下面更具体的叙述揭示了这些常规技术的缺陷。
综上所述可以看出，迫切需要生产太阳能电池材料的改进技术及合成装置的技术。
发明概述
根据本发明所述实施范例，本发明具体涉及一种光电池装置用半导体材料制作方法和结构。更具体地说，根据本发明所述实施范例提供一种基本包括β相二硅化铁的二硅化铁材料。所述二硅化铁材料已用作光电池装置的薄膜材料，这仅是一个例子，但所述实施范例的更广泛应用范围将获得认可。
在一个具体的实施范例中，提供一种光电池装置用半导体材料的制作方法。所述方法包括提供二硅化铁样品。在一个具体的实施范例中，所述二硅化铁样品大致包括90％或更多的β相实体且具有第一粒径特征。所述方法包括将所述二硅化铁样品和粘结材料进行混合以形成材料混合物。所述方法也包括提供具有表面区域的基板构件。所述方法包括对覆盖在所述基板表面区域上的材料混合物进行沉积，利用沉积后过程(如硬化过程)形成覆盖在所述基板构件上的材料层。在一个具体的实施范例中，可设计含所述二硅化铁样品的材料层。所述材料层优选具有与第一粒径大小相同的厚度特征。
根据所述实施范例，可实现一种或多种优点。所述方法采用无毒环保清洁材料。另外，所述方法提供一种与传统工艺技术相兼容且基本无需改变传统设备和工艺的技术。根据所述材料混合物的成分及形态，可设计所述混合物的各种材料属性，如电阻率、载流密度、载体迁移率及吸收系数。根据所述实施范例，可实现一种或多种优点，也可设计一种或多种材料属性。本说明书将对这些材料属性和其它优点进行更加详细地描述，具体见下文。
根据这些详细的描述和参考附图可更充分地理解本发明的各种其它目的、特征及优点。
附图说明
根据本发明实施范例，图1为光电池装置用半导体材料样品制作方法的流程图。
图2-3为光电池装置所采用的传统材料简图。
根据本发明实施范例，图4-6为光电池装置用半导体材料制作方法的示意图。
根据本发明实施范例，图7为光电池装置用半导体材料制作方法的示意图。
根据本发明实施范例，图8为光电池装置用半导体材料另一制作方法的示意图。
根据本发明实施范例，图9为光电池装置用半导体材料另一制作方法的示意图。
根据本发明实施范例，图10为光电池装置用半导体材料另一制作方法的示意图。
根据本发明实施范例，图11为光电池装置用半导体材料另一制作方法的示意图。
根据本发明实施范例，图12为光电池装置用半导体材料样品简图。
发明详述
根据本发明所述实施范例，提供一种光电池装置的制作方法和材料。更具体地说，根据本发明所述实施范例提供一种基本包括β相二硅化铁的二硅化铁材料。所述二硅化铁材料已用作制作光电池装置的材料，这仅是一个例子，但根据本发明所述实施范例的更广泛的适用范围将获得认可。
根据本发明所述实施范例，图1为β相二硅化铁样品的制作方法流程图100。所述方法概括如下：
1.第102步：开始；
2.第104步：提供β二硅化铁含量较高的二硅化铁样品(大于90％或更高)；
3.第106步：将二硅化铁样品与粘结材料混合，以形成材料混合物；
4.第108步：提供具有表面区域的基板构件；
5.第110步：在所述表面区域涂抹第一材料混合物；
6.第112步：硬化；
7.第114步：形成含覆盖在所述表面区域上的二硅化铁样品的材料层；
8.第116步：进行其它步骤；
9.第118步：结束。
以上各步骤概括了根据本发明所述实施例，制作二硅化铁薄膜的方法，所述二硅化铁覆盖在所述基板上且基本含β相二硅化铁。如图所示，所述方法采用了综合步骤，以制作包括粘结材料的薄膜材料和β相二硅化铁。已采用该方法制作光电池装置，这仅是一个例子，本发明更广泛的应用范围将获得认可。
图2为第一传统光电池材料(200)的结构简图。如图所示，所述第一传统样品的层体(208)含多个粒子(202)。所述光电池材料可由金属氧化物、金属硫化物、金属矽化物及其它材料制成。每个粒子具有粒径(206)的特征。如图所示，每个粒子具有由相邻粒子形成的晶界区域(204)。所述晶界区域为电子和腔穴提供重组场所且可影响光电池装置的性能。
图3为第二传统光电池材料(300)的结构简图。所述第二传统光电池材料可提供在粘结材料(312)内。所述光电池材料的第二传统样品具有厚度(302)。所述光电池材料也可由金属氧化物、金属硫化物、金属矽化物及其它材料制成。所述第二传统光电池材料包括多个粒子，每个粒子具有粒径的特征。例如，粒子(304)具有粒径P1，粒子(306)具有粒径P2，粒子(308)具有粒径P3，粒子(310)具有粒径P4。如图所示，每个粒子的粒径小于所述薄膜的厚度。如图所示，粒子(304)和(306)遮蔽粒子(308)。粒子(306)遮蔽粒子(310)。遮蔽结果是影响粒子(303)和(306)对电磁辐射的吸收，也影响光电池装置的效率。
参考图4-6，根据本发明所述的实施范例，提供一种光电池薄膜材料的制作方法。如图所示，提供光电池材料样品。在一个具体的实施范例中，所述光电池材料样品包括二硅化铁含量大约为90％或更高的二硅化铁样品(402)。在一个具体的实施范例中，所述二硅化铁样品的特征在于粒径小于10微米。在一个优选实施范例中，所述二硅化铁样品的特征在于粒径的范围为大约1到10微米。如图所示，所述方法包括将所述二硅化铁样品与粘结材料(406)混合以形成材料混合物(408)。根据应用情况或实施范例，所述粘结材料包括各种材料且具有所需属性，如透光性或吸光性、电阻可导电性、或其它属性，以及这些属性的变化属性。例如，根据所述实施范例，所述粘结材料可包括有机高分子材料或无机高分子材料、半导体材料、绝缘材料、非结晶材料、如旋涂式玻璃(SOG)的玻璃材料，或这些材料的一种混合物。在一个具体的实施范例中，所述粘结材料包括美国霍尼韦尔公司生产的SOG 512B、P-5S或SOG 2027，也可以是其它的材料。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
参考图5，所述方法包括提供具有表面区域(504)的基板(502)。所述基板可为透明基板，如玻璃、石英、熔融石英、高分子材料、半导体材料、绝缘材料等。所述基板可为半导体基板，如硅、硅锗材料、锗、绝缘体上硅等。根据应用情况，其它基板可包括金属基板，其可由不锈钢、镍、铝、或其它适合材料制成。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
如图6所示，在所述基板表面区域的中心区(604)沉积大量包括所述二硅化铁样品的材料混合物(602)。在一个具体的实施范例中，利用现有技术的旋转涂覆工艺(606)将所述材料混合物均匀分布在所述表面区域。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
根据本发明所述另一个实施范例，图7为覆盖在基板构件(704)表面区域(702)的光电池薄膜材料制作方法700的示意图。所述基板构件可为透明基板，如玻璃、石英、熔融石英、高分子材料、半导体材料、绝缘材料等。所述基板可为半导体基板，如硅、硅锗材料、锗、绝缘体上硅等。根据应用情况，其它基板可包括金属基板，其可由不锈钢、镍、铝、或其它适合材料制成。如图所示，利用喷涂法(706)将含所述二硅化铁的材料混合物覆盖在所述表面区域上。如图所示，在将所述材料混合物喷涂在所述表面区域时，允许将所述基板构件(708)转移。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
参考图8，根据本发明所述的另一个实施范例，该图为光电池薄膜材料制作方法(800)的示意图。如图所示，提供包括表面区域(804)的基板构件(802)。在一个具体的实施范例中，如图所示，利用刮片工艺(806)将含β相二硅化铁的材料混合物分布在所述基板构件的表面区域。覆盖所述基板构件的表面区域以形成含所述二硅化铁样品的材料层(808)。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
根据本发明所述的另一个实施范例，图9为覆盖在基板构件(902)表面区域(904)的光电池材料的另一制作方法900的示意图。所述基板构件可为透明基板，如玻璃、石英、熔融石英、高分子材料、半导体材料、绝缘材料等。所述基板也可为半导体基板，如硅、硅锗材料、锗、绝缘体上硅等。根据应用情况，其它基板可包括金属基板，其可由不锈钢、镍、铝、或其它适合材料制成。如图所示，利用喷墨工艺(906)覆盖所述表面区域以形成含所述二硅化铁样品的材料混合物。如图所示，在将所述材料混合物喷涂在所述表面区域时，允许将所述基板构件(908)转移。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
参考图10，该图为覆盖在基板构件(1002)上的光电池材料制作方法示意图。如图所示，提供含β相二硅化铁和粘结材料的材料混合物(1004)。所述方法包括在所述材料混合物中对具有表面区域的基板构件进行浸涂1006，以将所述材料混合物涂抹在所述表面区域上。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
在一个具体的实施范例中，对沉积在所述基板构件上的材料混合物进行沉积后过程，以完成成膜过程。在一个具体实施范例中，如图11所示，该沉积后过程包括硬化过程(1102)，以形成覆盖在所述基板构件上的材料层(1104)。根据所述实施范例，该硬化过程可包括加热过程、光分解过程(如紫外线硬化过程)、化学过程、或这些过程的一种组合。在一个具体实施范例中，加热过程的温度为大约100到450摄氏度。
根据本发明所述的实施范例，图12为材料层(1200)的详图。如图所示，所述材料层包括在粘结材料(1204)内的多个β相二硅化铁粒子(1202)，如SOG。每个所述β相二硅化铁粒子具有粒径(1208)的特征。例如，如图12所示的D1-D2-D3，其大小大约为1到10微米且基本一致。在一个具体实施范例中，所述材料层具有与每个所述β相二硅化铁粒子粒径大小相同的厚度(1206)。如图所示，每个所述β相二硅化铁粒子都暴露在电磁辐射1210中，相互之间没有妨碍和遮蔽，从而提高了光电池装置的效率。当然也可能有其它变化、修改及选择方式。
基本上已对利用β相二硅化铁作为光电池材料的本发明进行了阐述。也可用其它适合材料，如硫化锌、氧化锌，或其它材料。本文描述的实例及实施例仅为说明目的，精通该技术的人员可进行各种细小的修改或变化，其将包含在申请范围与附加要求范围内。

Claims (17)

1.一种光电池装置用半导体材料制作方法，所述方法包括：
提供β相实体含量大约为90％或更高的二硅化铁样品，所述二硅化铁样品具有第一粒径特征；
将所述二硅化铁样品与粘结材料混合，以形成材料混合物；
提供具有表面区域的基板构件；
对覆盖在所述基板表面区域的材料混合物进行沉积；以及
利用沉积后过程(如硬化过程)形成覆盖在所述基板构件上的材料层，所述材料层包括二硅化铁样品并具有与第一粒径大小相同的厚度特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述二硅化铁样品包括大于大约95％的β相二硅化铁。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一粒径范围为1到10微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一粒径范围为1到5微米。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一粒径范围为1到2微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其中利用旋涂工艺、喷涂工艺、喷墨工艺、刮片工艺形成所述材料层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述材料混合物中浸涂所述基板以形成所述材料层。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘结材料对于电磁辐射为透明材料。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述粘结材料选自有机高分子材料或无机高分子材料、旋涂式玻璃(SOG)。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述沉积后过程包括加热过程、紫外线硬化过程、化学过程，或这些过程的一种组合。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述加热过程的温度为大约100到450摄氏度，时间为5到240分钟。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述材料层具有与第一粒径大小相同的厚度。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板构件可为透明基板，如玻璃、石英、熔融石英、聚合物、半导体材料、绝缘材料等。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板构件可为半导体基板，如硅、多晶硅、硅锗材料、锗、绝缘体上硅等。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板构件可为多层复合材料。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板构件可为金属。
17.一种光电池装置用半导体材料制作方法，所述方法包括：
提供半导体材料样品，所述半导体材料样品具有第一粒径特征；
将所述半导体材料样品与粘结材料混合，以形成材料混合物；
提供具有表面区域的基板构件；
沉积覆盖在所述基板表面区域的材料混合物；以及
利用沉积后过程(如硬化过程)形成覆盖在所述基板构件上的材料层，所述材料层包括半导体材料样品并具有与第一粒径大小相同的厚度特征。
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