CN100373635C - 柔性衬底薄膜太阳电池阻挡层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性衬底薄膜太阳电池阻挡层及其制备方法，它是金属镍层或金属钛层，阻挡层的厚度为30-50nm。柔性衬底薄膜太阳电池阻挡层可以防止背电极金属铝在制备电池的过程中扩散进入电池主体，在背电极与电池硅基薄膜之间制备一层阻挡层，不影响入射光的反射，增加其在电池吸收层中的光程的作用，还可以保证电池性能，显著提高柔性衬底倒结构薄膜太阳电池的输出特性和均匀性。

Description

柔性衬底薄膜太阳电池阻挡层及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性衬底半导体薄膜器件制备的方法，更具体地讲，涉及柔性衬底薄膜太阳电池的阻挡层及其制备方法。

背景技术

太阳电池是一种直接将光能转化为电能的器件，其中应用较多的是硅基薄膜太阳电池。通常，硅基薄膜太阳电池在玻璃衬底上按P-I-N顺序沉积。以柔性材料为衬底的太阳电池生产成本低，容易实现超大面积生产，使用中不受面积形状的限制。聚合物重量轻，作为电池衬底可得到很高的功率-重量比，而且可以任意弯曲。这些优点有利于太阳电池在卫星、航天器、空间站、空间定位气球等各种特殊场合应用。

与硬质衬底硅基薄膜太阳电池相比，柔性衬底硅基薄膜太阳电池可显著提高功率-重量比。由于改变衬底导致制备工艺的改变引入了很多问题，其中背电极金属铝原子热扩散问题尤为突出。因金属铝较活泼，在制备多层硅基薄膜时，金属铝会扩散进入电池主体，导致电池输出较差或无输出。通常解决的方法是在金属背电极铝与N型硅基薄膜之间加入一层阻挡层(Lr)，一般该阻挡层采用透明导电材料氧化锌薄膜。但因氧化锌材料与柔性衬底材料应力匹配不理想，导致了薄膜太阳电池局部出现龟裂甚至脱落，影响了电池的输出特性和均匀性。

选择氧化锌阻挡层替代材料的原则是在阻止背电极金属铝扩散的同时不能影响背电极金属铝起到引出电流的作用。阻止背电极金属铝扩散要选择性能稳定结构致密的材料，而且应选择功函数与金属铝接近的材料，这样可以减小接触势垒利于载流子输运。在理论分析的同时还应考虑操作实现的可能性。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性衬底薄膜太阳电池的阻挡层及其制备方法，可以防止背电极金属铝在制备电池的过程中扩散进入电池主体，在背电极与电池硅基薄膜之间制备一层阻挡层，不影响入射光的反射，增加其在电池中吸收层中的光程的作用，还可以保证电池良好的输出特性和均匀性。

本发明的目的还在于提供一种柔性衬底薄膜太阳电池。

本发明提供的柔性衬底薄膜太阳电池的阻挡层是金属镍层或金属钛层，阻挡层的厚度为30-50nm。

本发明提供的柔性衬底薄膜太阳电池主要结构包括柔性衬底、金属背电极铝、金属镍层或金属钛层阻挡层、N型硅基薄膜、I型硅基薄膜、P型硅基薄膜和透明导电氧化物薄膜。

所述的N型硅基薄膜包括N型氢化微晶硅或N型氢化非晶硅；

所述的I型硅基薄膜包括I型氢化微晶硅、I型氢化非晶硅或I型氢化硅锗合金；

所述的P型硅基薄膜包括P型氢化微晶硅，P型氢化非晶硅或P型氢化硅碳合金；

所述的透明导电氧化物薄膜包括掺铝氧化锌、二氧化锡或铟锡氧化物透明导电膜；

所述的柔性衬底材料包括不锈钢箔、聚酰亚胺或其它有机聚合物材料。

本发明柔性衬底薄膜太阳电池阻挡层的制备方法是：

1)将清洗烘干后的柔性衬底放入镀膜机中，抽真空至1.0×10^-3Pa，打开挂铝丝电极的电源，缓慢提高变压器输出电压至150伏，此时铝丝熔化蒸发，三分钟后将变压器调至零，关闭电源，制备出背电极金属铝；

2)镀膜机抽真空至1.0×10^-3Pa，打开挂镍丝电极或钛丝电极的电源，缓慢提高变压器输出电压至175伏，此时镍丝熔化蒸发或钛丝部分升华，三十秒后将变压器调至零，关闭电源，冷却后取出。

本发明所述的柔性衬底薄膜太阳电池的制备方法是采用射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)、甚高频等离子体增强化学气相沉积(VHF-PECVD)、热丝化学气相沉积(HW-CVD)或催化+甚高频等离子体增强化学气相沉积(Cat+VHF-PECVD)等方法，在相应的系统中分解硅烷、磷烷、锗烷、硼烷、甲烷和氢气，按照N-I-P的顺序沉积硅基薄膜太阳电池主体。

本发明柔性衬底薄膜太阳电池的阻挡层也可用于硬质透明衬底硅基薄膜太阳电池或化合物薄膜太阳电池中。

本发明是在金属背电极铝与N型硅基薄膜间沉积一层金属镍或钛薄膜，取代氧化锌薄膜作为阻挡层，该阻挡层可阻止金属背电极铝扩散进入电池主体，同时不影响背电极对入射光的反射，增加其在电池吸收层中光程的作用。采用热蒸发法制备阻挡层金属镍或钛，在制备金属背电极铝之后在同一镀膜机中制备，可避免空气氧化和杂质污染。

硬质透明衬底硅基薄膜太阳电池的背电极和化合物薄膜太阳电池的栅线引出极也采用金属铝材料，同样存在铝扩散的问题。该发明也适用于硬质透明衬底硅基薄膜太阳电池和化合物薄膜太阳电池，在制备上述金属铝电极之前先制备一层阻挡层金属镍或钛。

本发明提供的柔性衬底太阳电池阻挡层，可以防止背电极金属铝在制备电池的过程中扩散进入电池主体，在背电极与电池硅基薄膜之间制备一层阻挡层，不影响入射光的反射，增加其在电池吸收层中的光程的作用，还可以保证电池性能，显著提高柔性衬底倒结构薄膜太阳电池的输出特性和均匀性。

附图说明

图1：包含本发明阻挡层的柔性衬底硅基薄膜太阳电池结构示意图。

图2：本发明用于硬质衬底硅基薄膜太阳电池结构示意图。

图3：氧化锌作为阻挡层柔性衬底硅基薄膜太阳电池的输出特性。

图4：金属镍作为阻挡层柔性衬底硅基薄膜太阳电池的输出特性。

图5：金属钛作为阻挡层柔性衬底硅基薄膜太阳电池的输出特性。

具体实施方式：

参照附图描述如下：

如图所示，1.衬底，包括柔性衬底聚酰亚胺、不锈钢箔和硬质透明衬底玻璃；2.金属电极铝；3.阻挡层；4.N型硅基薄膜层；5.I型硅基薄膜层；6.P型硅基薄膜层；7.透明导电薄膜，包括氧化锌，二氧化锡或铟锡氧化物透明导电膜。

按常规的清洗方法如加热、超声、蹭拭等方法清洗柔性衬底。将清洗、烘干后的柔性衬底(聚酰亚胺、50微米)放入镀膜机(DM-300B型，北京仪器厂生产)中，该镀膜机配备两组钨丝电极，中间用挡板隔离，避免相互污染。在其中一组钨丝上挂铝丝0.368克，在另一组钨丝上挂镍丝0.034克或钛丝0.066克。抽真空至1.0×10^-3Pa，打开挂铝丝电极的电源，缓慢提高变压器输出电压至150伏，此时铝丝熔化蒸发。三分钟后将变压器调至零，关闭电源。抽真空至1.0×10^-3Pa，打开挂镍丝或钛丝电极的电源，缓慢提高变压器输出电压至175伏，此时镍丝熔化蒸发或钛丝部分升华。三十秒后将变压器调至零，关闭电源，待衬底降温后取出，阻挡层的厚度为30-50nm。冷却后的衬底放入等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)系统中制备N-I-P薄膜太阳电池主体。

所述的钨丝为螺旋状掺铝，直径为1.5毫米。所述的铝丝纯度99.995％，重量为0.368克。所述的镍丝纯度99.995％，重量为0.034克。所述的钛丝纯度99.999％，重量为0.066克，且多次重复使用。

阻挡层的厚度用台阶仪进行测试，厚度为30-50nm。

实施例1：

柔性衬底薄膜太阳电池结构如图1，电池主体制备的主要步骤如下：

将制备好的具有金属铝电极、金属镍(镍层厚度约为40nm)或金属钛阻挡层的聚酰亚胺柔性衬底放入等离子体增强化学气相沉积系统中，对该衬底加热至160-180℃，并恒温2小时；分别在不同的三个反应室沉积N、I、P三层硅基薄膜。其中N室反应气体为硅烷、磷烷和氢气，反应功率为28W，膜厚约30nm；I室反应气体为硅烷、锗烷和氢气，反应功率为8W，膜厚约500nm；P室反应气体为硅烷、硼烷、甲烷和氢气，反应功率为30W，膜厚约20nm。三层硅基薄膜沉积完毕后，温度降至室温将太阳电池从等离子体增强化学气相沉积系统中取出，制备掺铝氧化锌、二氧化锡或铟锡氧化物透明导电膜。

图4：金属镍作为阻挡层柔性衬底硅基薄膜太阳电池的输出特性。

图5：金属钛作为阻挡层柔性衬底硅基薄膜太阳电池的输出特性。

薄膜太阳电池主要技术指标有：短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF、转换效率Eff。利用太阳光模拟器模拟一个标准太阳的辐射量对薄膜太阳电池进行有效照射，测试薄膜太阳电池输出的伏安特性，由伏安特性曲线计算出上述太阳电池主要技术指标。

实施例2：

透明硬质衬底薄膜太阳电池结构如图2，电池主体制备的主要步骤如下：

将具有透明导电薄膜的硬质透明衬底放入等离子体增强化学气相沉积系统中，分别沉积P、I、N三层硅基薄膜，实验条件同实施例1。降温至室温后将太阳电池从等离子体增强化学气相沉积系统中取出，放入镀膜机中沉积金属镍或金属钛阻挡层，随后沉积金属铝，实验条件同实施例1，不同之处是先沉积金属镍或钛阻挡层再沉积金属铝。待降温后取出，阻挡层的厚度约为45nm。

Claims (1)

1.一种柔性衬底薄膜太阳电池阻挡层的制备方法，其特征在于它是金属镍层或金属钛层，阻挡层的厚度为30-50nm，经过下述步骤制成：

1)将清洗烘干后的柔性衬底放入镀膜机中，抽真空至1.0×10^-3Pa，打开挂铝丝电极的电源，缓慢提高变压器输出电压至150伏，此时铝丝熔化蒸发，三分钟后将变压器调至零，关闭电源，制备出背电极金属铝；

2)镀膜机抽真空至1.0×10^-3Pa，打开挂镍丝电极或钛丝电极的电源，缓慢提高变压器输出电压至175伏，此时镍丝熔化蒸发或钛丝部分升华，三十秒后将变压器调至零，关闭电源，冷却后取出。

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