CN101431127A - 一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法，所选用的柔性衬底为聚酰亚胺薄膜(PI膜)。其主要工艺步骤为：(1)清洗柔性衬底(PI膜)；(2)预烘PI膜；(3)制备Al背电极；(4)制备ZnO薄膜缓冲层；(5)利用PECVD制备NIP非晶硅薄膜；(6)制备Al前电极。本发明由于采用PI膜预烘工艺和ZnO薄膜缓冲层，使得电池的光电转换效率得到提高。该柔性电池具有极好的柔软性，可以任意卷曲。同时制备工艺简单，可实现规模生产。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池制造技术领域，具体涉及一种制造基于PI膜衬底的柔性非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法。
背景技术
薄膜太阳能电池是当今发展最为迅速的太阳能电池，目前商业化应用的薄膜太阳能电池主要是基于玻璃衬底的非晶硅薄膜太阳能电池。非晶硅薄膜太阳能电池的加工原理为：使用硅烷(SiH4)等离子体分解法，通过在硅烷掺杂乙硼烷(B2H6)和磷化氢(PH3)等气体，在低成本基板上(玻璃、不锈钢)低温成膜，形成具备光伏功能的P-I-N(单结或叠层)结构，最后引入电极，切片，封装。
柔性衬底非晶硅薄膜太阳能电池是指在柔性材料(如不锈钢、聚合物)上制作的非晶硅太阳能电池。柔性太阳能电池与平板式晶体硅、玻璃衬底的非晶硅等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻、厚度薄和可卷曲性，其重量比功率和体积比功率较其他电池高几个数量级。具有极好的柔软性，可以任意卷曲、裁剪、粘贴，既使弯成很小的半径，作数百次卷曲，电池性能也不会发生变化。其次，柔性衬底非晶硅电池与晶体硅电池相比还具有良好的温度特性和极高的充电效率，以及良好的光谱响应和高可靠性等优点。这些特点使柔性衬底非晶硅太阳能电池不但可以完全胜任目前其他平板类太阳能电池应用(例如光伏电站、通讯站等)的所有角色，而且在一些特殊应用场合，可把柔性太阳能电池贴在任意弯曲的表面上，用在平板类太阳电池难以胜任的许多其他领域，这使柔性太阳电池携带、运输和保管极为方便。这是以玻璃为衬底的硬电池所不能及的。
但是由于柔性衬底非晶硅薄膜太阳电池采用聚合物或不锈钢衬底，其制备技术相对复杂，目前商业化水平很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的制备方法，该方法可以提高非晶硅薄膜太阳能电池的柔软性，光电转化效率与稳定性。
本发明提供的柔性非晶硅薄膜太阳电池的制备方法，其步骤包括：
(1)清洗聚酰亚胺薄膜，作为柔性衬底；
(2)在真空条件下对衬底进行预烘，预烘温度为200～300℃，清除聚酰亚胺薄膜中包含的挥发性物质；
(3)在聚酰亚胺薄膜上制备A背电极；
(4)在A背电极上制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为200～300℃，氩氧比：15：0～35：0，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率：80～150W，溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时～2小时；
(5)按照下述过程在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP非晶硅薄膜：
(5.1)在ZnO薄膜缓冲层上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3：20～40sccm，SiH4：10～15sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压为1Pa，溅射时间为1分钟～2分钟；
(5.2)在N型微晶硅薄膜上制备I型非晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：SiH4：15～25sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压为1Pa，溅射时间为40分钟～1小时；
(5.3)在I型非晶硅薄膜上制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6：25sccm，CH4：35sccm，SiH4：40sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压为1Pa，溅射时间为30秒～1分钟；
(6)在P型非晶碳化硅薄膜上制备A前电极。
本发明提供了一种完整的具有产业化潜力的柔性衬底非晶硅薄膜太阳电池制备工艺。所采用的柔性衬底为聚酰亚胺薄膜(Polyimide film，简称PI膜)，此柔性太阳能电池最大的特点是重量轻、厚度薄和可卷曲性，其重量比功率和体积比功率较其他电池高几个数量级。具有极好的柔软性，可以任意卷曲、裁剪、粘贴，既使弯成很小的半径，作数百次卷曲，电池性能也不会发生变化。针对PI膜的半透明特点，本发明采用“PI膜/A底电极/N型非晶硅薄膜/I型非晶硅薄膜/P型非晶硅薄膜/TCO(透明导电薄膜)”的倒结构太阳电池模型，并且在A底电极和N型非晶硅薄膜之间加入ZnO缓冲层。在制备该电池的过程中，通过预烘工艺有效的减少PI膜释放的挥发性物质，并且使预烘工艺与镀铝电极工艺一体化，有利于节省工序与成本。同时改进了清洗方式。
附图说明
图1为柔性非晶硅薄膜太阳能电池的制备工艺流程图。
具体实施方式
本发明采用“PI膜/A底电极/N型非晶硅薄膜/I型非晶硅薄膜/P型非晶硅薄膜/TCO(透明导电薄膜)”的倒结构太阳电池模型。所涉及制造工艺技术包括下述步骤：
(1)清洗柔性衬底—聚酰亚胺薄膜(Polyimide film，简称PI膜)，PI膜具有良好的耐高温性能及良好的柔韧性。
(2)预烘PI膜
由于非晶硅薄膜的制备工艺技术为等离子化学气相沉积法，一般是在高真空和200℃～300℃下进行薄膜沉积。这些挥发性气态物质的存在会导致真空度下降，并且混合在非晶硅薄膜中导致电池性能下降。一般情况下，PI膜的真空出气情况大致可以分为三个阶段：在低于100℃时，真空出气主要是PI膜吸附的水分进行挥发；在100℃～250℃之间，主要是PI膜表面吸附的一些油脂高分子物质挥发；高于300℃时，由于超过PI膜耐温性的限制，PI膜本身可能也要分解，分解出水蒸汽、油脂高分子和CO2气体等。由于在PI膜衬底上沉积非晶硅薄膜是在PECVD设备中进行，而PECVD制备非晶硅薄膜的温度条件为150～300℃之间，这样PI膜在较高温度下释放的挥发性物质就可能沉积在非晶硅薄膜中，形成复合中心或缺陷态，导致非晶硅薄膜质量严重下降，影响太阳能电池的性能。
针对PI膜在加热到150℃以上释放气体的情况，本发明提出了在PI膜被用于PECVD中制备非晶硅薄膜前在真空条件下进行预烘处理的预处理工艺。本发明发现在200～300℃的预烘温度条件下，在真空中预烘衬底70～200分钟时间，可以充分的清除PI膜中包含的挥发性物质，保证了在沉积非晶硅薄膜时不会因为PI膜在高温下释放挥发性物质导致非晶硅薄膜性能的下降。
本发明的一个创新之处在于通过在真空镀膜机中安置碘钨灯来进行真空下预烘，同时通过可控硅温度调节设备来调节加热温度。这样改进的预烘设备的好处在于在预烘完毕后即可继续蒸镀铝电极。即将在PI膜上蒸镀铝电极的工艺与预烘工艺在同一台设备上依次完成，不必单独购买设备，也减少了工艺步骤，缩减了工艺带来的消耗，因为镀铝也是真空工艺，若在预烘工艺完成后在其他设备中镀铝，则需多抽一次真空，导致多余的工艺消耗。
(3)在PI膜上制备A背电极
用电阻蒸发式真空镀铝设备来蒸镀铝底电极。其中本底真空度10-3～10-4Pa，溅射时间：2分钟，电压为150～220V。
(4)在A背电极上制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为200～300℃，氩氧比：15：0～35：0，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率：80～150W，溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时～2小时。
(5)在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP非晶硅薄膜
由于本发明采用“PI膜/A底电极/N型非晶硅薄膜/I型非晶硅薄膜/P型非晶硅薄膜/TCO(透明导电薄膜)”的倒结构太阳电池模型，因此在衬底上沉积非晶硅薄膜将先沉积N型层，再沉积I层，最后沉积P型窗口层。这与玻璃衬底非晶硅薄膜太阳电池的制备顺序恰好相反。
(5.1)在ZnO薄膜缓冲层上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3：20～40sccm，SiH4：10～15sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：1分钟～2分钟；
(5.2)在N型微晶硅薄膜上制备I型非晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：SiH4：15～25sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：40分钟～1小时；
(5.3)在I型非晶硅薄膜上制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6：25sccm，CH4：35sccm，SiH4：40sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：30秒～1分钟；
(6)在P型非晶碳化硅薄膜上制备前电极。
用电阻蒸发式真空镀铝设备来蒸镀铝点电极。其中本底真空度10-3Pa～-4Pa，溅射时间：2分钟～4分钟，电压为150V～175V。
下面通过借助实施例将更加详细说明本发明，且以下实施例仅是说明性的，本发明并不受这些实施例的限制。
实例1：
(1)清洗柔性衬底(PI膜)
(2)预烘PI膜
在250℃的温度条件下，预烘衬底90分钟时间
(3)制备A背电极
其中本底真空度10-3Pa，溅射时间：2分钟，电压为175V。
(4)制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为250℃，氩氧比：25：0，本底真空度10-4Pa，溅射功率：150W，溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时。
(5)在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP非晶硅薄膜
(5.1)在ZnO薄膜缓冲层上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3：30sccm，SiH4：15sccm，射频功率为100W，衬底温度为200℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：1分钟40秒；
(5.2)在N型微晶硅薄膜上制备I型非晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：SiH4：25sccm，射频功率为100W，衬底温度为200℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：50分钟；
(5.3)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6：25sccm，CH4：35sccm，SiH4：40sccm，射频功率为100W，衬底温度为210℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：40秒；
(6)在P型非晶碳化硅薄膜上制备前电极。
其中本底真空度10-3Pa，溅射时间：2分钟，电压为175V。
实例2：
(1)清洗柔性衬底(PI膜)
(2)预烘PI膜
在280℃的温度条件下，预烘衬底120分钟时间
(3)制备A背电极
其中本底真空度10-3Pa，溅射时间：2分钟，电压为200V。
(4)制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为275℃，氩氧比：30：0，本底真空度10-4Pa，溅射功率：120W，溅射气压：1Pa，溅射时间：1.5小时。
(5)在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP非晶硅薄膜
(5.1)在ZnO薄膜缓冲层上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3：35sccm，SiH4：12sccm，射频功率为120W，衬底温度为220℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：2分钟；
(5.2)在N型微晶硅薄膜上制备I型非晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：SiH4：20sccm，射频功率为120W，衬底温度为210℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时；
(5.3)制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6：25sccm，CH4：35sccm，SiH4：40sccm，射频功率为130W，衬底温度为230℃，溅射气压：1Pa，溅射时间：50秒；
(6)在P型非晶碳化硅薄膜上制备前电极。
其中本底真空度10-3Pa，溅射时间：3分钟，电压为210V。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于上述实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (2)
1、一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的制备方法，其步骤包括：
(1)清洗聚酰亚胺薄膜，作为柔性衬底；
(2)在真空条件下对衬底进行预烘，预烘温度为200～300℃，清除聚酰亚胺薄膜中包含的挥发性物质；
(3)在聚酰亚胺薄膜上制备A1背电极；
(4)在A1背电极上制备ZnO薄膜缓冲层，其中衬底温度为200～300℃，氩氧比：15：0～35：0，本底真空度10-3～10-4Pa，溅射功率：80～150W，溅射气压：1Pa，溅射时间：1小时～2小时；
(5)按照下述过程在ZnO薄膜缓冲层上制备NIP非晶硅薄膜：
(5.1)在ZnO薄膜缓冲层上制备N型微晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：PH3：20～40sccm，SiH4：10～15sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压为1Pa，溅射时间为1分钟～2分钟；
(5.2)在N型微晶硅薄膜上制备I型非晶硅薄膜，其中通入的各气体流量为：SiH4：15～25sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压为1Pa，溅射时间为40分钟～1小时；
(5.3)在I型非晶硅薄膜上制备P型非晶碳化硅薄膜，其中通入的各气体流量为：B2H6：25sccm，CH4：35sccm，SiH4：40sccm，射频功率为80～150W，衬底温度为180～240℃，溅射气压为1Pa，溅射时间为30秒～1分钟；
(6)在P型非晶碳化硅薄膜上制备A1前电极。
2、根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，在真空镀膜机中安置碘钨灯进行预烘。
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Assignee: Shenzhen Wanyelong Solar Technology Co., Ltd. Assignor: Huazhong University of Science and Technology Contract record no.: 2011440000022 Denomination of invention: Production method of flexible amorphous silicon thin-film solar cell Granted publication date: 20100630 License type: Exclusive License Open date: 20090513 Record date: 20110107 |
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