CN101527325A - 太阳能电池用透明导电基板 - Google Patents

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Abstract

一种太阳能电池用透明导电基板，包括透明基底及依次叠加在所述透明基底上的金属氧化物层、氧化硅层和掺氟氧化锡层，所述金属氧化物层未掺杂氟，所述掺氟氧化锡层中均匀掺杂氟。通过在掺氟氧化锡层中均匀掺杂氟，可以使太阳能电池用透明导电基板具有良好的导电性能的同时，增加到达光电转换层的光量。均匀掺杂也有利于简化镀膜工序。

Description

太阳能电池用透明导电基板
【技术领域】
本发明涉及太阳能电池用透明导电基板，尤其是在透明基板上沉积透明导电性薄膜的太阳能电池用透明导电基板。
【背景技术】
太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。太阳内部的这种核聚变反应，可以维持几十亿至上百亿年的时间，对于人类来说几乎可以认为是取之不尽用之不竭的能源。太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8×1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30％被大气层反射，23％被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为800000亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。因此，地球上可利用的太阳能的量也是非常巨大的。
除了太阳能热水器等可以直接利用太阳能外，大多数太阳能的利用还需要将太阳能转换为电能。伴随着世界能源需求的日益增大，利用可再生的太阳能，实现无污染、无公害的干净的能源世界，这对于目前世界上大多数国家来说都具有非常大的吸引力。通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的技术称为太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，为了最大限度地使用太阳辐射，必须最大可能地提高太阳能电池的光电转换效率。
硅基薄膜太阳能电池，主要包括非晶硅(α-Si:H)电池，微晶硅(μc-Si:H)电池以及非晶/微晶叠层(micromorph)电池。对于薄膜太阳能电池来说，增加光在电池中的利用率即提高太阳能电池的光电转换效率是最重要的一点，这就要求增加光在太阳能电池功能层的光程。α-Si:H的光学带宽为1.7eV左右，其吸收系数在短波方向较高；而μc-Si:H的光学带宽约为1.1eV，其吸收系数在长波方向较高，在300nm～1200nm的波长范围内，能吸收到红外长波区域，这就使太阳光谱能得到更好利用。
此外，在太阳能电池中作为透明电极使用的太阳能电池用透明导电基板可以通过在透光性良好的基板上沉积透明导电性薄膜来得到，通常可以选用透光性良好的材料例如玻璃作为透明基板。作为太阳能电池用透明导电基板不仅需要具有良好的导电性能，更需要为了提高太阳光的转换效率而增多到达光电转换层的光量。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种具有良好的导电性能及增加到达光电转换层的光量的太阳能电池用透明导电基板。
一种太阳能电池用透明导电基板，包括透明基底及依次叠加在所述透明基底上的金属氧化物层、氧化硅层和掺氟氧化锡层，所述金属氧化物层未掺杂氟，所述掺氟氧化锡层中均匀掺杂氟。
通过在掺氟氧化锡层中均匀掺杂氟，可以使太阳能电池用透明导电基板具有良好的导电性能的同时，增加到达光电转换层的光量。均匀掺杂也有利于简化镀膜工序。
优选地，所述金属氧化物层的折射率大于1.8。所述金属氧化物层为氧化锡、氧化钛、氧化铟和氧化锌中的一种或两种以上。所述金属氧化物层的厚度为21～30nm。在掺氟氧化锡层和透明基底之间设有叠层的金属氧化物层和氧化硅层，金属氧化物层和氧化硅层作为透明薄膜以抑制反射干扰色的不规则性的发生。
优选地，所述氧化硅层的厚度为30～40nm。氧化硅层的存在可以进一步抑制透明基底上碱金属阳离子向掺氟氧化锡层扩散。
优选地，所述掺氟氧化锡层中氟浓度相对氧化锡为1mol％～4mol％。在这个氟浓度内，掺氟氧化锡层面电阻较低
优选地，所述掺氟氧化锡层的厚度为400nm～599nm，更好为500nm～599nm。在这个厚度范围内，有利于节约原料成本，同时尽量消除残留应力，增加附着力，使掺氟氧化锡层表面具有优质的绒面结构，得到高的雾度值。
优选地，所述掺氟氧化锡层与所述氧化硅层相反的一侧为凹凸的绒面结构。掺氟氧化锡层表面的凹凸不平的绒面结构的存在，可以使太阳能电池用透明导电基板的雾度因光的散射而提高。而在掺氟氧化锡层表面具有凹凸不平的绒面结构，可以使光在掺氟氧化锡层和太阳能电池的光电转换层的界面发生折射后进入太阳能电池光电转换层。另外，掺氟氧化锡层表面具有凹凸不平的绒面结构可以使在其上形成的太阳能电池光电转换层和半导体层上形成的背电极层界面也变得凹凸不平，则光在该界面容易发生散射，这可以增加光在太阳能电池功能层中的光程，增加光电转换效率。而均匀掺杂氟的掺氟氧化锡层表面的凹凸结构可以使整个透明导电性基板的雾度值偏差较小，这可以减少光在掺氟氧化锡层与太阳能电池光电转换层界面的散射。
优选地，所述掺氟氧化锡层的面电阻为9Ω/□～11Ω/□、或在300nm～1200nm的波长范围内的透光率＞81％、或雾度为10％～30％、或最大轮廓峰高和最大轮廓谷深的和为100nm～500nm，更好为200nm～400nm。
【附图说明】
图1为一实施例的太阳能电池用透明导电基板的截面示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，其为一实施例的太阳能电池用透明导电基板的截面图。太阳能电池用透明导电基板包括依次叠加的透明基底10、金属氧化物层20、氧化硅层30及掺氟氧化锡层40。
透明基底10通常采用透光性良好的玻璃。在300nm～1200nm的波长范围内，玻璃的折射率通常为1.5～1.7。本实施例中，采用折射率为1.52的钠钙玻璃作为太阳能电池透明导电性基板透明基底。
金属氧化物层20采用折射率大于1.8的透明金属氧化物，例如可以是氧化锡、氧化钛、氧化铟和氧化锌中的一种或两种以上。金属氧化物层20可以是上述某种金属氧化物的单层结构，也可以是上述多种氧化物混合形成的单层结构，还可以是多个不同的金属氧化物子层层叠形成的金属氧化物层20。考虑到F-离子对玻璃基板上碱金属阳离子的作用，在邻接透明基底10上沉积的金属氧化物层20中未掺杂氟。金属氧化物层20的厚度为10nm～50nm，优选为21nm～30nm。
氧化硅的折射率为1.45～1.65，这跟用玻璃作为透明基底10的折射率很接近，如果直接在透明基底10上沉积掺氟氧化锡层40作为透明导电性电极，则会因为氧化锡的折射率为1.8～2.5相对透明基底10要大而引起入射的太阳光的反射干扰色的不规则性的发生。因此，在掺氟氧化锡层40和透明基底10之间设有叠层的金属氧化物层20和氧化硅层30，金属氧化物层20和氧化硅层30作为透明薄膜以抑制反射干扰色的不规则性的发生。氧化硅层30的存在可以进一步抑制透明基底10上碱金属阳离子向掺氟氧化锡层40扩散。氧化硅层30的厚度为10nm～50nm，优选为30～40nm。
掺氟氧化锡层40中，掺杂氟的SnO2薄膜的导电机理是在SnO2中掺杂氟后，规则的SnO2晶格点阵中一部分的O2-被F-所替代，正Sn3+就提供一种非共价运动的电子而成为电离中心，原来的能带结构发生改变，杂质能级处于原禁带中，但很靠近导带，因此导电性会大为改善。但SnO2中随着掺氟量的增加，SnO2薄膜的电阻会先减小后增加。这是由于掺杂量较低时，F-以替位原子的形式占据了O2-的位置，同时产生一个自由电子，随着掺杂量的增加，薄膜中的自由电子数目随之增加，从而薄膜的电阻就减小。但当替位形式存在的掺杂量达到饱和值后，如果继续增加的氟掺杂量，则过剩的F-就会进入晶格的间隙位和晶粒的晶界处，形成无效掺杂，这些过剩的掺杂不但不能产生更多的自由电子，而且会使薄膜中的自由电子散射中心增加，从而使自由电子的散射程度增强，导致了薄膜的电阻逐渐增加。并且在SnO2中随着掺氟量的增加，薄膜在300nm～1200nm的波长范围内平均透过率会随着氟的掺杂量增加而有所减小，这是由于薄膜内自由电子、杂质离子以及缺陷浓度的增加而使光的散射和吸收相应地增强。并且随着在SnO2中掺杂氟的量增加，薄膜在300nm～1200nm的波长范围内的光散射透过率会下降，从而表现出薄膜的雾度值降低。因此，为了使太阳能电池用透明导电基板具有良好的导电性能及增加到达光电转换层的光量，需要使掺氟氧化锡层40电阻低并且在300nm～1200nm的波长范围内对光的散射和吸收量较少。
在掺氟氧化锡层40中，如果厚度较大，则掺氟氧化锡层40对近红外光的吸收会增大，显然这不适合作为太阳能电池用透明导电基板使用的透明导电性薄膜来使用。而将掺氟氧化锡层40通过改变掺杂氟的浓度来减少膜层对近红外光的吸收，则需要至少多出一个镀膜头装置，从而这个掺杂氟的浓度变化的氧化锡层厚度较大，原料的成本较高，控制过程复杂。为了可以简化镀膜程序，节约原料成本，同时尽量消除残留应力，增加附着力，掺氟氧化锡层40的厚度不能太大。另外，为了得到充分的光散射效果，使掺氟氧化锡层40表面具有优质的绒面结构，得到高的雾度值，掺氟氧化锡层40的厚度不能太小，所以掺氟氧化锡层40的厚度控制比较严格。经过理论分析及多次实验，掺氟氧化锡层40的厚度控制在400nm～599nm的范围较佳，厚度在500nm～599nm则更好。在该厚度内掺氟氧化锡层40中的氟可以均匀掺杂在氧化锡中，其中氟浓度相对氧化锡优选为1mol％～4mol％。在这个氟浓度内，掺氟氧化锡层面电阻较低，可达到7Ω/□～15Ω/□，更好能达到9Ω/□～11Ω/□。而且在这个氟浓度下掺氟氧化锡层40的微晶尺寸较大，薄膜的表面凹凸程度也较大，从而薄膜具有大的雾度，从值上表现雾度值大于10％，最好在10％～30％之间。掺氟氧化锡层40在300nm～1200nm的波长范围内的透光率＞81％，优选地，透光率＞85％。
利用原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)对掺氟氧化锡层40的表面形貌进行测定，可以发现如图1所示在掺氟氧化锡层40与氧化硅层30相反的一侧的表面整个范围具有凹凸不平的绒面结构，原子力显微镜测试表面在单一方向的取样长度内最大轮廓峰高和最大轮廓谷深的和Rpv为100nm～500nm，更好为200nm～400nm。掺氟氧化锡层40表面的凹凸不平的绒面结构的存在，可以使太阳能电池用透明导电基板的雾度因光的散射而提高。而在掺氟氧化锡层40表面具有凹凸不平的绒面结构，可以使光在掺氟氧化锡层40和太阳能电池的光电转换层的界面发生折射后进入太阳能电池光电转换层。另外，掺氟氧化锡层40表面具有凹凸不平的绒面结构可以使在其上形成的太阳能电池光电转换层和半导体层上形成的背电极层界面也变得凹凸不平，则光在该界面容易发生散射，这可以增加光在太阳能电池功能层中的光程，增加光电转换效率。而均匀掺杂氟的掺氟氧化锡层40表面的凹凸结构可以使整个透明导电性基板的雾度值偏差较小，这可以减少光在掺氟氧化锡层40与太阳能电池光电转换层界面的散射。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1、一种太阳能电池用透明导电基板，包括透明基底，其特征在于，所述太阳能电池用透明导电基板还包括依次叠加在所述透明基底上的金属氧化物层、氧化硅层及掺氟氧化锡层，所述金属氧化物层未掺杂氟，所述掺氟氧化锡层中均匀掺杂氟。
2、根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述金属氧化物层的折射率大于1.8。
3、根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述金属氧化物层为氧化锡、氧化钛、氧化铟和氧化锌中的一种或两种以上。
4、根据权利要求1或2或3所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述金属氧化物层的厚度为21～30nm。
5、根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述氧化硅层的厚度为30～40nm。
6、根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述掺氟氧化锡层中氟浓度相对氧化锡为1mol％～4mol％。
7、根据权利要求1或6所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述掺氟氧化锡层的厚度为400nm～599nm。
8、根据权利要求1或6所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述掺氟氧化锡层的厚度为500nm～599nm。
9、根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述掺氟氧化锡层与所述氧化硅层相反的一侧为凹凸的绒面结构。
10、根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电基板，其特征在于，所述掺氟氧化锡层的面电阻为9Ω/□～11Ω/□、或在300nm～1200nm的波长范围内的透光率＞81％、或雾度为10％～30％、或最大轮廓峰高和最大轮廓谷深的和为100nm～500nm，更好为200nm～400nm。
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Open date: 20090909