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Abstract

一种用于太阳能电池的透明导电基板，包括透明基底及依次叠加在所述透明基底上的氧化硅层、掺氟的氧化锡层和优化透光率的金属氧化物层。通过在氧化锡层中掺杂氟并在之上沉积优化透光率的金属氧化物层，金属氧化物层利用薄膜的各种光学干涉效应，在太阳能吸收和反射之间达到一种平衡，从而优化透光率，可以使用于太阳能电池的透明导电基板具有良好的导电性能的同时优化薄膜的透光率。

Description

用于太阳能电池的透明导电基板
【技术领域】
本发明涉及用于太阳能电池的透明导电基板，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】
太阳能是由太阳的氢经过核聚变而成的一种能源。在它的表面所释放出的能量如果换算成电能则大约为3.8×1020MW。到达地球的能量中约30％反射到宇宙，剩下的70％的能量被地球接收。太阳照射地球一个小时的能量相当于世界一年的总消费能量。而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。另外，太阳能不含有害物质，不会排出二氧化碳。可见太阳能具有能量巨大、非枯竭、清洁的特点，作为未来的能源是一种非常理想的清洁能源。
太阳能的利用形式有多种多样，如热利用、照明、电力等。热利用就是将太阳能转换为热能，供热水器、冷热空调系统等使用；利用太阳光给室内照明，或通过光导纤维将太阳光引入地下室等进行照明；在电力方面的应用主要是利用太阳的热能和光能。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用于太阳能电池的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。作为用于太阳能电池的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，这就需要透明导电薄膜材料具有很高的透光率。
【发明内容】
有鉴于此，有必要提供一种提高透光率的用于太阳能电池的透明导电基板。
一种用于太阳能电池的透明导电基板，包括透明基底及依次叠加在所述透明基底上的氧化硅层、掺氟的氧化锡层和优化透光率的金属氧化物层。
通过在氧化锡层中掺杂氟并在之上沉积优化透光率的金属氧化物层，金属氧化物层利用薄膜的各种光学干涉效应，在太阳能吸收和反射之间达到一种平衡，从而优化透光率，可以使用于太阳能电池的透明导电基板具有良好的导电性能的同时优化薄膜的透光率。
优选地，所述掺氟的氧化锡层为从邻接所述氧化硅层的一侧梯次增量地掺杂氟。
优选地，所述掺氟的氧化锡层中与所述透明基底相反一侧的表面氟浓度相对氧化锡为2mol％～4mol％；或所述掺氟的氧化锡层的厚度为400nm～599nm；或掺氟的氧化锡层面电阻为7Ω/□～15Ω/□。
优选地，所述掺氟的氧化锡层中与所述透明基底相反一侧的表面氟浓度相对氧化锡为2.5mol％～3mol％；或所述掺氟的氧化锡层的厚度为500nm～599nm；或掺氟的氧化锡层面电阻为9Ω/□～11Ω/□。
优选地，所述掺氟的氧化锡层在300nm～1200nm的波长范围内的透光率＞81％；或雾度为10％～30％。
优选地，所述掺氟的氧化锡层的掺氟浓度在邻接氧化硅层一侧为1mol％。
优选地，所述优化透光率的金属氧化物层的折射率大于2.0。
优选地，所述金属氧化物为氧化钛、氧化铟和氧化锌中的一种或两种以上。
优选地，所述优化透光率的金属氧化物层的厚度为21～40nm。
优选地，所述优化透光率的金属氧化物层与所述掺氟的氧化锡层相反一侧的表面为凹凸的绒面结构。
【附图说明】
图1为一实施例的用于太阳能电池的透明导电基板的截面示意图。
【具体实施方式】
以下实施方式中的用于太阳能电池的透明导电基板，包括透明基底及依次叠加在所述透明基底上的氧化硅层、掺氟的氧化锡层和优化透光率的金属氧化物层。其中，掺氟的氧化锡层中为从邻接氧化硅一侧梯次增量地掺杂氟。在掺杂氟的氧化锡层上沉积有优化透光率的金属氧化物层。通过在氧化锡层中掺杂氟并在之上沉积优化透光率的金属氧化物层，可以使用于太阳能电池的透明导电基板具有良好的导电性能的同时优化薄膜的透光率。
如图1所示，其为一实施例的用于太阳能电池的透明导电基板的截面图。用于太阳能电池的透明导电基板包括依次叠加的透明基底10、氧化硅层20、掺氟的氧化锡层30及优化透光率的金属氧化物层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基板透明基底。
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上沉积掺氟的氧化锡层30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，在梯次增量掺氟氧化锡层30和透明基底10之间设有氧化硅层20，氧化硅层20作为透明薄膜以抑制反射干扰色出现的虹彩现象的发生。氧化硅层20还可以与掺氟的氧化锡层30形成梯度涂层的形式存在。氧化硅层20的存在可以进一步抑制透明基底10上碱金属阳离子向梯次增量掺氟的氧化锡层30扩散。氧化硅层20的厚度为10nm～50nm，优选为30～40nm。
在掺氟的氧化锡层30中，如果膜层厚度较大且氟为均匀掺杂，则掺氟的氧化锡层30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。所以采用梯次增量掺氟的方案来制备薄膜，将梯次增量掺氟的氧化锡层30通过改变掺杂氟的浓度来减少膜层对近红外光的吸收，同时要尽量消除薄膜沉积时的残留应力，增加附着力，梯次增量掺氟的氧化锡层30的厚度也不能太大。另外，为了得到充分的光散射效果，使沉积在梯次增量掺氟的氧化锡层30上的优化透光率的金属氧化物层40具有优质的绒面凹凸结构，得到高的雾度值，梯次增量掺氟的氧化锡层30的厚度不能太小，所以掺氟的氧化锡层30的厚度控制比较严格。而由于在薄膜的沉积过程中，氟的比例浓度是梯次增加的，这就要求具有至少两个镀膜头，所以薄膜的厚度可以得到保障。经过理论分析及多次实验，掺氟的氧化锡层30的厚度控制在400nm～599nm的范围较佳，厚度在500nm～599nm则更好。
对于在梯次增量掺氟的氧化锡层中的掺杂量，必须具有合适的值才能对提高电导率和透光率产生效果，过多或过少的掺杂都会使薄膜的电阻增大或透光性减小而且性能不稳定。考虑到掺杂氟的氧化锡层40，即掺氟氧化锡(FTO)薄膜为多晶结构，保持着非掺杂氧化锡薄膜的金红石结构，掺氟通常不会引起晶格常数的变化。在掺氟氧化锡薄膜中氟原子以替位离子的形式占据氧离子位置，由于不符合化学计量，产生多余的电子，这种电子受到的束缚作用很弱，能够在晶体中自由运动，形成自由载流子。用氟对氧化锡进行掺杂，掺杂剂氟的作用是取代氧化锡薄膜结构网络中部分氧的位置，形成n型掺杂，氟掺杂量的多少会直接影响着薄膜的结构和性能。在较大锡氟比下(即氟掺杂量较小)，每个掺杂的氟都能提供一个载流子，薄膜电阻率随着氟掺杂量的增加而减小；随着氟掺杂量的不断增加，高浓度掺杂使氧化锡费米能级进入导带，形成导电率很高的简并半导体；但是当掺杂的氟量继续增加后，部分掺杂离子不再以替代形式取代晶格中氧的位子，而是出现在了晶格间隙位子，这部分掺杂离子不提供载流子，另一方面由于掺杂离子本身也是一种晶格缺陷，对载流子有较强的散射作用，浓度过高，会严重影响电子的迁移率，恶化导电性。
但是，对氧化锡进行氟掺杂后，镀膜玻璃的透光率随薄膜中氟含量的增加而减小。这是由于随薄膜中氟的增加，薄膜的自由载流子浓度增加，使得光子的自由载流子吸收增加，导致透光率减小。另外，薄膜中氟的增加使得薄膜表面更粗糙，也是引起透光率减小的一个重要的原因。所以，对于FTO薄膜，采用梯次增量掺氟的结构来得到薄膜效果更佳。
从氧化锡薄膜的晶体结构出发，建立晶体结构原子配位数和掺杂原子含量模型，可以在理论上推导出FTO薄膜中具有最佳导电性能的氟掺杂含量的表达式。理论计算FTO中氟的最佳掺杂含量为2.5mol％，考虑到实验条件的影响，在产品中对所述掺氟的氧化锡层30中与透明基底10相反一侧的FTO膜表面的氟浓度相对氧化锡为2mol％～4mol％。优选2.5mol％～3mol％。在这个氟浓度内，掺氟的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梯次增量掺氟的氧化锡层30的微晶尺寸较大，使得在其上沉积的优化透光率的金属氧化物层40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。梯次增量掺氟的氧化锡层30在300nm～1200nm的波长范围内的透光率＞81％，优选地，透光率＞85％。而从邻接氧化硅层20开始的FTO膜层，其掺氟的含量为梯次增加。考虑到氟离子浓度在FTO各层中的不同而产生的渗透现象以及为了保证FTO膜与基底相反一侧表面的氟浓度，在邻接氧化硅层20的掺氟的氧化锡层30中氟的浓度不易过低，本实施例中所述的梯次增量掺氟浓度在邻接氧化硅层20一侧约为1mol％。从该侧开始掺氟浓度梯次增加。
优化透光率的金属氧化物层40采用折射率大于2.0的高折射率透明金属氧化物，例如可以为氧化钛、氧化铟和氧化锌中的一种或两种以上。优化透光率的金属氧化物层40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优化透光率的金属氧化物层40。优化透光率的金属氧化物层40不必太厚，通常的厚度为10nm～50nm，优选为21nm～40nm。高折射率的优化透光率的金属氧化物层40与掺氟的氧化锡层30相反的一侧优选为绒面凹凸结构，采用该绒面凹凸结构可以进一步地增加太阳光到达光电转换层的光量。
对于优质的用于太阳能电池的透明导电基板，具有高电导率且对太阳辐射具有高透明度的结构是其必要的特点。通过在氧化锡中掺杂氟来提高薄膜的导电性能，而通过依次叠加在透明基底10上的氧化硅层20及梯次增量掺氟的氧化锡层30，在所述的梯次增量掺氟的氧化锡层30上沉积有优化透光率的金属氧化物层40来提高薄膜的透光性能，使得到达光电转换层的光量有所增加，并且会抑制光从透明基体10上反射或透射产生的虹彩现象。优化透光率的金属氧化物层40利用薄膜的各种光学干涉效应，在太阳能吸收和反射之间达到一种平衡，从而优化透光率。
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)

1.一种用于太阳能电池的透明导电基板，包括透明基底，其特征在于，所述的用于太阳能电池的透明导电基板还包括依次叠加在所述透明基底上的氧化硅层、掺氟的氧化锡层及优化透光率的金属氧化物层。
2.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述掺氟的氧化锡层为从邻接所述氧化硅层的一侧梯次增量地掺杂氟。
3.根据权利要求1或2所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述掺氟的氧化锡层中与所述透明基底相反一侧的表面氟浓度相对氧化锡为2mol％～4mol％；或所述掺氟的氧化锡层的厚度为400nm～599nm；或掺氟的氧化锡层面电阻为7Ω/□～15Ω/□。
4.根据权利要求1或2所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述掺氟的氧化锡层中与所述透明基底相反一侧的表面氟浓度相对氧化锡为2.5mol％～3mol％；或所述掺氟的氧化锡层的厚度为500nm～599nm；或掺氟的氧化锡层面电阻为9Ω/□～11Ω/□。
5.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述掺氟的氧化锡层在300nm～1200nm的波长范围内的透光率＞81％；或雾度为10％～30％。
6.根据权利要求1或2所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述掺氟的氧化锡层的掺氟浓度在邻接氧化硅层一侧为1mol％。
7.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述优化透光率的金属氧化物层的折射率大于2.0。
8.根据权利要求1或2或7所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述金属氧化物为氧化钛、氧化铟和氧化锌中的一种或两种以上。
9.根据权利要求1或2或7所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述优化透光率的金属氧化物层的厚度为21～40nm。
10.根据权利要求1所述的用于太阳能电池的透明导电基板，其特征在于，所述优化透光率的金属氧化物层与所述掺氟的氧化锡层相反一侧的表面为凹凸的绒面结构。
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Open date: 20091028