CN101582461B - 一种新型多层透明导电膜结构及其制备方法 - Google Patents

一种新型多层透明导电膜结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型多层透明导电膜结构及其制备方法，是在浮法玻璃基板上，依次制备一个SiO2过渡层，一个FTO层和一个ZnO基的薄膜层。SiO2和FTO是通过浮法玻璃的在线APCVD工艺来完成，溅射沉积设备连接在浮法玻璃生产线的降温段，将合适温度的玻璃基本直接送入进样室后开始溅射生长ZnO基的透明导电氧化物薄膜。这样的多层膜具有高的光透过率，同时又不使用湿法工艺，依赖APCVD制备FTO具有绒面结构的特性，直接生成具有绒面结构的ZnO包覆FTO的透明导电双层膜。

Description

一种新型多层透明导电膜结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜太阳电池领域，尤其是一种新型多层透明导电薄膜结构以及制备方法。
背景技术
随着光伏发电技术的发展，尤其是近年来薄膜太阳电池的大量产业化，透明导电氧化物薄膜(TCO)作为薄膜太阳电池中必不可少的一部分，引起了极大的关注。薄膜太阳电池的前电极采用的是透明导电氧化物(TCO)玻璃，它的性能对于电池的转换效率有着至关重要的作用。太阳电池要求前电极具有极低的光损失，高透过率和高电导率，并且具有很好的陷光作用。陷光结构具体表现在薄膜表面形成一定的绒面，具有一定的粗糙度，通过对光折射和散射，将入射到薄膜中的光分散到各个角度，从而增加入射光在太阳电池中的光程，提高光的吸收，最终获得太阳电池的高光电转换效率。透明导电薄膜要求所选用的半导体材料在可见光区具有高的光穿透性，其材料的带隙宽度大于3eV。近年来，透明导电薄膜的材料主要集中在金属氧化物半导体，如SnO2、In2O3、ZnO等薄膜。
现如今，制备透明导电薄膜的方法很多，包括常压化学气相沉积(APCVD)、溅射沉积、超声喷雾法等。APCVD以速度快、沉积薄膜均匀、设备简单、成本低等特点被广范应用于浮法玻璃生产的在线镀膜。目前，大部分薄膜太阳电池用的氟(F)掺杂SnO2(FTO)透明导电玻璃均是利用浮法在线APCVD制备的。浮法工艺过程是：熔融的玻璃液从融窑连续地流入有保护气氛保护的熔融金属锡槽中，由于玻璃液与锡液的密度不同，玻璃液飘浮在锡液的表面上，由于重力和液体表面张力的同时作用，玻璃液在锡液表面上自由展平，从而成为表面平整、厚度均匀的玻璃液带，通过外力拉引作用，向锡槽的后部移动。在移动的进程中，经过来自炉顶上方的火焰抛光、拉薄、冷却、硬化后引上过渡辊台。辊子转动把玻璃带送进退火窑，经过降温、退火，切裁，形成平板玻璃产品。APCVD设备安装在浮法线上，实现在线的APCVD薄膜沉积。此方法制备的FTO透明导电物薄膜本身具有绒面结构。但是从太阳电池的制备工艺来看，FTO材料本身在工艺环境中并不稳定，特别是对于氢离子。另外，随着叠层太阳能电池的发展，FTO材料在红外端较强的光的吸收也是制约电池转换效率的重要因素。为此，在薄膜太阳电池应用方面，目前研究最多的另一种透明导电薄膜材料是ZnO基的TCO薄膜材料，此材料对于氢离子是稳定的，同时比FTO具有更好的光透过率。目前ZnO薄膜通常是利用溅射方法制备的，此种工艺下的薄膜的生长速度很慢，同时膜面不具有理想的绒面结构，通常是采用酸腐蚀的办法来形成绒面结构，这样就增加了设备的复杂性，降低了生产效率。
发明内容
本发明的目的是设计了一种具有较高的制备速度的多层膜结构，具有高的光透过率和后续工艺稳定性，同时又不使用湿法工艺，直接生成绒面结构，并提出了一种新的制备方法。
该多层膜结构以浮法玻璃为基板，膜系包含一个SiO2过渡层，包含一个FTO层和一个ZnO基的薄膜层。
所述的SiO2过渡层通过浮法玻璃的在线APCVD制备，沉积的温度为300℃～750℃，厚度在10纳米到100纳米之间，该缓冲层用来提升透明导电薄膜与玻璃之间附着力，而且起到阻挡玻璃中的Na离子向TCO薄膜扩散的作用。
所述的FTO层为氟掺杂SnO2薄膜，也是通过浮法玻璃在线APCVD制备，沉积的温度为300℃～750℃，厚度在10纳米到2000纳米之间。
所述的ZnO基薄膜层是通过溅射的方法来制备，衬底温度在20℃到500℃之间，掺杂的元素包括Al，Ga，Zr和其它可以用来掺杂元素中的一种或多种。ZnO薄膜的厚度为50纳米～800纳米.。
所述的溅射沉积设备至少包括进样室(loadlock chamber)和工艺室，进样室直接连接在浮法玻璃生产线的降温区，可以抽真空并对进入其中的玻璃样品加热；进样室根据溅射设备的沉积温度来选择浮法玻璃生产线降温区的接入位置，玻璃基板通过传送带直接送入溅射沉积设备的进样室，应保证进样室衬底温度和沉积需要的温度以及生产线接入处的温度一致，其温度范围从室温到350℃。
因为在线APCVD生长的FTO为绒面结构，因此在此膜面上利用溅射生长ZnO基氧化物薄膜后，膜面依然会保持较好的绒面结构，这样就利用溅射的办法直接生成了绒面结构的TCO薄膜，不需要酸的腐蚀来实现。
附图说明
图1为多层TCO薄膜结构示意图
图中，1-基板；2-SiO2过渡层；3-FTO层；4-ZnO基薄膜层。
图2为溅射设备和浮法玻璃生产线连接示意图
图中，1-浮法玻璃线及在线APCVD部分；2-浮法玻璃降温区及传送带；3-溅射设备部分；4-溅射设备的进样室；5-溅射设备的工艺室。
其中，图1为摘要附图。
具体实施方式
以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
下面结合附图对本发明进行说明。
实施例一
浮法玻璃在线APCVD方法依次制备SiO2薄膜和FTO薄膜，沉积的温度为600℃，SiO2膜层厚度为70纳米，FTO膜层厚度为500纳米，此种根据工艺的特点可知在线APCVD制备的FTO薄膜是具有绒面结构的薄膜，溅射设备的衬底温度为350摄氏度，浮法玻璃生产线降温区温度为350℃的区域直接和溅射设备的进样室连接(loadlock chamber)。浮法玻璃生产线的玻璃在被传送到此区域，即玻璃温度降到350℃时直接进入到溅射设备的进样室中，然后被传输进入溅射设备的工艺室中沉积Al掺杂的ZnO薄膜，使用的靶材为1wt％的Al掺杂的ZnO靶材。Al掺杂ZnO薄膜的厚度为100纳米。
实施例二
SiO2薄膜的制备与实施例一相同。FTO膜层同样采用在线APCVD设备来制备，厚度为300纳米，此种在线APCVD制备的FTO薄膜是具有绒面结构的薄膜，此时的溅射设备的衬底温度为200℃，浮法玻璃生产线降温区温度为200℃的区域直接和溅射设备的进样室(loadlock chamber)连接。浮法玻璃生产线的玻璃在被传送到此区域，即玻璃温度降到200℃时被直接传送到溅射设备的进样室中，随后被传输进入溅射设备的工艺室中沉积Ga掺杂的ZnO薄膜，使用的靶材为0.57wt％的Ga掺杂的ZnO靶材。Ga掺杂ZnO薄膜的厚度为300纳米。
实施例三
SiO2薄膜和FTO膜层的制备与实施例二相同，沉积温度同样为200℃，使用的靶材为0.8wt％的Zr掺杂的ZnO靶材，Zr掺杂ZnO薄膜的厚度为100纳米。

Claims (10)

1.一种用于薄膜太阳电池的新型多层透明导电膜结构，包括：基板(1)、SiO2过渡层(2)、FTO层(3)和ZnO基薄膜层(4)。
2.根据权利要求1所述的新型多层透明导电膜结构，其特征在于，SiO2过渡层(2)及FTO层(3)通过浮法玻璃的在线APCVD制备。
3.根据权利要求1所述的新型多层透明导电膜结构，其特征在于，SiO2过渡层(2)沉积的温度为300℃～750℃；FTO层(3)沉积的温度为300℃～750℃。
4.根据权利要求1所述的新型多层透明导电膜结构，其特征在于，SiO2过渡层(2)厚度在10纳米到100纳米之间；FTO层(3)厚度在10纳米到2000纳米之间；ZnO基薄膜层(4)的厚度为50纳米～800纳米。
5.根据权利要求1所述的新型多层透明导电膜结构，其特征在于，ZnO基薄膜层(4)通过溅射的方法制备。
6.根据权利要求1所述的新型多层透明导电膜结构，其特征在于，ZnO基薄膜层(4)衬底温度在20℃到500℃之间。
7.根据权利要求1所述的新型多层透明导电膜结构，其特征在于，ZnO基薄膜层(4)掺杂的元素为Al、Ga、Zr中的一种或多种。
8.根据权利要求1～7所述的任意一种新型多层透明导电膜结构的制备方法，其特征在于，溅射沉积设备至少包括进样室和工艺室。
9.根据权利要求8的制备方法，其特征在于，进样室直接连接在浮法玻璃生产线的降温区，可以抽真空并对进入其中的玻璃样品加热。
10.根据权利要求8的制备方法，其特征在于，进样室根据溅射设备的沉积温度来选择浮法玻璃生产线降温区的接入位置，玻璃基板通过传送带直接送入溅射沉积设备的进样室，应保证进样室衬底温度和沉积需要的温度以及生产线接入处的温度一致。
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