CN102034901A - 透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳电池，尤其涉及作为太阳电池的前电极的透明导电薄膜及其制备方法和应用。所述透明导电薄膜的制备方法包括下述步骤：在有氩气存在的压强为0.5～3Pa的气体环境中，在温度为200～300℃的预设有阻挡层的衬底上磁控溅射掺杂氧化锌，形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。本发明还提供由该制备方法得到的透明导电薄膜以及将该透明导电薄膜刻蚀得到的绒面透明导电薄膜。另外，本发明还涉及含有该绒面透明导电薄膜的复合结构以及太阳电池。本发明的透明导电薄膜经制绒，能得到雾度高的绒面，从而增加太阳光的吸收，提高太阳电池的光电转换效率。

Description

透明导电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池，尤其涉及作为太阳电池的前电极的透明导电薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，随着硅基薄膜太阳电池的广泛应用，针对作为其前电极的透明导电薄膜的研究也不断展开。ZnO透明导电薄膜因具有良好的低电阻率和高透过率等光电特性而被广泛用作硅基薄膜太阳电池的前电极。
中国专利申请CN1460728A涉及一种绒面氧化锌透明导电薄膜及其制备方法，其中公开了使用氧化锌铝(ZnO+Al2O3)靶材在玻璃衬底上磁控溅射形成绒面氧化锌透明导电薄膜的制备方法，由该方法得到的绒面氧化锌透明导电薄膜的总透过率为77.63％。
中国专利申请CN101572281A涉及制备具有掺镓氧化锌绒面的衬底的方法以及通过该方法制备的衬底。其中公开使用三氧化二镓浓度为2.5wt％的掺镓氧化锌作为溅射靶材在玻璃衬底上磁控溅射形成厚度为900nm的掺镓氧化锌膜，将该掺镓氧化锌膜刻蚀形成掺镓氧化锌绒面薄膜，并应用于非晶硅单结薄膜太阳电池，所得太阳电池的初始光电转换效率为8.78％。
如上所述，目前的透明导电薄膜的光透过率以及太阳电池的初始光电转换效率仍然不高，因此有必要进一步改良透明导电薄膜以提高初始光电转换效率。
发明内容
为解决目前太阳电池初始光电转换效率不高的问题，本发明人对制备太阳电池用透明导电薄膜的磁控溅射法进行了深入研究。已知在磁控溅射法中，温度和压强对薄膜光透过率、电阻率以及制绒雾度均产生影响。例如，温度太低或者压强太大时，薄膜制绒后的雾度较大，但是光透过率较低、电阻率较高。本发明人针对温度和压强对薄膜透过率、电阻率以及制绒雾度的影响进行了反复试验，并基于硅基薄膜太阳电池的需要，提出了一种透明导电薄膜的制备方法及利用该制备方法得到的透明导电薄膜，具体方案如下。
一种透明导电薄膜的制备方法，包括下述步骤(1)：
(1)在有氩气存在的压强为0.5～3Pa的气体环境中，在温度为200～300℃的预设有阻挡层的衬底上磁控溅射掺杂氧化锌，形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜，所述掺杂氧化锌为掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或铝镓共掺氧化锌，掺铝氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.5-2wt％；掺镓氧化锌时，三氧化二镓的掺杂浓度为1-5wt％；铝镓共掺氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.3-2wt％，三氧化二镓的掺杂浓度为0.5-5wt％。
在上述制备方法中，优选所述压强为0.8～1.5Pa，所述温度为260～290℃，掺铝氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.6-1.2wt％；掺镓氧化锌时，三氧化二镓的掺杂浓度为1.5-3wt％；铝镓共掺氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.3-1.2wt％，三氧化二镓的掺杂浓度为0.5-2wt％。
特别优选在压强为1Pa的氩气环境中，在260℃的预设有阻挡层的衬底上利用三氧化二铝的掺杂浓度为1％的掺铝氧化锌磁控溅射形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。
还特别优选在压强为1.1Pa的氩气环境中，在280℃的预设有阻挡层的衬底上利用三氧化二铝的掺杂浓度为1％的掺铝氧化锌磁控溅射形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。
还特别优选在压强为1Pa的氩气环境中，在280℃的预设有阻挡层的衬底上利用三氧化二铝的掺杂浓度为0.8％的掺铝氧化锌磁控溅射形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。
在本发明中，当温度低于200℃或者沉积压强高于3Pa时，形成的透明导电薄膜的光透过率降低，电阻率增大，从而导致薄膜缺陷增多。当温度高于300℃或者沉积压强低于0.5Pa时，透明导电薄膜制绒效果差，难以得到高雾度的绒面。而在本发明的沉积温度及压强的条件下，特别是在0.8～1.5Pa、260～290℃的条件下，能得到兼具高透过率和低电阻率的透明导电薄膜，并且该透明导电薄膜经制绒，能得到雾度高的绒面，从而增加太阳光的吸收，提高太阳电池的光电转换效率。
另外，掺杂浓度也影响薄膜的透过率和电阻率，并且对应于掺杂浓度的变化，透过率和电阻率的变化趋势相反。本发明人基于硅基薄膜太阳电池的应用要求，提出了上述掺杂浓度范围。当掺杂浓度低于下限时，会导致薄膜的载流子浓度降低，薄膜电阻率随之升高，从而影响薄膜的导电性能。相反，如果掺杂浓度高于上限时，透过率降低，尤其是长波段(780-1100nm)光的透过率降低明显。通过将掺杂浓度限定在本发明的范围内，能提高对光的透过率，尤其是提高对长波段光的透过率。由于硅基多结太阳电池对透过率要求较高，所以利用本发明的透明导电薄膜的制备方法得到的透明导电薄膜尤其适用于硅基多结太阳电池。
在上述步骤(1)中，所述有氩气存在的气体环境为纯氩气或以体积计0＜O2/Ar≤1/10的混合气体。所述衬底可以为玻璃、不锈钢或聚酰亚胺。所述玻璃可以是厚度为2-4mm的低铁超白玻璃。磁控溅射电源可以为直流电源、中频电源或射频电源。
另外，本发明还提供一种适用于硅基薄膜多结太阳电池的透明导电薄膜，所述透明导电薄膜是利用上述本发明的透明导电薄膜制备方法得到的，并且电阻率小于等于8×10-4Ω·cm，对波长为380-760nm的光的透过率大于等于81％，对波长为780-1100nm的光的透过率大于等于78％。
本发明的透明导电薄膜的制备方法还包括下述步骤(2)：
(2)将步骤(1)中得到的厚度为800～1200nm的透明导电薄膜进行刻蚀，得到厚度为500～800nm的绒面透明导电薄膜。所述刻蚀可以是干法刻蚀或湿法刻蚀。优选在温度为10～70℃、浓度为0.1～1wt％的刻蚀液中刻蚀20～100秒。所述刻蚀液可以为酸性刻蚀液，例如盐酸水溶液，也可以为碱性刻蚀液，例如氢氧化钠水溶液。
本发明还包括由该制备方法得到的绒面透明导电薄膜，其雾度大于等于35％，电阻率小于等于1×10-3Ω·cm，对波长为380-760nm的光的透过率大于等于81％，对波长为780-1100nm的光的透过率大于等于80％。
利用本发明的制备方法得到的透明导电薄膜经刻蚀后，光透过率高，电阻率低且雾度高，从而增强光的散射作用，改善陷光效果，提高太阳电池的效率，特别是应用于硅基多结太阳电池时，初始光电转换效率可达到11％以上。
本发明还涉及一种复合结构，在衬底上依次设置阻挡层和上述绒面透明导电薄膜。
另外，本发明还提供一种太阳电池，使用上述绒面透明导电薄膜作为前电极。
本发明的透明导电薄膜优选应用于硅基多结电池中。所述硅基多结电池包括非晶硅/非晶硅、非晶硅/非晶硅/微晶硅、非晶硅/微晶硅/微晶硅、非晶硅/非晶硅锗/微晶硅、非晶硅锗/微晶硅、非晶硅/微晶硅/微晶硅锗、非晶硅/非晶硅/非晶硅锗、非晶硅/非晶硅/微晶硅锗。
具体实施方式
下面列举本发明的具体实施方式，但本发明并不限于这些具体实施例。
需要说明的是，以下实施例中使用的磁控溅射仪为Leybold vacuum公司制UNIVEX 450B型。并且采用台阶仪(KLA公司制Tencor p-16+型)测定薄膜厚度，采用分光光度计(Perkin Elmer公司制lambda750型)测定薄膜的光透过率，采用四探针电阻测试仪(广州硅研半导体技术有限公司制RTS-9型)测定薄膜的电阻率。
另外，本发明中的雾度是指入射光的波长为380～760nm时，薄膜的分散透过率与总透过率的比值。
实施例1
利用半导体用清洗剂清洗作为衬底的3.2mm厚的低铁超白玻璃，去除衬底表面的有机污渍后用水冲洗干净，并进行干燥。可以在50℃-200℃温度范围内烘干或自然风干。加热衬底至150℃，当溅射室的真空度达到5×10-4Pa时，通入N2作为工作气体。在压强为0.6Pa、溅射功率密度为2.5W/cm2的条件下，以硅铝(Si+Al2O3，三氧化二铝的掺杂浓度为1wt％)靶材为原材料在衬底上进行磁控溅射，沉积20分钟，形成厚度为70nm的Si3N4层，作为阻挡层。
将沉积有上述阻挡层的衬底加热至200℃，通入氩气(Ar)作为工作气体，在压强为1Pa、溅射功率密度为4.5W/cm2的条件下，利用掺铝氧化锌(ZnO+Al2O3，Al2O3掺杂浓度为1wt％)靶材在阻挡层上磁控溅射40分钟，得到厚度为1000nm的透明导电薄膜。该薄膜对波长为380-760nm的光的透过率为81％，对波长为780-1100nm的光的透过率为78％，电阻率为8×10-4Ω·cm。
室温下将得到的透明导电薄膜在0.5％的盐酸水溶液中刻蚀30秒，得到绒面透明导电薄膜。该绒面透明导电薄膜对波长为380-760nm的光的透过率为81％，对波长为780-1100nm的光的透过率为80％，电阻率为10×10-4Ω·cm，雾度为45％。
使用实施例1中得到的绒面透明导电薄膜制备非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池，具体步骤如下：
利用射频(13.56MHz)等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)设备(Applied Materials公司制P5000型)在上述绒面透明导电薄膜上依次沉积厚度为350nm的非晶硅层、厚度为1800nm的微晶硅层，从而制备得到太阳电池。用太阳模拟器(Newport公司制92193A型)，在AM1.5、25℃的环境下测试薄膜太阳电池的I-V特性。
实施例2～20、比较例1～12
在实施例2～20、比较例1～12中，首先与实施例1相同地形成厚度为70nm的Si3N4层作为阻挡层。然后在表1所示的磁控溅射条件下，在形成有Si3N4层的衬底上溅射沉积透明导电薄膜。所得透明导电薄膜的厚度及性质示于表2。在表3所示的刻蚀条件下对透明导电薄膜进行刻蚀，得到绒面透明导电薄膜。该绒面透明导电薄膜的厚度和性质示于表4。
利用实施例2～20、比较例1～12得到的绒面透明导电薄膜与实施例1相同地制备非晶硅/微晶硅薄膜太阳电池，其初始光电转换效率示于表4。
表1
Figure BSA00000329455100061
Figure BSA00000329455100071
表2
Figure BSA00000329455100072
表3
Figure BSA00000329455100081
表4
Figure BSA00000329455100091
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的构思和范围。因此，如果本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括下述步骤(1)：
(1)在有氩气存在的压强为0.5～3Pa的气体环境中，在温度为200～300℃的预设有阻挡层的衬底上磁控溅射掺杂氧化锌，形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜，所述掺杂氧化锌为掺铝氧化锌、掺镓氧化锌或铝镓共掺氧化锌，掺铝氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.5-2wt％；掺镓氧化锌时，三氧化二镓的掺杂浓度为1-5wt％；铝镓共掺氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.3-2wt％，三氧化二镓的掺杂浓度为0.5-5wt％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述压强为0.8～1.5Pa，所述温度为260～290℃，掺铝氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.6-1.2wt％；掺镓氧化锌时，三氧化二镓的掺杂浓度为1.5-3wt％；铝镓共掺氧化锌时，三氧化二铝的掺杂浓度为0.3-1.2wt％，三氧化二镓的掺杂浓度为0.5-2wt％。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)如下：
(1)在压强为1Pa的氩气环境中，在260℃的预设有阻挡层的衬底上利用三氧化二铝的掺杂浓度为1％的掺铝氧化锌磁控溅射形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)如下：
(1)在压强为1.1Pa的氩气环境中，在280℃的预设有阻挡层的衬底上利用三氧化二铝的掺杂浓度为1％的掺铝氧化锌磁控溅射形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)如下：
(1)在压强为1Pa的氩气环境中，在280℃的预设有阻挡层的衬底上利用三氧化二铝的掺杂浓度为0.8％的掺铝氧化锌磁控溅射形成厚度为800～1200nm的透明导电薄膜。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的制备方法，其特征在于，还包括下述步骤(2)：
(2)将步骤(1)中得到的厚度为800～1200nm的透明导电薄膜进行刻蚀，得到厚度为500～800nm的绒面透明导电薄膜。
7.利用权利要求1～5中任一项所述的制备方法得到的透明导电薄膜，其特征在于，电阻率小于等于8×10-4Ω·cm，对波长为380-760nm的光的透过率大于等于81％，对波长为780-1100nm的光的透过率大于等于78％。
8.利用权利要求6所述的制备方法得到的绒面透明导电薄膜，其特征在于，雾度大于等于35％，电阻率小于等于1×10-3Ω·cm，对波长为380-760nm的光的透过率大于等于81％，对波长为780-1100nm的光的透过率大于等于80％。
9.一种复合结构，其特征在于，在衬底上依次设置阻挡层和权利要求8所述的绒面透明导电薄膜。
10.一种太阳电池，其特征在于，使用权利要求8所述的绒面透明导电薄膜作为前电极。
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