CN102368513A

CN102368513A - 一种薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法

Info

Publication number: CN102368513A
Application number: CN2011103567212A
Authority: CN
Inventors: 贾海军; 冯燕; 张丽; 王辉; 麦耀华
Original assignee: Baoding Tianwei Group Co Ltd
Current assignee: Baoding Tianwei Group Co Ltd
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2031-11-11
Also published as: CN102368513B

Abstract

本发明涉及一种薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜制备方法，特别是适合薄膜太阳能电池应用的双结构绒面透明电极，属于透明导电氧化物薄膜技术领域。技术方案是：本发明提出首先对玻璃衬底进行处理获得绒面结构（绒面尺寸大小可调，例如较大尺寸的绒面），然后沉积TCO薄膜，此时薄膜具备与玻璃衬底相近的绒面结构，再通过湿法刻蚀获得另外一种尺寸的绒面织构（绒面尺寸大小可调，例如较小尺寸的绒面），从而获得双结构的绒面TCO薄膜，拓展TCO薄膜对不同波段光的散射能力，拓宽电池对太阳光谱的利用，提高薄膜电池的转换效率。

Description

一种薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，特别是适合薄膜太阳能电池应用的双结构绒面透明电极，属于透明导电氧化物薄膜技术领域。

背景技术

全球气候变暖、人类生态环境恶化、常规能源面临短缺危险的形势下，可持续发展战略已被世界各国所接受。太阳能具有清洁、安全、资源充足、可再生等优点，是二十一世纪最重要的新能源之一，受到了各国政府的重视和支持，光伏产业以连续五年近48％的速度向前发展，由此使得光伏市场急剧扩大，光伏产品供不应求。光伏产品种类繁多，以硅基电池、铜铟镓硒电池和碲化镉电池为主。硅基电池包括单晶硅、多晶硅和薄膜硅电池。其中，薄膜硅太阳能电池具有弱光响应好、高温效应好、受阴影影响小、年平均发电量高、能够与建筑物完美结合等优点，而且生产所需原材料丰富、原材料消耗少，能量回收期短、生产过程对环境影响小、适于大批量生产等，因此受到广泛关注。薄膜硅电池中的非晶硅薄膜电池，带隙为1.7eV，光谱响应范围集中在可见光波段，红外区域利用较少。为了提高光谱利用率、提高电池的转换效率，将具有不同能带宽度的材料重叠，可使电池具有更宽光谱范围内的吸收。以微晶硅为例，微晶硅材料带隙为1.12eV，对近红外光有较强的吸收和利用。通过将非晶硅和微晶硅结合，从而实现对可见光和红外光的吸收和利用。未来高效率电池将开发全光谱多结薄膜电池，拓宽对太阳光谱的充分利用。薄膜太阳电池作为一个光学系统，要提高其对太阳光的利用率从而提高转换效率，需要对电池组件各层光学薄膜进行合理设计。薄膜硅太阳能电池的基本结构一般包括：前电极透明导电氧化物（TCO）薄膜、硅薄膜光电转换层、背电极透明导电膜、背反射层等（图1所示）。其中，前电极透明导电薄膜需要具备高光学透过率、高电导率以及对入射光有较强的散射能力，从而提高电池对光的吸收，增大光生电流，提高电池转换效率。采用具有绒面织构的TCO薄膜作为薄膜硅太阳能电池的前电极，可以提高对入射光的散射能力（图2所示）、延长光在本征吸收层中的光程，从而提高电池对光的吸收。经验证明，具有较小特征尺寸的表面绒面织构主要对可见光谱中的400-700nm波段有较强的光散射作用。而具有较大特征尺寸的表面绒面织构（如1~2μm）对光谱中的近红外部分具有较强的光散射作用。要实现对整个光谱范围的有效吸收，将具有较小和较大两种绒面织构相结合是一种比较理想的选择。实现TCO薄膜的绒面织构的方法有很多。主要是采用两种方法，一种是采用沉积工艺直接生长出具有绒面织构的薄膜，另一种是采用沉积工艺获得平整的TCO薄膜再通过后处理（例如：湿法刻蚀）的方法来获得所需的绒面织构。采用LPCVD工艺，通常以DEZ和水为原材料沉积出ZnO薄膜，表面绒面织构在薄膜沉积过程中会自然形成，通常沉积的绒面织构的尺寸较小，可以实现对可见光的散射。通过调整工艺参数，例如延长沉积时间，可以获得较大的绒面尺寸，来增强对近红外光的散射。沉积加湿法刻蚀工艺中，利用磁控溅射可以获得平整的TCO薄膜，再通过后续湿法刻蚀来制备绒面ZnO薄膜，此方法可以通过调整沉积或刻蚀工艺参数获得不同的绒面尺寸，实现对不同波长光的散射。用上述两种方法，虽然通过调整工艺参数可以改变TCO薄膜绒面尺度的大小，但是很难使薄膜同时具备两种尺寸的绒面织构，即双结构，从而无法同时实现对可见光和近红外光的散射。因此，如何制备出双结构的绒面TCO薄膜，拓展TCO薄膜对不同波段光的散射能力，拓宽电池对太阳光谱的充分利用，是目前提高薄膜电池转换效率的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，拓宽电池对太阳光谱的利用，提高薄膜电池的转换效率，解决背景技术存在的上述问题。

本发明的技术方案是：一种薄膜电池的双结构绒面透明导电氧化物薄膜制备方法，包含如下工艺步骤：①利用等离子体刻蚀的方式对玻璃基片进行前处理轰击，在玻璃表面形成绒面，通过改变等离子体的气体电离电压、离子聚焦电压、等离子体束流以及等离子体轰击真空度，在玻璃衬底上刻蚀出绒面织构；②在绒面玻璃表面采用镀膜技术制备TCO透明导电薄膜，通过改变TCO沉积参数来获得不同结构及电学性能的TCO薄膜，此时TCO薄膜具有与玻璃衬底相似的绒面织构；③对玻璃表面的TCO薄膜进行湿法刻蚀，通过改变刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、TCO玻璃在溶液中运动的速率，获得相对应的绒面织构，该TCO薄膜表面刻蚀产生的绒面织构与玻璃衬底的绒面织构的特征尺寸范围不同时，使整个TCO薄膜具有双结构的绒面织构。

所说的刻蚀溶液是酸、碱、醇等；通过改变刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、TCO玻璃在溶液中运动的速率等工艺参数，可以获得具有所需形状和特征尺寸的绒面织构。

薄膜太阳能电池为硅基系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、铜铟镓硒系列薄膜电池或有机化合物材料薄膜电池等。

双结构绒面透明导电氧化物薄膜为氧化锌（ZnO）薄膜、硼（B）掺杂ZnO薄膜、铝（Al）掺杂ZnO薄膜、镓（Ga）掺杂ZnO薄膜、其他金属元素掺杂ZnO薄膜，也可以是金属元素掺杂的氧化锡薄膜等。

通过等离子体刻蚀的方式获得起伏绒面的玻璃衬底。

所采用的镀膜技术为低压化学气相沉积（LPCVD）技术、磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、旋涂技术等其他技术，所沉积的TCO薄膜具有与玻璃衬底相似的绒面织构。

在上述具有双结构的绒面TCO薄膜上制备薄膜电池，步骤如下：利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积非晶硅p-i-n或非晶硅p-i-n/微晶硅p-i-n叠层或多结p-i-n结构或CdTe或CIGS等光电转换层，利用磁控溅射或低压化学气相沉积或旋涂技术制备背电极ZnO或ZnO/Al或ZnO/Ag或Ag，通过电极焊接、引线封装等工艺后，获得薄膜电池。

本发明的积极效果：1）本发明中双结构绒面的特征尺寸，可通过单独改变等离子体的参数（例如：等离子体的气体电离电压、离子聚焦电压、等离子体束流以及等离子体轰击真空度等）或单独改变刻蚀工艺的参数（例如：刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、衬底运动速度等）或二者相结合的方式来获得，方便灵活。2）本发明的工艺中无论是等离子体的参数还是刻蚀工艺的参数均可以在较大的范围内进行调节，从而获得不同尺寸的双结构绒面，实现与不同种类薄膜太阳能电池相应光谱响应范围的匹配。3）本发明中的双结构的绒面TCO薄膜，拓宽了光散射的光谱范围，在此双结构的绒面TCO薄膜衬底上制备的薄膜电池提高了光吸收和利用率，从而可提高了太阳电池的转化效率。

附图说明

图1给出了薄膜太阳能电池结构示意图（以薄膜硅电池为例）；

图2 是TCO前电极及其陷光作用的示意图；

图3 是本发明具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例：

本发明提出的制备双结构绒面ZnO:Al透明导电薄膜的具体制造过程如下：

1、首先采用等离子体对玻璃基片进行轰击，调节等离子体的气体电离电压、离子聚焦电压、等离子体束流以及等离子体轰击真空度等参数，在玻璃表面形成绒面；

2、在上述绒面玻璃基片上采用磁控溅射或低压化学气相沉积或旋涂等方法制备ZnO:Al透明导电薄膜；

3、将制备好的ZnO:Al透明导电薄膜进行湿法刻蚀，调节刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、衬底运动速度等参数可以获得具有所需形状和特征尺寸的绒面织构。

本发明提出首先对玻璃衬底进行处理获得绒面结构（绒面尺寸大小可调，例如较大尺寸的绒面），然后沉积TCO薄膜，此时薄膜具备与玻璃衬底相近的绒面结构，再通过湿法刻蚀获得另外一种尺寸的绒面织构（绒面尺寸大小可调，例如较小尺寸的绒面），从而获得双结构的绒面，实现对全光谱光的散射，提高薄膜电池的转换效率。

Claims

1.一种薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于包含如下工艺步骤：①利用等离子体刻蚀的方式对玻璃基片进行前处理轰击，在玻璃表面形成绒面，通过改变等离子体的气体电离电压、离子聚焦电压、等离子体束流以及等离子体轰击真空度，在玻璃衬底上刻蚀出绒面织构；②在绒面玻璃表面采用镀膜技术制备TCO透明导电薄膜，通过改变TCO沉积参数来获得不同结构及电学性能的TCO薄膜，此时TCO薄膜具有与玻璃衬底相似的绒面织构；③对玻璃表面的TCO薄膜进行湿法刻蚀，通过改变刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、TCO玻璃在溶液中运动的速率，获得相对应的绒面织构，该TCO薄膜表面刻蚀产生的绒面织构与玻璃衬底的绒面织构的特征尺寸范围不同时，使整个TCO薄膜具有双结构的绒面织构。

2. 根据权利要求1所述之薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于所说的刻蚀溶液是酸、碱、醇。

3.根据权利要求1或2所述之薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于薄膜太阳能电池为硅基系列薄膜电池、碲化镉系列薄膜电池、铜铟镓硒系列薄膜电池或有机化合物材料薄膜电池。

4.根据权利要求1或2所述之薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于双结构绒面透明导电氧化物薄膜为氧化锌（ZnO）薄膜、硼（B）掺杂ZnO薄膜、铝（Al）掺杂ZnO薄膜、镓（Ga）掺杂ZnO薄膜、其他金属元素掺杂ZnO薄膜，也可以是金属元素掺杂的氧化锡薄膜等。

5.根据权利要求1或2所述之薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于通过等离子体刻蚀的方式获得起伏绒面的玻璃衬底。

6.根据权利要求1或2所述之薄膜电池双结构绒面透明导电氧化物薄膜的制备方法，其特征在于所采用的镀膜技术为低压化学气相沉积（LPCVD）技术、磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、旋涂技术等其他技术，所沉积的TCO薄膜具有与玻璃衬底相似的绒面织构。