CN102790109A - 一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜及其制备方法 - Google Patents

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杨立红
马小凤
明静
左少华
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石富文
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Abstract

本发明公开了一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜，其特征在于：该背保护薄膜由单层钼钽合金组成。该背保护薄膜制备方法的特征是：在不锈钢基底的背面，采用磁控溅射技术通过对钼钽合金靶材进行溅射沉积，获得一定厚度的单层钼钽合金薄膜。该背保护薄膜对不锈钢基底具有优异的附着力、防潮、防腐蚀性能与抗硒化、硫化或氯化性能，而且具有足够低的电阻率特性。该背保护薄膜材料结构简单，工艺操作简便，适合工业化生产。该背保护薄膜特别适用于不锈钢充当电池背电极的不锈钢基薄膜太阳电池的背保护。

Description

一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢基薄膜太阳电池，特别是指用于不锈钢充当薄膜太阳电池背电极的不锈钢基薄膜太阳电池背保护薄膜及其制备方法。
技术背景
太阳能发电是近年来发展非常迅速的清洁能源技术之一。学术界和产业界普遍认为太阳能电池的发展已经进入了第三代。第一代为单晶硅太阳能电池，第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，第三代太阳能电池就是铜铟镓硒（CIGS）、碲化镉（CdTe）等化合物薄膜太阳能电池及Si系薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池，其材料使用量少，更容易降低成本，同时它既是一种高效能源产品，又是一种新型建筑材料，更容易与建筑完美结合。目前在技术上已经能够进行产业化大规模生产。在国际市场硅原材料持续紧张的背景下，薄膜太阳电池已成为国际光伏市场发展的新趋势和新热点。
传统的薄膜太阳能电池通常采用玻璃基底，在玻璃基底上更容易实现较高的太阳能电池效率。但相对于玻璃基底而言，不锈钢作为柔性基底拥有多方面优势。首先它可以承受大于600℃高温，为薄膜太阳能电池在高温下制备提供可能，而有研究表明有时高温下制备出的吸收材料性能更好，并且不锈钢能够很好地满足吸收层材料和电池背电极之间的热膨胀匹配。其次不锈钢为柔性、重量轻，可用于空间应用以及不平整的光伏建筑一体化（BIPV）应用。另外不锈钢价格低廉而玻璃基太阳电池的很大成本是花在玻璃基底和封装玻璃上的，且不锈钢可实现卷对卷生产工艺，使得最终生产成本降低。最后不锈钢基薄膜太阳电池的能量回收时间短。以上这些因素使得不锈钢基板近几年来受到光伏行业的极大青睐。但是不锈钢作为薄膜太阳能电池基底也存在着一些问题。不锈钢中的Fe、Mn等元素受热后会从不锈钢中通过背电极扩散进太阳电池的吸收层，从而降低太阳电池的性能。解决该问题的相应技术措施为，在不锈钢基底上先沉积制备一层扩散势垒层从而阻止Fe、Mn等元素从不锈钢基底向吸收层扩散。可充当扩散势垒层的材料有SiOx、Al2O3、Cr等薄膜。另外，当太阳电池基底为不锈钢时，若采用单片集成组件工艺，必须将基底上各个小电池之间进行绝缘并做串联链接。这将涉及到不锈钢基底上绝缘介质层的制备与分离相邻小电池所需的三道刻膜工序(即通过激光划线和机械划线实现多层薄膜内部级联）。这对简化工艺极为不利，而且刻膜工序的复杂性也将导致生产中太阳电池不良率的增加。若将不锈钢基底作为太阳电池背电极的一部分而进行相邻电池之间正负极直接串联或并联链接（即单片合成技术），则可避免上述的绝缘层制备和刻膜工艺过程。但这类电池在制备（尤其是硒化/硫化或CdCl2退火工艺）及实际应用过程中，不锈钢基底背面需要采取保护措施，以防止受到潮湿、腐蚀、硒化（硫化或者氯化）而引起不锈钢的电阻增大甚至断路。作为背电极的一部分，该背保护材料同时要具有足够低的电阻率，以保持背电极的低串联电阻特性。
发明内容
基于上述不锈钢基底作为薄膜太阳电池背电极的电池结构特点，本发明的目的是提出一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜及其制备方法。该背保护薄膜需要同时满足对不锈钢基底具有强附着力、防潮、抗腐蚀、抗硒化等性能以及保持其低电阻特性。
本发明的一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜由钼钽合金组成，其中钽元素的原子含量比例范围为4-12％，薄膜厚度为200-600nm。
所说的薄膜太阳电池为铜铟硒系薄膜电池、碲化镉薄膜电池或硅系薄膜电池。
一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜的制备方法，其步骤如下：
不锈钢基底的清洗：
首先将不锈钢基底放入由碱液、丙酮和乙醇，配比为2：1：2，浓度为50％的混合液中清洗，然后再用去离子水冲洗干净，并用高纯N2气吹干。
背保护薄膜的制备：
首先将上述高纯N2气吹干后的不锈钢基底和钼钽合金靶材放入射频磁控溅射设备的真空室中，待本底真空抽到低于4×10-4Pa时，冲入高纯Ar气充当工作气体，且工作气压PAr保持在0.35-0.60Pa范围内；
磁控溅射参数范围设定：溅射功率保持在80-150w范围内，溅射温度保持在20-200℃范围内，靶材与基底之间的间距保持在5-10cm范围内，溅射时间根据薄膜厚度要求而定；
所说的钼钽合金靶材纯度不低于99.97％，其中钽元素所占的原子含量比例范围为4-12％。
本发明的优点在于：该背保护薄膜对不锈钢具有强附着力、优异的防潮、防腐蚀和抗硒化（硫化或氯化）性能，且保持其足够低的电阻率特性。该背保护薄膜材料结构简单，工艺操作简便，适合工业化生产。
附图说明
图1为具有本发明背保护薄膜的不锈钢基薄膜太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
图1为具有本发明背保护薄膜的不锈钢基薄膜太阳电池结构示意图，该薄膜太阳电池依次由背保护薄膜1，不锈钢基底2，扩散势垒层C r膜层3（添加该层作为不锈钢的防扩散层），金属电极层4，PN结或PIN层5和透明电极层6组成。其中背保护薄膜1，不锈钢基底2，Cr膜层3和金属电极层4构成一复合背电极。
本发明的背保护薄膜1由钼钽合金组成，其中钽元素的原子含量比例范围为4-12％，薄膜厚度为200-600nm。
本发明的不锈钢基薄膜太阳电池背保护薄膜的制备工艺如下：
不锈钢基底的清洗：
首先将不锈钢基底放入由碱液、丙酮和乙醇，配比为2：1：2，浓度为50％的混合液中清洗，然后再用去离子水冲洗干净，并用高纯N2气吹干。
背保护薄膜的制备：
首先将上述高纯N2气吹干后的不锈钢基底和钼钽合金靶材放入射频磁控溅射设备的真空室中，待本底真空抽到低于4×10-4Pa时，冲入高纯Ar气充当工作气体，且工作气压PAr保持在0.4Pa；
磁控溅射参数设定：溅射功率为140w，溅射温度为室温状态，靶材与基底之间的间距为8cm，溅射时间为14分钟。
最后经测量所制备的钼钽合金薄膜厚度为350nm，其电阻率为17.4μΩ·cm，其中钽元素在合金薄膜中的原子含量为6.0％（与钼钽合金靶材中钽元素含量保持一致），达到本发明的目的。

Claims (2)

1.一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜，其特征在于：该背保护薄膜由钼钽合金组成，其中钽元素的原子含量比例范围为4-12％，薄膜厚度为200-600nm。
2.一种不锈钢基薄膜太阳电池的背保护薄膜的制备方法，其步骤如下：
A．不锈钢基底的清洗：
首先将不锈钢基底放入由碱液、丙酮和乙醇，配比为2：1：2，浓度为50％的混合液中清洗，然后再用去离子水冲洗干净，并用高纯N2气吹干；
B．背保护薄膜的制备：
首先将上述高纯N2气吹干后的不锈钢基底和钼钽合金靶材放入射频磁控溅射设备的真空室中，待本底真空抽到低于4×10-4Pa时，冲入高纯Ar气充当工作气体，且工作气压PAr保持在0.35-0.60Pa范围内；
磁控溅射参数范围设定：溅射功率保持在80-150w范围内，溅射温度保持在20-200℃范围内，靶材与基底之间的间距保持在5-10cm范围内，溅射时间根据薄膜厚度要求而定；
所说的钼钽合金靶材，其中钽元素的原子含量比例范围为4-12％。
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