CN102881733A - 以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极及制备方法，所述的复合背电极是由依次生长在柔性聚合物衬底上的高阻残余拉应力金属Mo薄膜、低阻残余压应力金属Mo薄膜、低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜组成。所述的制备方法是通过改变磁控溅射参数来达到复合金属Mo背电极与柔性聚合物衬底附着性能好，入射光辐射的反射率高，同时避免了高能溅射引起的柔性聚合物衬底的失效，使金属Mo复合背电极的表面电阻满足薄膜太阳能电池的要求。

Description

以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体薄膜太阳能电池，具体是指一种生长在柔性聚合物衬底上的复合背电极及制备方法。

背景技术

在下层配置的半导体薄膜太阳能电池结构中，合理选择背接触层和背电极是减小背接触势垒，形成良好的欧姆接触，提高开路电压和填充因子的关键因数之一。以柔性碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池为例，对于背电极的选择要求主要考虑以下几个方面：（1）高功函数金属材料，这是背电极金属与CdTe薄膜形成欧姆接触的要求。因为p-CdTe材料的功函数约5.78eV，如果背电极金属材料的功函数过低，必然会在背接触处形成Schottky势垒，导致电池的开路电压和填充因子的迅速下降。（2）背电极金属薄膜与衬底材料有良好的附着性，同时与CdTe的热膨胀系数（5.9×10^-6K^-1）相近，保证在后续工艺中金属电极与p-CdTe吸收层之间不会开裂、鼓泡、分层和剥落等宏观失效发生。（3）良好的导电性能。（4）表面粗糙度小。

下层配置的柔性CdTe和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池一般选用金属Mo薄膜作为背电极，采用磁控溅射工艺。因为金属Mo的功函数4.6eV，高于通常的导电金属；虽然金属Cu的功函数4.65eV，高于金属Mo，但由于在后续工艺中易扩散进入CdTe吸收层、pn结和CdS窗口层，从而影响电池效率。金属Mo的热膨胀系数5.2×10^-6K^-1与CdTe材料相近。金属Mo薄膜和衬底的附着性、导电性和表面粗糙度显著依赖于制备条件。研究表明在磁控溅射工艺中，采用高的工作气压和低的溅射功率，则金属Mo薄膜残余拉应力和衬底的附着性良好，但是电阻率大，表面粗糙度大，不能满足薄膜太阳能电池金属背电极的要求。相反采用低的工作气压和高的溅射功率，则金属Mo薄膜残余压应力和衬底的附着性差，有开裂、鼓泡、分层和剥落等宏观失效发生，优点是电阻率小，表面粗糙度小，符合薄膜太阳能电池金属背电极的要求。在玻璃衬底和无应力钢作为衬底的下层配置的CdTe薄膜太阳能电池制备中，通常采用的工艺是将两者结合起来，先采用高的工作气压和低的溅射功率，生长一层高电阻拉应力膜，接着采用低的工作气压和高的溅射功率，生长一层低电阻压应力膜，高低阻双层薄膜金属Mo背电极满足玻璃衬底和无应力钢衬底半导体薄膜太阳能电池的要求。

相对于以聚合物为衬底的柔性电池，在实际制备中发现：如果选取高低阻双层薄膜金属Mo背电极的制备工艺，在上层低阻压应力金属Mo薄膜的制备中，如果溅射功率高和长时间溅射，会损伤聚合物衬底，甚至严重烧损，但是溅射功率和溅射时间是影响金属Mo背电极性能的重要工艺参数。因此，非常有必要开发一种以聚合物为衬底的金属Mo背电极，符合下层配置的CdTe薄膜太阳能电池或铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池的要求。

发明内容

本发明的目的就是要提出一种以柔性聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极及制备方法。

本发明的一种以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极，所述的薄膜太阳能电池为下层配置的CdTe薄膜太阳能电池或CIGS薄膜太阳能电池。所述的衬底为柔性聚合物材料。所述的复合背电极是由依次生长在柔性聚合物衬底上的高阻残余拉应力金属Mo薄膜、低阻残余压应力金属Mo薄膜、低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜组成。高阻残余拉应力金属Mo薄膜厚度为80～150nm，低阻残余压应力金属Mo薄膜厚度为500～700nm，低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜厚度为20～30nm。

本发明的一种以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极的制备方法，其步骤如下：

采用磁控溅射方法：

在柔性聚合物衬底上依次溅射80～150nm厚的高阻残余拉应力金属Mo薄膜、500～700nm厚的低阻残余压应力金属Mo薄膜、20～30nm厚的低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜。

高阻残余拉应力金属Mo薄膜溅射条件为：工作气体压强为1.3-1.0Pa，溅射功率密度0.7～1.2W/mm²。

低阻残余压应力金属Mo薄膜溅射条件为：工作气体压强为0.4-0.1Pa，溅射功率密度0.7～1.2W/mm²。

低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜溅射条件为：工作气体压强0.4-0.1Pa，溅射功率密度2～2.5W/mm²。

本发明的优点在于：

（1）三层膜复合结构解决了金属Mo薄膜和柔性聚合物衬底的应力匹配，附着性能好。

（2）低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜溅射时间短，避免了高能溅射引起的柔性聚合物衬底的失效。

（3）低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜层很薄，只有20～30nm，节省了材料使用量和能耗，减少了太阳能电池的能量返还期，明显降低了复合背电极的表面电阻。

（4）金属Mo三层膜复合结构提高了入射光辐射的反射率，高的反射率可以反射透过半导体吸收层的入射光辐射，增大入射光辐射在半导体吸收层的光程，可以减小吸收层厚度，节省材料用量，减少了太阳能电池的能量返还期。

附图说明

图1为本发明的复合背电极的结构示意图；

图2为本发明的实施例所述的一种在柔性聚合物衬底上生长的复合金属Mo薄膜背电极的实物图；

图3为本发明的实施例所述的一种在柔性聚合物衬底上生长的复合金属Mo薄膜背电极的实测反射光谱，“虚线”为本发明的金属Mo三层复合薄膜的反射光谱，“实线”为已有技术生长的金属Mo高低阻双层薄膜的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图，以一个具体的实施例详细说明本发明的结构特点和工艺过程。

本实施例采用磁控溅射法在柔性聚合物衬底1上依次溅射100nm厚的高阻残余拉应力金属Mo薄膜2、500nm厚的低阻残余压应力金属Mo薄膜3、25nm厚的低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜4。

采用的磁控溅射靶的规格：靶材为直径3英寸的圆形金属Mo靶，纯度大于99.95%，溅射靶表面和衬底表面的距离为100mm。溅射真空腔室本底真空约为10^-5Pa。

选用Kapton或者Uplex S系列耐高温聚酰亚胺薄膜作为柔性衬底。

高阻残余拉应力金属Mo薄膜2的磁控溅射生长工艺条件为：工作气体压强为1.0Pa，溅射功率50W，膜厚100nm。分析表明此条件下溅射生长的薄膜具有拉应力，与衬底的附着性能较好，不会产生开裂，剥落、分层等，表面电阻值在10Ω/sq左右，表面粗糙度较大。

低阻残余压应力金属Mo薄膜3的磁控溅射生长工艺条件为：工作气体压强为0.3Pa，溅射功率50W，膜厚500nm。分析表明此条件下溅射生长的金属Mo薄膜具有压应力，表面电阻值在1～3Ω/sq左右，表面粗糙度较小。

低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜4的磁控溅射生长工艺条件为：工作气体压强0.3Pa，溅射功率密度80W。分析表明此条件下溅射生长的金属Mo薄膜具有压应力，因为金属Mo薄膜4很薄，生长过程对金属Mo薄膜2、3整体的附着性能影响较小，表面电阻值在0.7～0.3Ω/sq左右，表面粗糙度较低，对光辐射的反射率得到明显提高，柔性聚合物衬底无损伤。

表1为金属Mo高低阻双层膜和金属Mo三层复合膜的表面电阻的比较。

如果要制备CdTe薄膜太阳能电池，则用CdTe薄膜太阳能电池制备工艺在金属Mo薄膜4上依次生长吸收层CdTe，窗口层CdS，上电极透明导电氧化物薄膜。

如果要制备CIGS薄膜太阳能电池，则用CIGS薄膜太阳能电池制备工艺在金属Mo薄膜4上依次生长吸收层CIGS，窗口层CdS，上电极透明导电氧化物薄膜。

表1

	厚度(nm)	表面电阻(Ω/sq)
			Mo高低阻双层膜	600	0.75619
Mo三层复合膜	630	0.693606

Claims (2)

1.一种以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极，所述的薄膜太阳能电池为下层配置的CdTe薄膜太阳能电池或铜铟镓硒薄膜太阳能电池，所述的衬底为柔性聚合物材料制成的衬底，其特征在于：

所述的复合背电极是由依次生长在柔性聚合物衬底（1）上的高阻残余拉应力金属Mo薄膜（2）、低阻残余压应力金属Mo薄膜（3）、低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜（4）组成；

高阻残余拉应力金属Mo薄膜厚度为80～150nm，低阻残余压应力金属Mo薄膜厚度为500～700nm，低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜厚度为20～30nm。

2.一种以聚合物为衬底的薄膜太阳能电池复合背电极的制备方法，其特征在于步骤如下：

采用磁控溅射方法，在柔性聚合物衬底上依次溅射80～150nm厚的高阻残余拉应力金属Mo薄膜、500～700nm厚的低阻残余压应力金属Mo薄膜、20～30nm厚的低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜；

高阻残余拉应力金属Mo薄膜溅射条件为：工作气体压强为1.3-1.0Pa，溅射功率密度0.7～1.2W/mm²；

低阻残余压应力金属Mo薄膜溅射条件为：工作气体压强为0.4-0.1Pa，溅射功率密度0.7～1.2W/mm²；

低阻高反射残余压应力金属Mo薄膜溅射条件为：工作气体压强0.4-0.1Pa，溅射功率密度2～2.5W/mm²。

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