CN102945865A - 一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极 - Google Patents

Abstract

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极，由衬底、具有金字塔表面形貌ZnO层、金属银层和ZnO界面层组成薄膜叠层结构，所述具有金字塔表面形貌ZnO层为本征ZnO或掺杂Al、Ga、B、Mo、W的ZnO材料；其制备方法是：先在衬底上采用超声喷雾技术生长或金属有机物化学气相沉积技术制备具有的金字塔形貌的ZnO薄膜，然后依次银薄膜层和ZnO薄膜界面层。该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极，陷光效果好，可同时实现宽光谱、高绒度反射，光利用率高；其制备方法工艺简单、易于实施；作为背反射电极用薄膜太阳电池，比传统的基于绒度金属铝来实现绒度反射制备的相同条件的电池短路电流密度提高10%以上。

Description

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极

技术领域

本发明属于背反射电极制备工艺，特别是一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极。

背景技术

随着人类社会的高速发展，对能源的需求也日益加剧。光伏电池，通过半导体材料特有的光电转换效应，直接利用清洁、取之不尽、用之不竭的太阳能资源，为人类带来了在不污染环境的前提上解决能源问题的最好的解决途径。以单晶硅或者多晶硅硅片为代表的第一代太阳能电池已得到了超过24%的效率，成为目前光伏市场的主力军。但是由于这些太阳电池的生产成本主要来自材料的损耗，例如单晶硅、多晶硅硅片以及封装材料等，大幅度降低生产成本变得相当不容易，这很有可能会限制这种太阳电池的大规模使用。在降低材料消耗的强烈需求下，薄膜太阳电池应运而生，其中以碲化镉、铜铟镓硒以及薄膜非晶硅、微晶硅太阳电池为代表。薄膜太阳电池不需要昂贵的硅片，并且可以大面积沉积在廉价的玻璃、不锈钢、甚至塑料衬底上，所以被认为是一种非常有前途的产品。硅基薄膜太阳电池是薄膜太阳电池中最早被商业化生产的产品，其由地球上储备含量丰富、无毒的材料制造，而且可以在相当低的衬底温度下沉积，大大节省了生产过程中的能源消耗，所以被认为是一种有着良好发展前景的太阳能电池。

对于n-i-p型的硅薄膜太阳电池而言，背反射电极是其重要的组成部分，其绒度特性对电池的性能影响至关重要。良好的绒度特性可以提高光散射能力，增加入射光的光程。因此，具有高反射绒度特性的背反射电极可有效增强本征层的光学吸收，提高短路电流密度，从而提高电池效率，而且更为重要的是：此陷光的引入，可以减薄电池有源层的厚度，这对降低成本是非常重要的。当前薄膜电池中应用的背反射电极是基于绒度的金属银或铝来实现背反射电极的绒度特性，但由于其制备工艺的限制，其积分反射特性和绒度因子都小于100%。

发明内容

本发明目的是为克服现有技术的上述不足，提供一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极，该导电背反射电极能够实现良好的陷光效果，增加入射光在硅基薄膜电池中的光程，以达到提高光利用率、进而提高电池效率的目的，而且可同时实现宽光谱、高绒度反射，实现宽光谱太阳光的高效利用。

本发明的技术方案：

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极，由衬底、具有金字塔绒度形貌ZnO层、金属银层和ZnO界面层组成薄膜叠层结构，所述衬底为硬质衬底玻璃或不锈钢，或柔性衬底PEN、PET或PI；所述金字塔绒度形貌ZnO层为本征ZnO或掺杂ZnO材料ZnO：Al、ZnO：Ga、ZnO：B、ZnO：H、ZnO：Mo、ZnO：W中的一种，金字塔绒度形貌ZnO层的均方根粗糙度为50-300nm、厚度为1.0-10μm；银薄膜层的厚度为70-500nm；ZnO界面层的薄膜厚度为70-500nm。

一种所述基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，步骤如下：

1）在清洁的衬底上采用金属有机物化学气相沉积或超声喷雾技术生长具有金字塔绒度形貌ZnO薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔绒度形貌ZnO薄膜层上，采用蒸发、溅射、分子束外延或脉冲激光沉积方法再沉积一层银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用蒸发、溅射、分子束外延、金属有机物化学气相沉积、超声喷雾技术生长或脉冲激光沉积方法再沉积一层ZnO薄膜作为界面层。

一种所述基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的应用，作为背反射电极用于薄膜太阳电池，所述的薄膜太阳电池为非晶硅基、微晶硅基、纳米硅基薄膜太阳电池或多结叠层硅基薄膜太阳电池。

本发明的技术分析：

该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极，可以很大程度增加绒度陷光特性，具有很好的散射作用；然后再沉积一层金属银，可以实现良好的反射和导电特性；最后沉积一层ZnO薄膜作为界面层，可有效改善电池与背反射电极间的界面特性。

本发明的优点和积极效果：

该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极陷光效果好，可同时实现宽光谱、高绒度反射，光利用率高，在400-1100nm光谱范围内，反射绒度大于80%，其方块电阻小于1ohm/□；其制备方法工艺简单、易于实施；作为背反射电极用于nip型微晶硅（μc-Si）薄膜太阳电池（电池结构为glass/ZnO/Ag/ZnO/n-i-p(μc-Si:H)/ITO），比传统的基于绒度金属铝来实现绒度反射制备的相同条件的电池短路电流密度提高了10%以上。

附图说明

图1为该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极结构示意图。

图2为传统的基于绒度金属铝的导电背反射电极形貌图。

图3为该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极形貌图。

图4为该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极与传统的绒度金属铝的导电背反射电极应用于微晶硅电池前电极的外量子效率比较结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。

实施例1：

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，步骤如下：

1）在清洁的玻璃衬底上采用金属有机物化学气相沉积技术制备ZnO薄膜，加热温度为175°C，本底真空为5×10^-4Pa，氩气流量为55sccm，反应气压为1.2Torr，水蒸汽和氩气的气体流量为110sccm，二乙基锌和氩气的流量为180sccm，生长时间50min，得到厚度为3000nm的本征ZnO透明导电薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔结构表面形貌ZnO薄膜层上，采用蒸发法沉积一层厚度为160nm银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用磁控溅射法再沉积一层厚度为100nm的ZnO薄膜作为界面层。

检测结果表明：得到的宽光谱高绒度反射特性的导电背反射电极均方根粗糙度为132nm。反射绒度因子为90%。

图3为该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极形貌图，与图2传统的基于绒度金属铝的导电背反射电极形貌图比较，图中显示：本发明的宽光谱高绒度反射特性的导电背反射电极时，能够得到较大的绒面粗糙度和反射绒度因子。

图4为该基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极与传统的绒度金属铝的导电背反射电极应用于微晶硅电池前电极的外量子效率比较结果，测试结果表明：该导电背反射电极起到了很好的陷光效果，使得微晶硅电池具有较大的短路电流密度。

实施例2：

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，步骤如下：

1）在清洁的玻璃衬底上采用超声喷雾技术生长制备ZnO薄膜，以醋酸锌作为Zn源，将水和无水乙醇按照体积比1：3混合之后作为溶剂，将醋酸锌配置成0.2mol/L的溶液，同时加入10vol.%的冰乙酸，生长温度为470℃，压缩空气作为载气，生长时间200min，得到厚度约5000nm的本征ZnO透明导电薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔结构表面形貌ZnO薄膜层上，采用蒸发法沉积一层厚度为120nm银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用磁控溅射法再沉积一层厚度为100nm的ZnO薄膜作为界面层。

检测结果表明：得到的宽光谱高绒度反射特性的导电背反射电极均方根粗糙度为165nm。反射绒度因子为91%。

实施例3:

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，步骤如下：

1）在清洁的玻璃衬底上采用金属有机物化学气相沉积技术制备ZnO薄膜，加热温度为175°C，本底真空为5×10^-4Pa，氩气流量为55sccm，反应气压为1.0Torr，水蒸汽和氩气的气体流量为110sccm，二乙基锌和氩气的流量为180sccm，生长时间70min，得到厚度为5000nm的本征ZnO透明导电薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔结构表面形貌的ZnO薄膜层上，采用蒸发法沉积一层厚度为150nm银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用磁控溅射法再沉积一层厚度为100nm的ZnO薄膜作为界面层。

检测结果表明：得到的宽光谱高绒度反射特性的导电背反射电极均方根粗糙度为192nm，反射绒度因子为92%。

实施例4:

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，步骤如下：

1）在清洁的玻璃衬底上采用超声喷雾技术生长制备ZnO薄膜，以醋酸锌作为Zn源，将水和无水乙醇按照体积比1：3混合之后作为溶剂，将醋酸锌配置成0.2mol/L的溶液，同时加入10vol.%的冰乙酸，生长温度为470℃，压缩空气作为载气，生长时间120min，得到厚度约为3000nm的本征ZnO透明导电薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔结构表面形貌ZnO薄膜层上，采用蒸发法沉积一层厚度为300nm银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用磁控溅射法再沉积一层厚度为120nm的ZnO薄膜作为界面层。

检测结果表明：得到的宽光谱高绒度反射特性的导电背反射电极均方根粗糙度为127nm。反射绒度因子为85%。

实施例5:

一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，步骤如下：

1）在清洁的不锈钢衬底上采用超声喷雾技术生长制备ZnO薄膜，在清洁的玻璃衬底上采用超声喷雾技术生长制备ZnO薄膜，以醋酸锌作为Zn源，将水和无水乙醇按照体积比为1：3混合之后作为溶剂，将醋酸锌配置成0.2mol/L的溶液，同时加入10vol.%的冰乙酸，生长温度为470℃，压缩空气作为载气，生长时间100min，得到厚度约为2500nm的本征ZnO透明导电薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔结构表面形貌ZnO薄膜层上，采用蒸发法沉积一层厚度为300nm银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用磁控溅射法再沉积一层厚度为100nm的ZnO薄膜作为界面层。

检测结果表明：得到的宽光谱高绒度反射特性的导电背反射电极均方根粗糙度为100nm。反射绒度因子为85%。

将上述制备的高绒度反射的导电白色背反射电极，作为背反射电极用于非晶硅基、微晶硅基、纳米硅基薄膜太阳电池或多结叠层硅基薄膜太阳电池。由于宽光谱高绒度反射特性的导电白色背反射电极实现了宽光谱反射陷光，提高了电池的光吸收，改善了电池短路电流。检测结果表明：在400-1100nm光谱范围内，反射绒度大于80%，其方块电阻小于1ohm/□，与传统的基于绒度金属铝来实现绒度反射制备的反射电极相比，相同条件的电池短路电流密度提高了10%以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极，其特征在于：由衬底、具有金字塔形貌的ZnO层、金属银层和ZnO界面层组成薄膜叠层结构，所述衬底为硬质衬底玻璃或不锈钢，或柔性衬底PEN、PET或PI；所述具有金字塔形貌ZnO层为本征ZnO或掺杂ZnO材料ZnO：Al、ZnO：Ga、ZnO：B、ZnO：H、ZnO：Mo、ZnO：W中的一种，金字塔绒度形貌ZnO层的均方根粗糙度为50-300nm、厚度为0.5-4μm；银薄膜层的厚度为70-500nm；ZnO界面层的薄膜厚度为70-500nm。

2.一种如权利要求1所述基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的制备方法，其特征在于步骤如下：

1）在清洁的衬底上采用金属有机物化学气相沉积或超声喷雾技术生长具有金字塔绒度形貌ZnO薄膜；

2）在上述制备的具有金字塔绒度形貌ZnO薄膜层上，采用蒸发、溅射、分子束外延或脉冲激光沉积方法再沉积一层银薄膜层；

3）在上述银薄膜层上，采用蒸发、溅射、分子束外延、金属有机物化学气相沉积、超声喷雾技术生长或脉冲激光沉积方法再沉积一层ZnO薄膜作为界面层。

3.一种如权利要求1所述基于金字塔绒度形貌ZnO层的导电背反射电极的应用，其特征在于：作为背反射电极用于薄膜太阳电池，所述的薄膜太阳电池为非晶硅基、微晶硅基、纳米硅基薄膜太阳电池或多结叠层硅基薄膜太阳电池。

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