CN103066161B - 一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺，是一种物理法沉积制备工艺。选取ZnO、TiO2、SiO2和MgF2四种减反射膜材料，采用Sub|MHLF|Air的四层膜系结构,Sub为玻璃、M为TiO2-ZnO复合膜层、H为TiO2膜层、L为SiO2膜层、F为MgF2膜层、Air为空气来进行宽带增透膜的制备。实现薄膜结构和厚度的可控生长。达到成品膜层致密、针孔少、附着力强，在350—1200nm波段平均透射率达96.8％的技术指标。

Description

一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺，属于光伏电池材料制备技术领域。

背景技术

目前，主流的太阳电池是硅电池，单片太阳电池一般不具备实用性，实际应用的多为太阳电池组件。太阳电池组件是由多片太阳电池组合而成，用以达到期望的电压值。在太阳电池板表面，通常需要装玻璃挡板作为保护。就玻璃的透光性而言，光的损失主要是吸收和反射两个方面。太阳电池转换效率损失原因之一在于表面玻璃挡板对入射太阳光存在10％左右的反射损失。为提高电池的光电转换效率，应减少电池表面光的反射损失，增加光的透射。因此减少表面阳光反射，是提高太阳电池转换效率的有效途径之一。目前主要采用两种方法：(1)是将电池表面腐蚀成绒面，增加光在电池表面的入射次数。(2)是在电池表面镀一层或多层光学性质匹配的减反射膜。

减反射膜(增透膜)是减少玻璃反射光损失的一种非常有效的方法，其方法是在空气、玻璃界面上涂覆透明的晶体膜，构成空气一晶体膜一玻璃三层介质，使空气一晶体膜和晶体膜一玻璃两处界面的反射光产生相消干涉。当膜层的折射率n₁小于玻璃基底折射率n₂ (约1.52)，只要薄膜光学厚度不是λ/2(λ为入射光波长)的整数倍，都有增透的作用，而且膜的折射率越小，反射率越小，增透效果就越好；当薄膜光学厚度为λ/4的奇数倍时，反射率达到最小值，此时若所镀膜层的折射率正好满足 ( n₀为空气折射率)，则反射率R=0，实现100％透射，但自然界中很难找到折射率如此低的物质。同时,就其光学性质、稳定性全面考虑，比较适用的材料并不很多。再加上现有的镀膜设备和工艺条件的限制，可供选择的材料较少。目前常用的减反射膜是低折射率的MgF₂单层膜；低折射率的SiO₂和高折射率TiO₂组成的TiO₂/ SiO₂双层薄膜。但单层膜和双层膜只对特定波长的光起到良好的增透作用,只能在较窄的光谱范围内起到有效的增透作用。而要在一个较大的波长范围内进行增透,必须采用两种或两种以上不同材料作为膜层材料，调节各层的厚度，通过镀多层增透膜的方法来达到宽带增透的作用。

减反射膜材料选择的条件需遵循：透明区间宽、吸收损耗小、可靠性高、应力匹配好、抗腐蚀性能强。膜系优化过程中主要考虑以下两点：①由于实际膜层制备过程中膜层厚度存在控制误差，为了减少误差的累积，总层数不能太多。②尽量使膜系中各层厚度保持均匀。过厚的膜层会产生较大的应力，影响牢固度，而过薄的膜层则不容易监控，导致膜层厚度误差很大，影响整个光谱响应。因此,减反射膜材料的选择、制备工艺及膜系的优化设计直接影响着太阳电池对入射光的反射率，对太阳电池效率的提高起着非常重要的作用。专利（申请号：200510061553.9）中采用在金属醇盐、乙醇和水的混合溶液中加入稀土氯化物和有机配体，经水解缩聚、陈化后的溶胶用提拉法或旋涂法在硅太阳能电池表面涂膜。此方法工艺中化学溶液在制备及后期处理中易造成污染，不利于环境友好的太阳电池的制备。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明的目的在于提供一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺，是一种物理法沉积制备工艺。选取ZnO 、TiO₂ 、SiO₂ 和MgF₂四种减反射膜材料，采用Sub|M H L F|Air的四层膜系结构Sub为玻璃、M为TiO₂-ZnO复合膜层、H为TiO₂膜层、L为SiO₂膜层、 F为MgF₂膜层、Air为空气来进行宽带增透膜的设计及制备。实现薄膜结构和厚度的可控生长。达到成品膜层致密、针孔少、附着力强，在350—1200 nm波段平均透射率达96.8％的技术指标。

具体包括：首先，在玻璃基底上采用脉冲反应磁控溅射在基底上沉积TiO₂-ZnO复合膜层；然后，依次采用脉冲反应磁控溅射层叠沉积TiO₂膜层、SiO₂膜层及MgF₂膜层；最后，将四层膜系结构的减反射薄膜样品放入退火炉内进行退火处理，得到多层减反射薄膜。

本发明的具体实施步骤为：

（1）以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，以钛靶和锌靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在玻璃基底上沉积TiO₂-ZnO复合膜层；

(2) 以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，以钛(Ti)靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在TiO₂-ZnO复合膜层上沉积TiO₂ 膜层；

（3）以纯度为99.999％的Ar作为溅射气体，以纯度为99.999％的SiO₂靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在TiO₂膜层上沉积SiO₂膜层；

（4）以纯度为99.999％的Ar作为溅射气体，以纯度为99.99％的MgF₂化合物单靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在SiO₂膜层上沉积MgF₂膜层；

（5）减反射薄膜样品退火处理：将沉积样品置于退火炉内，并充入流量40sccm的氮气，采用500^oC炉温退火5 min；

本发明与公知技术相比具有的优点及积极效果：

1．采用脉冲反应磁控溅射法层叠沉积操作简单方便、工艺参数容易控制、能大面积沉积，适合规模化生产；

2. 通过控制衬底温度、反应气体流量、溅射压强和功率, 能实现薄膜结构和厚度的可控生长。经实验测定，样品膜层致密、针孔少、附着力强，在350—1200 nm波段平均透射率达96.8％。

附图说明

图1为本发明提供的四层膜系结构的减反射膜制备工艺流程图。

图2为本发明提供的四层膜系结构的减反射薄膜沉积结构示意图。

具体实施方式

（1）将尺寸为30mm×50mm×1mm的K9玻璃作为基底，先用洗涤剂进行清洗，再依次采用丙酮、无水乙醇及去离子水各超声清洗15分钟,最后在密封干净的干燥箱中烘干；

（2）将洗净的玻璃基底放入溅射室内，溅射靶和基底的距离调整为10cm，然后将溅射室本底真空度抽至6×10^－4Pa；

（3）以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，将Ar和O₂比调至4：1，溅射室工作压强为1Pa，以钛靶和锌靶为靶材，钛靶和锌靶的功率均为50W，采用脉冲反应磁控溅射方式溅射40min，在基底上沉积TiO₂-ZnO复合膜层,厚为180nm；然后关闭锌靶溅射电源，将Ar和O₂比调至2：1，以钛靶为靶材，靶功率为50W，采用脉冲反应磁控溅射方式溅射30min，在TiO₂-ZnO复合膜层上沉积TiO₂ ,厚为40nm，得到TiO₂-ZnO∕TiO₂复合膜；

（4）将TiO₂-ZnO∕TiO₂复合膜放入溅射室内，溅射靶和基底的距离调整为10cm，将溅射室本底真空度抽至6×10^－4Pa；以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，将Ar和O₂比调至2：1，溅射室工作压强调至1Pa；以纯度为99.999％的SiO₂靶为靶材，靶功率为40W，然后采用脉冲反应磁控溅射方式溅射20min，在TiO₂-ZnO∕TiO₂复合膜层上沉积SiO₂膜层,厚为50nm，得到TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂复合膜；

（5）将TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂复合膜放入溅射室内，溅射靶和基底的距离调整为10cm，将溅射室本底真空度抽至6×10^－4Pa；以纯度为99.999％的Ar作为溅射气体，溅射室工作压强调至1Pa；以纯度为99.99％的MgF₂化合物单靶为靶材，靶功率为60W，然后采用脉冲反应磁控溅射方式溅射50min，在SiO₂膜层上沉积MgF₂膜层,厚为230nm，得到TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂∕MgF₂复合膜成品；

（6）减反射薄膜成品退火处理：将TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂∕MgF₂复合膜样品置于快速退火炉内，并充入流量为40sccm的氮气，采用500^oC炉温退火5min；

（7）取出复合膜样品自然冷却至室温，得到四层膜系结构的TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂∕MgF₂减反射膜。

Claims (2)

1.一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺，首先，在玻璃基底上采用脉冲反应磁控溅射在基底上沉积TiO₂-ZnO复合膜层；然后，依次采用脉冲反应磁控溅射层叠沉积TiO₂膜层、SiO₂膜层及MgF₂膜层；最后，将四层膜系结构的减反射薄膜样品放入退火炉内进行退火处理，得到多层减反射膜, 其特征在于:其按以下步骤实施,

（1）以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，以钛靶和锌靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在玻璃基底上沉积TiO₂-ZnO复合膜层；

(2) 以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，以钛(Ti)靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在TiO₂-ZnO复合膜层上沉积TiO₂ 膜层；

（3）以纯度为99.999％的Ar作为溅射气体，以纯度为99.999％的SiO₂靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在TiO₂膜层上沉积SiO₂膜层；

（4）以纯度为99.999％的Ar作为溅射气体，以纯度为99.99％的MgF₂化合物单靶为靶材，采用脉冲反应磁控溅射在SiO₂膜层上沉积MgF₂膜层；

（5）沉积完的减反射膜退火处理：将沉积品置于退火炉内，并充入流量40sccm的氮气，采用500^oC炉温退火5 min, 得复合减反射膜成品。

2.根据权利要求1所述的一种太阳电池复合减反射膜的制备工艺，其特征在于: 

（1）将尺寸为30mm×50mm×1mm的K9玻璃作为基底，先用洗涤剂进行清洗，再依次采用丙酮、无水乙醇及去离子水各超声清洗15分钟,最后在密封干净的干燥箱中烘干；

（2）将洗净的玻璃基底放入溅射室内，溅射靶和基底的距离调整为10cm，然后将溅射室本底真空度抽至6×10^－4Pa；

（3）以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，将Ar和O₂比调至4：1，溅射室工作压强为1Pa，以钛靶和锌靶为靶材，钛靶和锌靶的功率均为50W，采用脉冲反应磁控溅射方式溅射40min，在基底上沉积TiO₂-ZnO复合膜层,厚为180nm；然后关闭锌靶溅射电源，将Ar和O₂比调至2：1，以钛靶为靶材，靶功率为50W，采用脉冲反应磁控溅射方式溅射30min，在TiO₂-ZnO复合膜层上沉积TiO₂ ,厚为40nm，得到TiO₂-ZnO∕TiO₂复合膜；

（4）将TiO₂-ZnO∕TiO₂复合膜放入溅射室内，溅射靶和基底的距离调整为10cm，将溅射室本底真空度抽至6×10^－4Pa；以纯度为99.999％的Ar和O₂作为溅射气体和反应气体，将Ar和O₂比调至2：1，溅射室工作压强调至1Pa；以纯度为99.999％的SiO₂靶为靶材，靶功率为40W，然后采用脉冲反应磁控溅射方式溅射20min，在TiO₂-ZnO∕TiO₂复合膜层上沉积SiO₂膜层,厚为50nm，得到TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂复合膜；

（5）将TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂复合膜放入溅射室内，溅射靶和基底的距离调整为10cm，将溅射室本底真空度抽至6×10^－4Pa；以纯度为99.999％的Ar作为溅射气体，溅射室工作压强调至1Pa；以纯度为99.99％的MgF₂化合物单靶为靶材，靶功率为60W，然后采用脉冲反应磁控溅射方式溅射50min，在SiO₂膜层上沉积MgF₂膜层,厚为230nm，得到TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂∕MgF₂复合膜成品；

（6）减反射薄膜成品退火处理：将TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂∕MgF₂复合膜样品置于快速退火炉内，并充入流量为40sccm的氮气，采用500^oC炉温退火5min；

（7）取出复合膜样品自然冷却至室温，得到四层膜系结构的TiO₂-ZnO∕TiO₂∕SiO₂∕MgF₂减反射膜。