CN103280466A - 基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极 - Google Patents
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Abstract
一种基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，由衬底、对长波光陷光作用显著的大绒面结构的AlOx薄膜、对太阳光具有宽谱域高反射特性的Ag薄膜和介质层ZnO薄膜组成并形成叠层结构，其制备方法是：将清洗处理后的衬底放入沉积系统中，依次沉积AlOx薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜，制得基于AlOx/Ag/ZnO结构的复合背电极。本发明的优点是：该结构的复合背电极既有由于大绒面结构AlOx薄膜带来的高绒度特征，同时也具有Ag薄膜的高反射特性，可显著提高光在太阳电池中的利用率和转换效率；该复合背电极可广泛用于基于非晶硅、非晶硅锗、微晶硅、微晶硅锗、纳米硅等材料的单结和多结叠层太阳电池。
Description
技术领域
本发明涉及硅基薄膜太阳电池及其制备，特别是一种基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极。
背景技术
硅基薄膜太阳电池中，非晶硅（a-Si:H）薄膜太阳电池特别是以非晶硅为基础的非晶硅/微晶硅叠层太阳电池因在降低成本实现大面积生产上具有很大的空间而备受光伏产业界的青睐。
硅基薄膜太阳电池分为两种结构，光从透明衬底入射则为PIN结构，衬底只作为依托则为NIP结构。PIN型太阳电池必须沉积在透明的衬底上，而NIP型太阳电池对衬底透光性没有要求，因而有更宽的选择范围，不锈钢箔、聚酰亚胺、PET薄膜和玻璃等均可以用作衬底。特别是沉积在不锈钢箔、聚酰亚胺和PET薄膜等柔性衬底上的NIP型电池在应用上具有如下优势：1、重量轻、可卷曲，携带方便，在军事和民用等多个领域都有较好的前景；2、便于采用卷到卷（roll-to-roll）沉积工艺，利于连续化大面积生产；3、易与建筑一体化，能够将美学和发电结合，符合自然环保的理念，在城市建筑中有独特的优势。
在太阳电池，特别是薄膜太阳电池中，陷光结构对于太阳电池性能的提高具有非常重要的作用。PIN型硅薄膜太阳电池的陷光结构包含两个部分，采用绒面透明导电前电极TCO对光的散射增加有效光程，用Ag/ZnO或Al/ZnO复合背电极的反射提高光的再次利用率；而在NIP型硅薄膜太阳电池中，前电极ITO很难形成绒面结构，只有依赖背电极的陷光作用。所以，背电极对于NIP型硅薄膜太阳电池性能的提高尤为重要。对于背反射电极，不仅要求其具有较好的导电性和反射特性，还要有较好的绒面，以提高光的散射，增加光的光程，从而使太阳电池转换效率得到提升。绒面背反射电极的使用可以明显减少入射光的干涉现象，增加太阳电池对太阳光的响应。
用于硅基薄膜NIP太阳电池的背电极通常有金属薄膜和透明导电薄膜组成，比如Al/ZnO、Ag/ZnO等。由于金属背电极的表面形貌、反射率等性能直接影响后续的ZnO的性能，从而影响整个复合背电极的性能，所以在此结构中，金属背电极的性能至关重要。由于金属Ag具有良好的导电性和对太阳光宽谱域的高反射特性，很好的符合硅基薄膜电池电极的要求，但是Ag一般较难以形成大的绒面结构，且Ag的价格相对比较昂贵。金属Al对太阳光的反射率相对Ag较低，但是Al容易形成大的绒面结构，特别是部分氧化后形成的AlOx绒面结构还可以进一步增大，且价格相对Ag便宜很多。因此，可以利用Al薄膜的大绒面结构和Ag薄膜对太阳光宽谱域的高反射，制备得到Al/Ag/ZnO复合背电极。但是在Al薄膜上继续制备Ag薄膜过程中，两者很容易发生合金化，形成AlxAg1-x结构，反射率反而更低。
发明内容
本发明目的是克服现有技术的上述不足，提供了一种基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，该结构背电极能够增大太阳光在太阳电池中的有效光程，提高光的利用效率，提高太阳电池的转换效率。
本发明的技术方案：
一种基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，由衬底、AlOx薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜组成并形成叠层结构，所述AlOx薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构，AlOx中x为0＜x＜1.5，其表面颗粒尺寸为100-2000nm、表面均方根粗糙度为50-200nm；所述金属Ag薄膜具有对太阳光具有宽谱域高反射特性，其表面颗粒尺寸为10-200nm、表面均方根粗糙度为10-60nm；所述ZnO薄膜的厚度为100-2000nm。
所述衬底为不锈钢、聚酰亚胺或PET柔性衬底，也可为玻璃钢性衬底。
所述介质层ZnO薄膜为不掺杂的ZnO和掺杂氧化锌ZnO:B、ZnO:Al、ZnO:Ga中的一种。
一种所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极的制备方法，步骤如下：将清洗处理后的衬底放入沉积系统中，依次沉积AlOx薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜，制得基于AlOx/Ag/ZnO结构的复合背电极，沉积方法为直流溅射、射频溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、电子束蒸发、有机化学气相沉积和超声喷雾方法中的一种或多种的组合，其中AlOx薄膜的制备时向反应腔室内通入氩气和氧气，Ag薄膜和介质层ZnO薄膜的制备向反应腔室内仅通入氩气。
一种所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极的应用，用于制备NIP型a-SiGe:H单结硅基薄膜太阳电池，包括非晶硅薄膜太阳电池、非晶硅锗薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、微晶硅锗薄膜太阳电池或纳米硅薄膜太阳电池，也可为上述由上述单结硅基薄膜太阳电池组合成的多结叠层太阳电池。
本发明有益效果是：金属Al部分氧化后形成的大绒面结构AlOx，可增强太阳光的散射能力，特别是对吸收系数较小的长波光的散射，提高其有效光程；金属Ag薄膜对太阳光具有宽谱域的高反射特性，可以增强太阳光的反射能力，对400-1200纳米范围内的光反射率超过90%，提高太阳光利用率；与Ag/ZnO背电极制备的a-SiGe:H电池相比，长波段量子效率显著提高，短路电流密度提高超过10%。
附图说明
图1为本发明中AlOx/Ag/ZnO背电极结构示意图。
图中：1.衬底 2.AlOx薄膜 3.Ag薄膜 4.介质层ZnO薄膜
图2为不同薄膜表面形貌和相应的均方根粗糙度AFM图，其中（a）为的AlOx/Ag双层膜，（b）为Ag单层膜，（c）为AlOx薄膜。
图3为AlOx/Ag双层膜、Ag单层膜和AlOx薄膜的总反射、散射及反射绒度，其中：（a）为总反射、散射，（b）为反射绒度。
图4为不同背电极制备的a-SiGe:H太阳电池的量子效率。
图5为不同背电极制备的a-SiGe:H太阳电池的J-V曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。
实施例：
一种基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，由衬底1、AlOx薄膜2、Ag薄膜3和介质层ZnO薄膜4组成并形成叠层结构，所述AlOx薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构，AlOx中x为0＜x＜1.5，并由沉积AlOx薄膜过程中通入氧气的量决定x值。其表面颗粒尺寸约为1200nm、表面均方根粗糙度为87.4nm；所述金属Ag薄膜具有对太阳光具有宽谱域高反射特性，其表面颗粒尺寸为150nm、表面均方根粗糙度为24.3nm；所述ZnO薄膜的厚度为120nm。
一种所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极的制备方法，步骤如下：
1）将清洗干净的不锈钢衬底放入磁控溅射沉积设备中，用分子泵组抽本底真空小于2×10-4Pa，衬底在400℃下加热1个小时，通入39sccm的氩气和1sccm的氧气，反应腔室压强为4mTorr，在功率100W条件下沉积10分钟，得到AlOx薄膜；
2）腔室抽到本底真空小于2×10-4Pa，衬底温度250℃，仅通入40sccm的氩气，反应腔室压强为4mTorr，在功率100W条件下沉积5分钟，沉积Ag薄膜。
上述方法制得的AlOx/Ag薄膜，其AFM测得的表面形貌如图2（a）所示，其总反射、散射及反射绒度的结果如图3（a）、（b）所示。
作为比较，实验制备了单层Ag薄膜，相应的制备条件为：衬底温度250℃，氩气流量40sccm，反应腔室压强为4mTorr，功率100W。其AFM测得的表面形貌如图2（b）所示，其反射、散射及反射绒度的结果如图3所示。
作为比较，实验制备了单层AlOx薄膜，相应的制备条件为：衬底温度400℃，氩气流量39sccm，氧气流量1sccm，反应腔室压强为4mTorr，功率100W。其AFM测得的表面形貌如图2（c）所示，其总反射、散射及反射绒度的结果如图3（a）、（b）所示。
从图2（a）、图2（b）和图2（c）可以看出：单层AlOx薄膜的RMS值达87.4nm，且表面颗粒尺寸较大；单层Ag薄膜RMS只有24.3nm，且表面颗粒尺寸很小，这中平整的表面有利于获得很高的反射率；两者组合后形成的AlOx/Ag薄膜RMS为70nm，正好介于两者之间，且表面形貌为大尺寸的颗粒中间隔着小尺寸的颗粒。
从图3（a）、（b）可以看出：在400-1200nm的范围内，单层Ag薄膜反射率很高，而AlOx薄膜的反射率偏低，AlOx/Ag薄膜的反射率远高于AlOx薄膜，接近Ag薄膜反射率。而反射绒度结果表明：AlOx/Ag薄膜的绒度远高于Ag薄膜，与AlOx薄膜绒度相近。上述实验结果表明：本发明提供的AlOx/Ag薄膜同时兼顾了AlOx薄膜的高绒度和Ag薄膜的高反射率。
3）沉积AlOx/Ag薄膜后，将腔室抽到本底真空小于2×10-4Pa，衬底温度300℃，仅通入40sccm的氩气，反应腔室压强为1mTorr，采用质量掺杂2%的掺铝ZnO陶瓷靶，在功率300W条件下沉积厚度为120nm的ZnO:Al薄膜，制得AlOx/Ag/ZnO复合背电极。
对比实验：
Ag/ZnO复合背电极的制备：
将清洗干净的衬底S放入磁控溅射沉积设备中，用分子泵组抽本底真空小于2×10-4Pa，衬底在250℃下加热1个小时；通入40sccm的氩气，反应腔室压强为4mTorr，在功率100W下沉积Ag薄膜；停止沉积，腔室抽到本底真空，衬底温度300℃，仅通入40sccm的氩气，反应腔室压强为1mTorr，采用质量掺杂2%的掺铝ZnO陶瓷靶，在功率300W条件下沉积厚度为120nm的ZnO:Al薄膜，制备得到Ag/ZnO复合背电极。
用于制备NIP型a-SiGe:H单结硅基薄膜太阳电池的对比实验：
将上述制备的AlOx/Ag/ZnO背电极和Ag/ZnO复合背电极放入到PECVD沉积设备中，样品衬底温度为250℃，本底真空低于5×10-5Pa，首先通入PH3、SiH4和H2制备N型非晶硅，然后通入GeH4、Si2H6和H2制备本征型非晶硅锗，再次通入B2H6、SiH4和H2制备p型纳米硅窗口层；最后把上述样品放入到热蒸发设备中，依次制备透明导电前电极ITO和栅电极Al。
上述两种背电极上a-SiGe:H太阳电池的量子效率如图4所示，J-V结果如图5所示。可以看出：同样沉积条件的a-SiGe:H太阳电池，AlOx/Ag/ZnO背电极上的量子效率在长波段600-900nm范围内比Ag/ZnO背电极有明显的提升，其中Ag/ZnO背电极800nm处的量子效率14.1%，而AlOx/Ag/ZnO背电极则提高到23.2%。两组电池的J-V结果表明：两者的开路电压基本一致，AlOx/Ag/ZnO背电极时填充因子略有降低，但是电池的短路电流密度变化非常显著。Ag/ZnO背电极电流密度为16.5mA/cm2，而采用AlOx/Ag/ZnO背电极则达到18.6mA/cm2，相对提高11.3%，电池整体转换效率相对提高7.1%。
值得关注的是，本发明首先通过金属Al部分氧化后形成的大绒面结构AlOx，可以增强太阳光的散射能力，特别是对吸收系数较小的长波光的散射，提高其有效光程；然后制备表面比较平整的金属Ag薄膜，可以对太阳光具有宽谱域的高反射特性，增强太阳光的反射能力，对整个波段的太阳光都能够提高利用率。上述制备过程和工艺与工业化生产具有良好的兼容性，是一种较低成本的技术。
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 (5)
1.一种基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，其特征在于：由衬底、AlOx薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜组成并形成叠层结构，所述AlOx薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构，AlOx中x为0＜x＜1.5，其表面颗粒尺寸为100-2000nm、表面均方根粗糙度为50-200nm；所述金属Ag薄膜具有对太阳光具有宽谱域高反射特性，其表面颗粒尺寸为10-200nm、表面均方根粗糙度为10-60nm；所述ZnO薄膜的厚度为100-2000nm。
2.根据权利要求1所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，其特征在于：所述衬底为不锈钢、聚酰亚胺或PET柔性衬底，也可为玻璃钢性衬底。
3.根据权利要求1所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极，其特征在于：所述介质层ZnO薄膜为不掺杂的ZnO和掺杂氧化锌ZnO:B、ZnO:Al、ZnO:Ga中的一种。
4.一种如权利要求1所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极的制备方法，其特征在于步骤如下：将清洗处理后的衬底放入沉积系统中，依次沉积AlOx薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜，制得基于AlOx/Ag/ZnO结构的复合背电极，沉积方法为直流溅射、射频溅射、脉冲激光沉积、离子束溅射、电子束蒸发、有机化学气相沉积和超声喷雾方法中的一种或多种的组合，其中AlOx薄膜的制备时向反应腔室内通入氩气和氧气，Ag薄膜和介质层ZnO薄膜的制备向反应腔室内仅通入氩气。
5.一种如权利要求1所述基于AlOx/Ag/ZnO结构的高反射高绒度背电极的应用，其特征在于：用于制备NIP型a-SiGe:H单结硅基薄膜太阳电池，包括非晶硅薄膜太阳电池、非晶硅锗薄膜太阳电池、微晶硅薄膜太阳电池、微晶硅锗薄膜太阳电池或纳米硅薄膜太阳电池，也可为上述由上述单结硅基薄膜太阳电池组合成的多结叠层太阳电池。
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