CN103794665A - 一种高反射高绒度复合结构背电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高反射高绒度复合结构背电极，采用Al/ZnO/Ag/ZnO复合结构，由衬底、Al薄膜、阻挡层薄膜、Ag薄膜和介质层薄膜组成并形成叠层结构，Al薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构；阻挡层薄膜和介质层薄膜为不掺杂和掺杂ZnO薄膜等材料，其中阻挡层薄膜具有防止形成银铝合金的作用；金属Ag薄膜具有对太阳光具有宽谱域高反射特性。本发明的优点是：金属Al形成的大绒面结构，可增强太阳光的散射能力，对太阳光具有宽谱域的高反射特性，可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；金属Ag薄膜的厚度降低，降低了成本，提高了器件稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及硅基薄膜太阳电池及其制备，特别是一种高反射高绒度复合结构背电极及其制备方法。
背景技术
硅薄膜太阳电池，特别是以非晶硅为基础的两结叠层电池或多结太阳电池，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。
按照光入射方向，可以将硅基薄膜太阳电池分为顶置和底置两种结构，前者是指光从透明衬底入射则采用PIN结构，后者衬底只作为依托则采用NIP结构。PIN型太阳电池必须沉积在透明的衬底上，对衬底的要求高，目前常采用高透过的专用玻璃为衬底。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，例如不锈钢箔、聚酰亚胺、PET薄膜和玻璃等均可以用作衬底。特别是以不锈钢箔、聚酰亚胺或PET薄膜等柔性衬底上的NIP型电池具有重量轻、可卷曲，携带方便的特点，且便于采用卷到卷连续沉积工艺制备，可连续化大面积生产，利于实现低成本。在实际的应用中易与建筑一体化，在民用与军用中都有良好的前景。
在太阳电池，特别是薄膜太阳电池中，陷光结构对于增强太阳电池的光吸收，提高其性能具有非常重要的作用，特别是对于超薄型薄膜电池，陷光技术更是不可或缺。对于PIN型硅薄膜太阳电池，其陷光结构包含两个绒面透明导电前电极以及复合背反射电极两部分。前电极常采用金属氧化物透明导电膜（TCO），例如掺铝氧化锌（ZnO:Al）或掺氟的二氧化锡（SnO2:F）薄膜，以促进光的散射增加有效光程；而复合背电极常用Ag/ZnO或Al/ZnO复合背电极的反射提高光的再次利用率；在NIP型硅薄膜太阳电池中，多采用铟锡氧化物（ITO）前电极，很难形成绒面结构，因此只有背电极的陷光作用极为重要。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，还要有较好的绒面结构，以提高散射反射光的比例，从而增加光的在太阳电池中的有效光程，进而提高太阳电池转换效率。
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—般较难以形成大的绒面结构，且Ag的价格相对比较昂贵。同时，由于Ag的质地较软，不利于器件的性能稳定；而金属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，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。但是直接在Al薄膜上继续制备Ag薄膜过程中，两者很容易发生合金化，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，提供一种高反射高绒度复合结构背电极及其制备方法，该背电极采用Al/ZnO/Ag/ZnO复合结构，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:
一种高反射高绒度复合结构背电极，采用Al/ZnO/Ag/ZnO复合结构，由衬底、Al薄膜、阻挡层薄膜、Ag薄膜和介质层薄膜组成并形成叠层结构，Al薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构，其表面颗粒直径为100-2000nm、表面均方根粗糙度为50-200nm、厚度为300-2000nm；阻挡层薄膜具有防止形成银铝合金的作用，厚度为2-100nm；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10-40nm、厚度为50-500nm；介质层薄膜的厚度为100-2000nm。
所述衬底为不锈钢、聚酰亚胺、PET柔性衬底或钢性衬底玻璃。
所述阻挡层薄膜材料包括MgF、Al2O3、不掺杂ZnO和掺杂ZnO薄膜材料，掺杂ZnO的薄膜材料包括任意比例的ZnO:B、ZnO:Al或ZnO:Ga。
所述介质层薄膜材料包括不掺杂的ZnO和掺杂ZnO薄膜材料，掺杂ZnO的薄膜材料为ZnO:B、ZnO:Al或ZnO:Ga，掺杂量小于3wt%。
一种所述高反射高绒度复合结构背电极的制备方法，将清洗处理后的衬底放入沉积系统中，依次沉积Al薄膜、阻挡层ZnO薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜，制得基于Al/ZnO/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两种以上的组合，制备时向反应腔室内通入氩气。
本发明有益效果是：金属Al形成的大绒面结构，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，800nm波长处的绒度超过0.7；金属Ag薄膜的厚度降低，不仅节省昂贵的Ag材料、降低成本，而且还可提高器件稳定性；复合电极的制备过程中无需通入氧气，减少对金属材料的氧化作用，提高反射性能。
附图说明
图1为该高反射高绒度复合结构背电极的结构示意图。
图中：1.衬底 2.Al薄膜 3.阻挡层ZnO薄膜 4.Ag薄膜
5.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Al/ZnO/Ag复合膜，(b)为Ag单层膜，(c)为Al/ZnO/Ag/ZnO复合薄膜。
图3为Al/ZnO双层膜、Ag/ZnO双层膜和Al/ZnO/Ag/ZnO复合薄膜的总反射与反射绒度，其中：（a)为总反射，(b)为反射绒度。
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：
一种高反射高绒度复合结构背电极，采用Al/ZnO/Ag/ZnO复合结构，如图1所示，由衬底1、Al薄膜2、阻挡层薄膜3、Ag薄膜4和介质层薄膜5组成并形成叠层结构，衬底为不锈钢；Al薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构，其表面颗粒直径为1200nm、表面均方根粗糙度为87.4nm、厚度为500nm；阻挡层薄膜为2wt%Al掺杂的ZnO，具有防止形成银铝合金的作用，厚度为10nm；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、厚度为200nm；介质层薄膜为2wt%Al掺杂的ZnO，薄膜厚度为120nm。
该高反射高绒度复合结构背电极的制备方法，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2X10-4Pa，衬底在400℃下加热1个小时，通入40sccm的氩气，反应腔室压强为4mTorr，在功率200W条件下沉积10分钟，制得Al薄膜；
2）腔室抽到本底真空2X10-4Pa，衬底温度400℃，通入10sccm的氩气，反应腔室压强为1mTorr，在功率300W条件下沉积2分钟，制得阻挡层ZnO薄膜。
3）腔室抽到本底真空2X10-4Pa，衬底温度400℃，通入40sccm的氩气，反应腔室压强为4mTorr，在功率50W条件下沉积5分钟，制得Ag薄膜。
4）腔室抽到本底真空2X10-4Pa，衬底温度400℃，靶材为2wt%Al掺杂的ZnO，通入10sccm的氩气，反应腔室压强为1mTorr，在功率300W条件下沉积10分钟，制得阻挡层ZnO薄膜。
上述方法制得的Al/ZnO/Ag/ZnO薄膜，其AFM测得的表面形貌如图2(c)所示，其总反射与反射绒度的结果如图3(a)、(b)所示。
作为比较，实验制备了Ag/ZnO薄膜，相应的Ag薄膜制备条件为：衬底温度400℃，氩气流量40sccm，反应腔室压强为4mTorr，功率200W，沉积时间10分钟；ZnO薄膜的制备条件为：衬底温度400℃，氩气流量10sccm，反应腔室压强1mTorr，功率300W，沉积时间10分钟。其AFM测得的表面形貌如图2(b)所示，其总反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Al/ZnO薄膜，相应的Al薄膜制备条件为：衬底温度400℃，氩气流量40SCCm，反应腔室压强4mTorr，功率200W，沉积时间15分钟；ZnO薄膜的制备条件为：衬底温度400℃，氩气流量10sccm，反应腔室压强1mTorr，功率300W，沉积时间10分钟。其AFM测得的表面形貌如图2(a)所示，其总反射与反射绒度的结果如图3(a)、(b)所示。
比较图2(a)、(b)和(c)可以看出：Al/ZnO薄膜的RMS值达117nm，且表面颗粒尺寸较大；Ag/ZnO薄膜RMS只有39nm，且表面颗粒尺寸很小，这种平整的表面有利于获得很高的反射率；两者组合后形成的Al/ZnO/Ag/ZnO薄膜RMS为97nm，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。
比较图3(a)、(b)可以看出:在700-1100nm的范围内，Ag/ZnO薄膜反射率很高，而Al/ZnO薄膜的反射率偏低，Al/ZnO/Ag/ZnO薄膜的反射率远高于Al/ZnO薄膜。而反射绒度结果表明：Al/ZnO/Ag/ZnO薄膜的绒度远高于Ag薄膜，与Al/ZnO膜绒度相近。上述实验结果表明：本发明提供的Al/ZnO/Ag/ZnO薄膜同时兼顾了Al/ZnO薄膜的高绒度和Ag/ZnO薄膜的高反射率。
值得关注的是，本发明首先通过金属Al的大绒面结构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；然后沉积很薄的阻挡层ZnO薄膜，防止与后续的Ag薄膜形成合金化层；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。上述制备工艺与工业化生产具有良好的兼容性且可显著降低较低生产成本。
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)
1.一种高反射高绒度复合结构背电极，其特征在于：采用Al/ZnO/Ag/ZnO复合结构，由衬底、Al薄膜、阻挡层薄膜、Ag薄膜和介质层薄膜组成并形成叠层结构，Al薄膜具有对长波光陷光作用显著的大绒面结构，其表面颗粒直径为100-2000nm、表面均方根粗糙度为50-200nm、厚度为300-2000nm；阻挡层薄膜具有防止形成银铝合金的作用，厚度为2-100nm；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10-40nm、厚度为50-500nm；介质层薄膜的厚度为100-2000nm。
2.根据权利要求1所述高反射高绒度复合结构背电极，其特征在于：所述衬底为不锈钢、聚酰亚胺、PET柔性衬底或钢性衬底玻璃。
3.根据权利要求1所述高反射高绒度复合结构背电极，其特征在于：所述阻挡层薄膜材料包括MgF、Al2O3、不掺杂ZnO和掺杂ZnO薄膜材料，掺杂ZnO的薄膜材料包括任意比例的ZnO:B、ZnO:Al或ZnO:Ga。
4.根据权利要求1所述高反射高绒度复合结构背电极，其特征在于：所述介质层薄膜材料包括不掺杂的ZnO和掺杂ZnO薄膜材料，掺杂ZnO的薄膜材料为ZnO:B、ZnO:Al或ZnO:Ga，掺杂量小于3wt%。
5.一种如权利要求1所述高反射高绒度复合结构背电极的制备方法，其特征在于：将清洗处理后的衬底放入沉积系统中，依次沉积Al薄膜、阻挡层ZnO薄膜、Ag薄膜和介质层ZnO薄膜，制得基于Al/ZnO/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两种以上的组合，制备时向反应腔室内通入氩气。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410076820.9A Pending CN103794665A (zh) | 2014-03-04 | 2014-03-04 | 一种高反射高绒度复合结构背电极及其制备方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN103794665A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11427500B2 (en) | 2018-07-23 | 2022-08-30 | Osaka Gas Co., Ltd. | Radiative cooling device |
| US11951710B2 (en) | 2018-01-19 | 2024-04-09 | Osaka Gas Co., Ltd. | Radiative cooling device |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001210845A (ja) * | 2000-01-26 | 2001-08-03 | Kanegafuchi Chem Ind Co Ltd | 薄膜光電変換装置の製造方法 |
| WO2011158645A1 (ja) * | 2010-06-17 | 2011-12-22 | 株式会社カネカ | 薄膜太陽電池 |
| CN102522506A (zh) * | 2011-12-22 | 2012-06-27 | 南开大学 | 一种绒面陷光电极的有机太阳能电池及其制备方法 |
| CN102569433A (zh) * | 2010-12-17 | 2012-07-11 | 上海空间电源研究所 | 薄膜太阳电池用复合背反射金属电极及其制备方法和应用 |
| CN102934350A (zh) * | 2009-07-09 | 2013-02-13 | 美国迅力光能公司 | 光伏电池器件的背反射层 |
| CN102931244A (zh) * | 2012-11-23 | 2013-02-13 | 南开大学 | 一种高绒度反射的导电白色背反射电极及其制备方法 |
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| CN103339688A (zh) * | 2011-01-26 | 2013-10-02 | 三菱电机株式会社 | 透明电极基板及其制造方法、光电变换装置及其制造方法、光电变换模块 |
-
2014
- 2014-03-04 CN CN201410076820.9A patent/CN103794665A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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Application publication date: 20140514 |