CN103943696A - 一种薄膜太阳能电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜太阳能电池及其制造方法，属于太阳能电池技术领域。解决薄膜太阳能电池的背电极的焊接性能和各膜层之间的附着力等技术问题。薄膜太阳能电池，由多个内部串联的光电单元构成，包括在衬底上依序层叠的前电极、光电转化层和背电极，其特征在于所述背电极是由透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层组成的多层结构。本发明背电极的反射层由银和铝两层膜构成，且银膜的厚度小于铝膜，可有效降低生产成本；在铝膜上设置镍铜或镍钒合金膜层，不仅可以保护背电极，还可以增加背电极的焊接性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄膜太阳能电池及其制造方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
薄膜太阳能电池主要由前电极层、光电转换层及背电极层组成，这三个膜层的性能直接影响太阳能电池转换效率。前电极层为了保证高的透光率和好的导电性，一般采用单层的二氧化锡或氧化铟锡。而背电极层必须具有良好的电学和光学性能。目前，背电极的膜层结构设计已经由简单的单层结构趋向多层化，如中国专利ZL200910209157.4《一种太阳能电池及制作方法》的背电极结构为AZO层+过渡层+Ag层+金属保护层，过渡层位于AZO层和Ag层之间，能提高AZO层和Ag层的附着力，保证电池的使用寿命，但是对比文件1采用单层银作为反射层，成本高，而且银膜上的金属保护层无增焊功能，不能满足客户对焊接性能的要求。而专利ZL201010523713.8《薄膜太阳能电池背电极》的背电极结构为Y:ZnO+Ag+Y:ZnO+Ag+金属薄膜层，能够提高背电极的导电性和反射率，但是Y:ZnO层与Ag层之间附着力差，容易造成膜层脱落的现象，而且金属薄膜层采用Ti/Ni/Al，焊接性能差。
发明内容
为了使薄膜太阳能电池的背电极具有良好的焊接性能和增强膜层之间的附着力，提高太阳能电池的转化效率，本发明的目的是改进太阳能电池背电极的结构，开发一种成本低、转化效率高的太阳能电池及其制造方法。
一种薄膜太阳能电池，由多个内部串联的光电单元构成，包括在衬底上依序层叠的前电极、光电转化层和背电极，其特征在于所述背电极是由透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层组成的多层结构。背电极中第一反射层的厚度小于第二反射层。背电极的第一反射层为50～150nm厚的银膜，第二反射层为50～300nm厚的铝膜，可有效降低生产成本。
背电极的增焊保护层为40～200nm厚的镍铜或镍钒合金膜层，铜或钒的质量百分数为60%～80%，使背电极具有良好的焊接性能和抗氧化性。
背电极的透明导电层为50～300nm厚的掺铝氧化锌（AZO）膜，具有良好的导电性，且无毒环保。
背电极的过渡层为5～50nm厚的铬膜，增加AZO和Ag膜的附着力。
本发明还研发了一种薄膜太阳能电池的制备方法，在衬底上顺序沉积前电极、光电转换层和背电极，且依次对前电极、光电转换层和背电极进行刻划形成相应的图形，其特征在于所述背电极包括透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层，背电极的各膜层均采用直流磁控溅射在线真空镀膜制备，工作气体为氩气，本底压强为2～6×10-6Torr，工作压强为1×10-3Torr。
制备背电极之前进行预热，加热温度为100～200℃，在卧式PVD连续真空镀膜生产线上用直流电源控制靶材沉积背电极的各膜层，制备完毕后进行常温冷却。
背电极的透明导电层采用掺铝氧化锌的旋转靶制备，铝含量为1%-3%，形成50～300nm厚的掺铝氧化锌（AZO）膜。
背电极的过渡层采用铬（Cr）平面靶制备，溅射形成厚度为5～50nm的铬（Cr）膜。
背电极的第一反射层和第二反射层分别由银（Ag）和铝（Al）旋转靶制备，且第一反射层的厚度小于第二反射层。
背电极的增焊保护层由镍铜或镍钒合金旋转靶制备，其中镍与铜或钒的质量百分数为60%～80%。
本发明为了制备具有良好焊接的薄膜太阳能电池背电极，还设计了制造背电极的设备，包括设有加热室、镀膜室和冷却室的卧式PVD连续真空镀膜设备，其特征在于所述连续真空镀膜设备集三个加热室、四个镀膜室和三个冷却室为一体；所述四个镀膜室分别制备背电极的透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层，其中第一和第二反射层在同一镀膜室内制备；三个加热室的真空度和温度均从低到高分布；三个冷却室内的真空度由高到低，冷却温度为常温。
积极效果：本发明既节省了成本，又解决了太阳能薄膜电池普遍存在的焊接性能和附着力差的问题，同时还提高了太阳能电池的转化效率。背电极的反射层由银和铝两层膜构成，且银膜的厚度小于铝膜，可有效降低生产成本；在铝膜上设置增焊保护层，不仅可以保护背电极，还可以增加背电极的焊接性能；在工艺上具有改进，沉积AZO层之前，增加缓慢加热工艺，可有效去除太阳能电池基片上的湿气和脏污，以克服膜层的松动和氧化问题，同时降低AZO膜层的电阻率，减少背电极的背电阻，提高太阳能电池的转化效率；背电极制备完毕后，太阳能电池基片不立即移出腔体，而是继续在真空环境下冷却，避免背电极受污染。
附图说明
图1：本发明的结构示意图。
图2：本发明的剖面结构示意图。
图3：本发明的背电极层制造设备结构示意图。
图中：1、衬底，2、前电极，3、光电转换层，4、背电极，401、透明导电层，402、过渡层，403、第一反射层，404、第二反射层，405、增焊保护层，5、加热室I, 6、加热室II,7、加热室III,8、镀膜室I,9、镀膜室II,10、镀膜室III,11、镀膜室IV,12、冷却室I,13、冷却室II,14、冷却室III,15、AZO靶，16、Cr靶，17、Ag靶，18、Al靶，19、NiCu或NiV靶。
具体实施方式
实施例1
一种薄膜太阳能电池包括基片衬底、前电极层、光电转化层和背电极层，其主要技术特点是背电极层具有5层结构，从受光面开始依次为透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层，其中，透明导电层为掺铝氧化锌（AZO），厚度为50～300nm,因为AZO相对来说价格便宜，无毒环保；
过渡层为铬（Cr）,厚度为5～50nm，因为Cr的原子半径介于AZO和Ag之间，增加AZO和Ag的附着力；
第一反射层为银（Ag）, 厚度为50～150nm，因为Ag高反射导电性能好；
第二反射层为铝（Al），厚度为50～300nm，因为Al高反射价格便宜；
增焊保护层为镍铜（NiCu）或镍钒合金，厚度为40～200nm，具有良好的焊接性能和抗氧化性。
实施例2
一种薄膜太阳能电池的制备方法，主要包括：在基片衬底上依次沉积前电极层、光电转换层以及背电极层，背电极层依次沉积透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层，在沉积透明导电层之前进行加热，加热温度为100～200 ℃；在沉积增焊保护层之后进行常温冷却。
背电极层的各膜层的沉积方法均为直流磁控溅射真空镀膜方法，即是在卧式镀膜连续生产线上用直流电源控制靶材的沉积，工作气体为氩气，本底压强为2～6×10-6Torr，工作压强为1×10-3Torr。
制造方法：
1.通过化学气相沉积法在衬底1的超白玻璃上沉积前电极2的FTO；
2.通过等离子体增强气相化学沉积（PECVD）法沉积光电转换层3的PIN非晶硅薄膜，沉积p层的源气体为TMB气体（三甲基硼烷和硅烷的混合气体）、硅烷（SiH4）和氢气（H2），沉积i层的源气体为硅烷（SiH4）和氢气（H2），沉积n层的源气体为N气（磷烷和硅烷的混合气体）；沉积压力为50～150Pa，沉积温度250℃。
3. 通过直流磁控溅射真空镀膜方法沉积多层背电极层4，衬底1先依次经过加热室I 5、加热室II 6、加热室III 7进行加热，然后再依次进入镀膜室I 8进行透明导电层401的AZO膜沉积、镀膜室II 9进行过渡层402的Cr膜沉积、镀膜室III 10进行反射层I403的Ag膜和反射层II404的Al膜沉积、镀膜室IV 11进行增焊保护层405的NiCu膜沉积，镀膜室I 5、镀膜室II 6、镀膜室III7、镀膜室IV8的工作气体为氩气，本底压强为2×10-6Torr，工作压强为1×10-3Torr，沉积后再依次进入冷却室I12、冷却室II 13、冷却室III 14进行室温冷却后出炉。
本发明在生产线上试验，没有出现过诸如焊接性能差、附着力不好等问题，同时通过产品的稳定转化效率进行比较，该工艺所制备的产品的转化效率明显高于改进前，以下为部分生产产品的测试数据：
通过比较，可以看出：工艺改进前的平均转化效率在6.8%，采用本发明的背电极后，其平均转化效率达到8.1%，提高了1.3个百分点，由此可见，本发明可以完全解决太阳能薄膜电池在制备过程中存在的焊接性能差、附着力不好等技术问题，同时可以节省成本，提高转化效率。
实施例3
一种薄膜太阳能电池的背电极的制造设备，为卧式PVD连续真空镀膜设备，包括加热室、镀膜室I、镀膜室II、镀膜室III、镀膜室IV、冷却室，镀膜室I为沉积透明导电层，镀膜室II为沉积过渡层，镀膜室III为沉积第一反射层和第二反射层，镀膜室IV为沉积增焊保护层。
由于旋转靶结构复杂，价格高，但靶材利用率高；平面靶简单，价格低，但靶材利用率较低，因此综合考虑靶材和旋转靶的性价比，采用如下技术方案：
其中，镀膜室I靶材为AZO，Al含量范围为1%-3%，由于AZO用量大，因此采用旋转靶提高靶材利用率；
镀膜室II靶材为Cr，纯度为99.95%，由于Cr用量小，价格较便宜，因此采用平面靶；
镀膜室III靶材依次为Ag和Al，银靶纯度为99.999%，铝靶纯度为99.999%，由于Ag为贵金属，因此采用旋转靶，Al用量大，也采用旋转靶；
镀膜室IV为靶材为NiCu，镍铜靶纯度为99.99%，其中铜的质量百分数为65%，由于镍为贵金属，因此采用旋转靶。
加热室为3个，真空度和温度均从低到高，且第三个加热室主要用于保温。
冷却室为3个，真空度从高到低，室温。
本实施例的基片衬底1为超白玻璃，前电极层2为掺氟二氧化锡（FTO），光电转换层3为PIN结非晶硅薄膜，背电极4由五层结构组成，其中透明导电层401为AZO，厚度为75～85nm，过渡层402为Cr，厚度为4～8nm，第一反射层403为Ag，厚度为60～70nm，第二反射层404为Al，厚度为90～110nm，增焊保护层405为NiCu，厚度为50～60nm，制造设备共有10个真空室，依次为加热室I 5、加热室II 6、加热室III 7、镀膜室I 8、镀膜室II 9、镀膜室III 10、镀膜室IV 11、冷却室I12、冷却室II 13、冷却室III 14, AZO靶15为圆柱靶，安装在镀膜室I 8内， Cr靶16为平面靶，安装在镀膜室II9 内， Ag靶17和Al靶18为圆柱靶，安装在镀膜室III 10内， NiCu靶19为圆柱靶，安装在镀膜室IV11内。
Claims (14)
1.一种薄膜太阳能电池，由多个内部串联的光电单元构成，包括在衬底上依序层叠的前电极、光电转化层和背电极，其特征在于所述背电极是由透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层组成的多层结构。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极中第一反射层的厚度小于第二反射层。
3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极的第一反射层为50～150nm厚的银膜，第二反射层为50～300nm厚的铝膜。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极的增焊保护层为40～200nm厚的镍铜或镍钒合金膜层。
5.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极的增焊保护层中铜或钒的质量百分数为60%～80%。
6.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极的透明导电层为50～300nm厚的掺铝氧化锌（AZO）膜。
7.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于所述背电极的过渡层为5～50nm厚的铬膜。
8.一种薄膜太阳能电池的制备方法，在衬底上顺序沉积前电极、光电转换层和背电极，且依次对前电极、光电转换层和背电极进行刻划形成相应的图形，其特征在于所述背电极包括透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层，背电极的各膜层均采用直流磁控溅射真空镀膜制备，工作气体为氩气，本底压强为2～6×10-6Torr，工作压强为1×10-3Torr。
9.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于制备背电极之前进行预热，加热温度为100～200℃，在卧式PVD连续真空镀膜生产线上用直流电源控制靶材沉积背电极的各膜层，制备完毕后进行常温冷却。
10.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于背电极的透明导电层采用掺铝氧化锌的旋转靶制备，铝含量为1%-3%，形成50～300nm厚的掺铝氧化锌（AZO）膜。
11.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于背电极的过渡层采用铬（Cr）平面靶制备，溅射形成厚度为5～50nm的铬（Cr）膜。
12.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于背电极的第一反射层和第二反射层分别由银（Ag）和铝（Al）旋转靶制备，且第一反射层的厚度小于第二反射层。
13.根据权利要求8所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于背电极的增焊保护层由镍铜或镍钒合金旋转靶制备，其中铜或钒的质量百分数为60%～80%。
14.一种薄膜太阳能电池背电极的制造设备，包括设有加热室、镀膜室和冷却室的卧式PVD连续真空镀膜设备，其特征在于所述连续真空镀膜设备集三个加热室、四个镀膜室和三个冷却室为一体；所述四个镀膜室分别制备背电极的透明导电层、过渡层、第一反射层、第二反射层和增焊保护层，其中第一和第二反射层在同一镀膜室内制备；三个加热室的真空度和温度均从低到高分布；三个冷却室内的真空度由高到低，冷却温度为常温。
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