CN104993010A - AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法 - Google Patents

AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法 Download PDF

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戴文韫
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Abstract

本发明公开了一种AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，利用物理溅射制备AZO层，利用化学实验的方法制备银纳米颗粒等离子体，并通过控制实验条件来形成不同大小、尺寸、形状的纳米颗粒、纳米线等。本发明综合了物理磁控溅射和液相化学还原方法，分别获得了三层膜中的AZO层和Ag纳米颗粒层，利用此方法获得的薄膜太阳电池前电极，在银纳米颗粒等离子体共振吸收方面的应用上将会有较大的发展空间。在化学还原法中利用还原性的有机化学溶剂，可以很好的实现银离子的分离与还原，然后通过不同的还原剂浓度、反应温度、生长周期等可以实现纳米颗粒、纳米线的制备。

Description

AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池前电极制备方法，特别是涉及一种透明导电膜的制备方法，应用于薄膜太阳能电池制备技术的领域。
背景技术
目前制备透明导电膜的方法主要包括：化学气相沉积法、溅射法、溶胶凝胶法、以及喷雾热解法等，已得到广泛研究ITO(掺锡氧化铟)透明导电膜、FTO(掺氟氧化锡)透明导电膜，二者均是集导电性和透光性于一身的优质透明导电薄膜材料，它们在可见光波长范围内都具有良好的透光性。并且ITO薄膜的电阻率较低，FTO薄膜的耐热性较好，因此受到研究者的重视，成为当前研究的热门课题。但它们同时也存在许多不尽如人意之处，例如ITO薄膜的耐热性较差，即薄膜在高温条件下电阻率增长较快。FTO 薄膜则存在电阻率较大的弊端。
银纳米颗粒在电学、光学、表面催化和传感等领域表现出优异的物理和化学特性,可作为介电材料、光敏感材料、生物传感器以及拉曼增强基底等，有着广泛的应用前景。银纳米颗粒具有较强表面等离子共振行为，共振吸收峰与颗粒的尺寸、形貌及颗粒的组装形态密切相关。用化学还原法则可以克服溅射法、电化学还原法、模板法、种子诱导法的成本较高、生长周期长且操作复杂等这些缺点。
基于AZO的可见光和太阳光红外波段吸收效率低，物理法制备Ag纳米颗粒成本较高，不能适应薄膜太阳能电池制备的产业化需要。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，结合物理-化学方法制备AZO/Ag/AZO前电极，其中AZO层利用射频磁控溅射设备制得，Ag纳米层则利用液相化学还原法制备，能够在不高于200℃的较低温度条件下制备金属纳米银颗粒，本发明通过AZO/Ag/AZO三层膜结构改善了对可见光和红外光的吸收，获得了良好的效果。
为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：
一种AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，包括以下步骤：
a. 使用载玻片作为衬底，用分析纯丙酮，酒精和去离子水分别进行超声波清洗，使载玻片清洁，烘干后放入磁控溅射反应室，再用射频磁控溅射方法在载玻片上生长第一层AZO薄膜，溅射时腔体温度为室温，溅射压强即真空度为0.01Torr，溅射气氛为惰性气体氛围，溅射薄膜厚度为30~40nm；优选在90w、100w或120w的溅射功率条件下，优选在10sccm的氩气氛围下，优选溅射10min~15min制备AZO薄膜；
b. 以硝酸银为溶质，并以无水低分子醇为溶剂，将无水低分子醇的硝酸银澄清溶液、还原剂澄清溶液和稳定剂澄清溶液均匀混合，在不高于200℃的温度条件下搅拌进行回流反应，获得银纳米颗粒胶体溶液，再经离心、蒸发除去低分子醇，干燥后得到粒径不大于15纳米的球状银纳米颗粒，然后通过旋涂法将粘稠性银溶液旋涂在所述步骤a中制备的AZO薄膜表面，控制匀胶机的转速为500rpm~1000rpm，制备得到具有AZO薄膜层和Ag纳米颗粒薄膜层的复合层样品；所述无水低分子醇优选采用乙二醇，所述还原剂澄清溶液优选采用聚乙烯基吡咯烷酮均聚物溶液，所述稳定剂澄清溶液优选采用丙烷；优选在120℃的温度条件下搅拌进行回流反应；
c. 将在所述步骤b制得的复合层样品放入恒温干燥箱内，调节温度50-60℃，15-30分钟后使样品充分干燥，然后再用射频磁控溅射方法在所述步骤b制备的银薄膜表面上生长第二层AZO薄膜，溅射时腔体温度为室温，溅射压强即真空度为0.01Torr，溅射薄膜厚度为30~40nm，最终得到具有AZO/Ag/AZO复合薄膜层的太阳能电池前电极；优选在90w、100w或120w的溅射功率条件下，优选在10sccm的氩气氛围下，优选溅射10min~15min制备AZO薄膜。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明利用物理溅射制备AZO层，利用化学实验的方法制备银纳米颗粒等离子体，并通过控制实验条件来形成不同大小、尺寸、形状的纳米颗粒、纳米线等，在化学还原法中利用还原性的有机化学溶剂，可以很好的实现银离子的分离与还原，然后通过不同的还原剂浓度、反应温度、生长周期等可以实现纳米颗粒、纳米线的制备；
2. 本发明克服了AZO太阳光红外波段吸收效率低及物理法制备Ag纳米颗粒成本较高的缺点，通过AZO/Ag/AZO三层膜结构和化学还原法制备银纳米颗粒的方法来改善其对可见光和红外光的吸收，获得了良好的效果；
3. 本发明综合了物理磁控溅射和液相化学还原方法，分别获得了三层膜中的AZO层和Ag纳米颗粒层，利用此方法获得的薄膜太阳电池前电极，在银纳米颗粒等离子体共振吸收方面的应用上将会有较大的发展空间；
4. 本发明通过Ag纳米颗粒的加入，起到了降低AZO/Ag/AZO三层膜电阻率的作用，同时该三层膜相互之间对光会产生一定的干涉作用，以及Ag纳米颗粒的排布会对光的红外波段产生共振吸收作用，这些都对该AZO/Ag/AZO三层膜的光学电学性能产生了很好的优化。
附图说明
图1是本发明优选实施例生长出的银纳米颗粒SEM图谱。
图2是利用紫外-可见分光光度计测得的本发明优选实施例中制备的纳米银颗粒分布图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
在本实施例中，一种AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，包括以下步骤：
a. AZO层的制备：是利用射频磁控溅射设备，在90w的溅射功率条件下，在10sccm的氩气的氛围下，溅射15min制备，具体步骤如下：
1）将普通的载玻片切割成大小为1cm×1cm大小，分别用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗样品的表面，然后用氮气吹干；
2）打开磁控溅射腔室，装靶材，放入载玻片；
3）抽真空，使其达到2*10-4Pa左右；
4）通氩气，氩气流量为10sccm；
5）打开射频溅射开关，调节90w的溅射功率；
6）进行溅射。溅射时间为15min。
b. 银纳米颗粒的制备：用恒温磁力搅拌器来控制溶液反应的温度，利用三口烧瓶来实现溶剂的添加和溶液的回流，使用的有机溶剂分别为乙二醇和异丙醇，溶质为聚乙烯基吡咯烷酮均聚物（PVP）、硝酸银，具体步骤如下：
1）配溶液：以硝酸银为溶质，乙二醇为溶剂，使用容量瓶配成0.1mol/L的硝酸银溶液；以聚乙烯基吡咯烷酮均聚物（PVP）为溶质，乙二醇为溶剂配成相应的溶液，其中PVP的含量将影响着最终生成的银纳米颗粒、银纳米线的尺寸、形貌等；
2）利用移液管取0.1mol/L的硝酸银溶液3ml、PVP溶液6ml；
3）固定三口烧瓶和回流管，在三口烧瓶中加入5ml的乙二醇，并在其中放入磁力转子，将三口烧瓶中间的瓶口接上冷凝管，将其他两个瓶口塞上硅胶塞，使用铁架台将三口烧瓶固定在油浴磁力旋转器的上方，使三口烧瓶液面与油浴液面相平，将回流管接在三口烧瓶中间的一个瓶口并固定；
4）将接有冷凝管的三口烧瓶放入温度控制在120℃的油浴磁力搅拌器中；
5）溶液混合：把3ml的硝酸银溶液和6ml的PVP溶液，以0.3ml/min的速度分别从三口烧瓶另外两个瓶口加入到三口烧瓶；
6）回流反应：使硝酸银溶液和PVP溶液在三口烧瓶中完全混合后，让其在120℃的温度下回流反应30min；
7）离心：将回流反应结束后的得到的混合溶液倒入试管中，加入70ml丙烷，使其充分融合，然后以2000rmp的速度在离心机中离心20min，将上层溶剂部分蒸干获得沉淀部分。
8）旋涂：将获得的固体粉末加入到5ml异丙醇中充分溶解，形成溶液，然后利用旋涂机将溶液均匀的旋涂在事先处理好的AZO玻璃片上，制备得到具有AZO薄膜层和Ag纳米颗粒薄膜层的复合层样品。
c. 重复步骤a，制备第二层AZO层部分，用磁控溅射设备制备第二层AZO薄膜，最终得到具有AZO/Ag/AZO复合薄膜层的太阳能电池前电极。
仪器检测及检测结果分析：
利用实施例制备AZO/Ag/AZO前电极，不仅可以达到低电阻、高透过的要求，而且可以很好的控制银纳米颗粒/纳米线的均匀性、尺寸、形貌等，从而实现银纳米颗粒共振吸收的效果。由图1和图2可以看出：利用此方法获得的银纳米颗粒，可以很好的控制其分布和形貌，另外利用化学法可以获得不同形貌的纳米颗粒，如三角形、立方形、棒状、线状等，为实验方法的改进提供了广阔的前景。
本实施例利用物理溅射制备AZO层，利用化学实验的方法制备银纳米颗粒等离子体，综合了物理磁控溅射和液相化学还原方法，分别获得了三层膜中的AZO层和Ag纳米颗粒层，利用此方法获得的薄膜太阳电池前电极，在银纳米颗粒等离子体共振吸收方面的应用上将会有较大的发展空间。银纳米颗粒具有较强表面等离子共振行为，共振吸收峰与颗粒的尺寸、形貌及颗粒的组装形态密切相关。在化学还原法中利用还原性的有机化学溶剂，可以很好的实现银离子的分离与还原，然后通过不同的还原剂浓度、反应温度、生长周期等可以实现纳米颗粒、纳米线的制备。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a. 使用载玻片作为衬底，用分析纯丙酮，酒精和去离子水分别进行超声波清洗，使载玻片清洁，烘干后放入磁控溅射反应室，再用射频磁控溅射方法在载玻片上生长第一层AZO薄膜，溅射时腔体温度为室温，溅射压强即真空度为0.01Torr，溅射气氛为惰性气体氛围，溅射薄膜厚度为30~40nm；
b. 以硝酸银为溶质，并以无水低分子醇为溶剂，将无水低分子醇的硝酸银澄清溶液、还原剂澄清溶液和稳定剂澄清溶液均匀混合，在不高于200℃的温度条件下搅拌进行回流反应，获得银纳米颗粒胶体溶液，再经离心、蒸发除去低分子醇，干燥后得到粒径不大于15纳米的球状银纳米颗粒，然后通过旋涂法将粘稠性银溶液旋涂在所述步骤a中制备的AZO薄膜表面，控制匀胶机的转速为500rpm~1000rpm，制备得到具有AZO薄膜层和Ag纳米颗粒薄膜层的复合层样品； 
c. 将在所述步骤b制得的复合层样品放入恒温干燥箱内，调节温度50-60℃，15-30分钟后使样品充分干燥，然后再用射频磁控溅射方法在所述步骤b制备的银薄膜表面上生长第二层AZO薄膜，溅射时腔体温度为室温，溅射压强即真空度为0.01Torr，溅射薄膜厚度为30~40nm，最终得到具有AZO/Ag/AZO复合薄膜层的太阳能电池前电极。
2.根据权利要求1所述AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述无水低分子醇采用乙二醇，所述还原剂澄清溶液采用聚乙烯基吡咯烷酮均聚物溶液，所述稳定剂澄清溶液采用丙烷。
3.根据权利要求2所述AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，在120℃的温度条件下搅拌进行回流反应。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述AZO/Ag/AZO薄膜太阳能电池前电极的制备方法，其特征在于：在所述步骤a或c中，在90w、100w或120w的溅射功率条件下，在10sccm的氩气氛围下，溅射10min~15min制备AZO薄膜。
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