CN105633202A - 太阳能电池柔性衬底的表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太阳能电池领域，具体公开了一种太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，具体包括金属衬底材料超声清洗、电化学溶液处理、施加相互垂直的两次电信号及后续处理程序。本发明的太阳能电池柔性衬底表面处理方法，不仅能有效去除衬底表面的氧化层，获得符合目标要求的柔性衬底表面，而且可显著改善电镀薄膜与衬底之间的结合力，并有助于薄膜电池形成陷光结构，提高电池效率。

Description

太阳能电池柔性衬底的表面处理方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种太阳能电池柔性衬底的表面处理方法。

背景技术

太阳能是众多可再生能源中最为丰富的能源，全球太阳光一小时的能量就相当于地球一年的能耗，远远高于风能、地热、水电、海洋能、生物能等能源。太阳能电池的一个重要发展方向是多用途的柔性衬底太阳能电池。与常规太阳电池以刚性材料(玻璃等)作为衬底的区别在于，柔性太阳电池的衬底材料是柔软、可弯曲的金属箔片或者有机高分子材料，例如不锈钢箔、铝箔、聚酰亚胺薄膜等。

柔性太阳能电池脱离了传统的衬底材料玻璃，使其具备轻质可弯曲的特性，但同时也带来了新的问题：(1)目前通用的柔性薄膜太阳能电池的金属衬底表面均较为粗糙，需要采用相应的技术对其表面进行抛光处理，降低其表面粗糙度，但是多采用化学处理的方式，时间一般在20min以上，并且表面微结构不可控，表面的氧化层难以有效去除干净，甚至有可能增加金属衬底的表面粗糙度；(2)大多数的柔性衬底材料的热膨胀系数偏大，容易导致膜层附着力较差，影响制备工艺的稳定性和重复率，特别是表面比较平整的柔性材料。

专利CN102034881A公开了一种太阳能电池的结构，是于一基板上表面形成峰谷起伏状的主动表面，接续于该主动表面上依序成形导电层、铜铟镓硒化合物(CIGS)层以及透明导电层，所述峰谷起伏状的主动表面可以侵入成形手段所完成，借此令后续成形其上的导电层、铜铟镓硒化合物(CIGS)层等膜层沿续其峰谷起伏状，因而可以增加其收光及反应面积，进而提升其对光的能量转换为电能的转换率。其峰谷起伏状的主动表面包含V型、倒圆锥、倒角锥装的凹坑，采用的是入侵、喷砂、激光加工等手段，最后需要采用氢氟酸腐蚀较尖锐的凸部，形成平缓的峰谷起伏表面。但是，这项技术适用于刚性的玻璃衬底，难以向柔性衬底推广。

专利CN103151399A公开了一种具有周期性陷光结构的柔性薄膜太阳能电池及其制备方法，该方法在柔性金属衬底上沉积一层厚度为1～10μm的铝薄膜，然后通过在铝表面阳极氧化再去除氧化层的方式形成周期性的陷光结构，接着在其表面制作包括电极及功能层等的薄膜电池层。这种方法制备的周期性结构工艺简单，陷光效果较好，但是铝本身的热膨胀系数较高(23.6ppm/K)，远高于铜铟镓硒(7～10ppm/K)和碲化镉(5.9ppm/K)，在加热和冷却过程中相互之间的由于膨胀速率不同导致内应力增加，容易造成薄膜剥落等问题。因此，本技术方法也局限于非晶硅、微晶硅等硅材料相关技术工艺，通用性不强。

发明内容

本发明的主要目的是针对上述现有技术中存在的柔性衬底表面微结构不可控，氧化层去除不彻底，与膜层结合力不好的问题，提供一种太阳能电池柔性衬底的表面处理方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，包括如下步骤：

步骤(1)：柔性金属衬底材料放入酒精溶液中超声5～20min；

步骤(2)：配制电化学处理溶液，所述电化学处理溶液选自硫酸溶液或硫酸溶液与溶剂Ⅰ的混合溶液，所述溶剂Ⅰ选自水、甲醇、乙醇或离子溶液的任一种；

步骤(3)：经步骤(1)处理的柔性金属衬底材料放入到步骤(2)所述的处理溶液中，在平行于所述柔性金属衬底材料的表面依次施加两次电信号，所述两次电信号方向相互垂直，所述电信号为恒压电信号和/或恒流电信号；

步骤(4)：将所述柔性金属衬底材料取出，用去离子水冲洗，干燥氮气吹干样品表面残留液，得到处理后的柔性衬底。

本发明的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，电化学处理溶液处理后，在平行于柔性金属衬底的表面依次施加方向相互垂直的两次电信号，通过前述技术手段，本发明的表面处理方法不仅可快速、有效除去柔性金属材料表面的氧化层，而且可以在衬底表面形成类似“金字塔”的微结构，该结构不仅可以改善电镀薄膜与衬底之间的结合力，而且有助于薄膜电池形成陷光结构，提高电池效率。前述两次电信号，可以为两次恒压电信号、两次恒流电信号、一次恒流电信号和一次恒压电信号、或者一次恒压电信号和一次恒流电信号，并且，当为两次恒压电信号或者两次恒流电信号时，前后两次电信号的工作电压或者电流，以及工作时间可以不相同，只要在本发明前述限定的范围内即可。

作为优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，步骤(3)中，所述两次电信号为：

A.施加两次恒压电信号，所述恒压电信号的电压范围为0.1～15V，每次恒压电信号的工作时间为1～600s；或

B.施加两次恒流电信号，所述恒流电信号的电流范围为0.01～1A/cm²，每次恒流电信号的工作时间为1～600s；或

C.先施加恒压电信号，再施加恒流电信号，所述恒压电信号的电压范围为0.1～15V，所述恒压电信号的工作时间为1～600s；所述恒流电信号的电流范围为0.01～1A/cm²，所述恒流电信号的工作时间为1～600s；或

D.先施加恒流电信号，再施加恒压电信号，所述恒流电信号的电流范围为0.01～1A/cm²，所述恒流电信号的工作时间为1～600s；所述恒压电信号的电压范围为0.1～15V，所述恒压电信号的时间为1～600s。

发明人通过研究发现，通过优选电压范围、电流范围，以及信号工作时间，本发明的处理方法不仅能够有效地控制金属箔片的表面形貌，且改善金属箔片的氧含量。

作为优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，步骤(2)中，所述硫酸溶液与溶剂Ⅰ的体积比为1:0.1～10。

作为进一步优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，步骤(2)中，所述硫酸溶液与溶剂Ⅰ的体积比为1:0.1～3。

通过筛选硫酸溶液与溶剂Ⅰ的体积比，能够有效地降低金属箔片表面的氧含量。

作为优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，所述柔性金属衬底材料选自金属钼箔片、金属铝箔片、金属钛箔片或不锈钢箔片的任一种，所述箔片厚度为25～150微米。作为进一步优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，所述柔性金属衬底材料的纯度为>99％。

作为进一步优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，所述柔性金属衬底材料为金属钼箔片。

作为优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，步骤(2)所述的离子溶液为氯化胆碱与尿素的混合溶液，所述氯化胆碱与尿素的重量比为1：1～3。采取前述离子溶液，溶剂稳定，具有良好的导电性，挥发性小，环境友好。

作为进一步优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，步骤(3)中，所述恒流电信号的电流范围为0.5～0.8A/cm²，所述恒流电信号的工作时间为50～200s。

作为进一步优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，步骤(3)中，所述恒压电信号的电压范围为6～10V，所述恒压电信号的工作时间为100～300s。

作为最优选，前述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，

步骤(1)中，所述金属衬底材料选自金属钼箔片；所述金属钼箔片厚度为100微米；

步骤(2)中，所述电化学处理溶液为硫酸溶液，或硫酸溶液与甲醇溶液的混合溶液，所述硫酸溶液与甲醇溶液的体积比为1:3；

步骤(3)中，所述两次电信号为两次恒压电信号，所述恒压电信号的电压范围为6～10V，每次恒压电信号的工作时间为100～300s。

发明人通过大量研究发现，通过筛选电化学处理液，并进一步筛选两次电信号的工作方式，本发明的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，能够利用电场沿金属箔片表面的分布来有效地刻蚀柔性金属衬底，在相互垂直的电信号作用下形成类“金字塔”的表面微结构，且有效降低表面氧含量到2％以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，通过在衬底表面垂直的两个方向上依次施加特定电信号，通过精确的电信号控制和时间控制，处理时间极大的缩短，并能有效去除衬底表面的氧化层，获得符合目标要求的柔性沉底表面。

二、本发明的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，可以在衬底表面形成类“金字塔”的微结构，该结构可以显著改善电镀薄膜与衬底之间的结合力。

三、本发明的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，可以在衬底表面形成类似“金字塔”的微结构，有助于薄膜电池形成陷光结构，提高电池效率。

四、本发明的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，采用的电化学处理溶液，价格便宜易得，且可以回收利用，不仅能够有效地降低生产成本，而且环境友好。

附图说明

图1是本发明步骤(3)的电信号施加方向示意图；其中，1-第一电极夹，2-第二电极夹，3-金属衬底。

图2是实施例1金属钼箔片处理之前的扫描电镜图；

图3是实施例1处理之后金属钼箔片的扫描电镜图；

图4是实施例2处理之后金属钼箔片的扫描电镜图；

图5是实施例2处理之后金属钼箔片的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的上述发明内容作进一步的详细描述。

但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。

以下实施例中，步骤(3)的电信号施加方向如图1所示。在与金属衬底3平行的表面，于相互垂直的方向分别设置第一电极夹1和第二电极夹2，依次在第一电极夹1和第二电极夹2上施加电信号，这两次电信号的方向相互垂直。

以下实施例中，处理后的柔性衬底采用X射线能谱仪(EDS)检测测定氧含量，采用胶带法测定柔性衬底与膜层之间的结合力。

实施例1本实施例为太阳能电池柔性衬底的表面处理方法实施例，金属衬底材料为金属钼箔片。

处理之前金属钼箔片的扫描镜像图如图2所示。

步骤(1)：金属钼箔片放入酒精溶液中超声5～20min，金属钼箔片厚度为100微米；

步骤(2)：配制硫酸溶液；

步骤(3)：经步骤(1)处理的金属钼箔片放入到硫酸溶液中，在平行于金属钼箔片的表面依次施加两次恒压电信号，恒压电信号的电压范围为6V，每次恒压电信号的工作时间为300s；

步骤(4)：将金属钼箔片取出，用去离子水冲洗，干燥氮气吹干样品表面残留液，得到处理后的柔性衬底。

处理之后的金属钼箔片的扫描镜像图见图3。由图3可见，所得到的钼箔片具有类似“金字塔”的绒面结构。经X射线能谱仪(EDS)检测，钼箔片表面的氧含量降到了2％以下。可以作为电镀中薄膜的生长点，有效提高了镀层的结合力，经胶带法测试，薄膜未随胶带剥落。

处理后的金属钼箔片，获得了类似“金字塔”的绒面陷光结构，做成电池器件后，与常规处理的金属钼箔片衬底电池相比，转换效率从4.5％提高到了6.7％，有效提高了电池效率。

实施例2本实施例为太阳能电池柔性衬底的表面处理方法实施例，金属衬底材料为金属钼箔片。

步骤(1)：金属钼箔片放入酒精溶液中超声5～20min，金属钼箔片厚度为150微米；

步骤(2)：配制电化学处理溶液：硫酸溶液与甲醇溶液的混合溶液，硫酸溶液与甲醇溶液的体积比为1:3；

步骤(3)：经步骤(1)处理的金属钼箔片放入到电化学处理溶液中，在平行于金属钼箔片的表面依次施加两次恒压电信号，恒压电信号的电压范围为10V，每次恒压电信号的工作时间为100s；

步骤(4)：将金属钼箔片取出，用去离子水冲洗，干燥氮气吹干样品表面残留液，得到处理后的柔性衬底。

处理之后的金属钼箔片的扫描镜像图见图4及图5。由图4及图5可见，所得到的钼箔片具有类似“金字塔”的绒面结构。经X射线能谱仪(EDS)检测，钼箔片表面的氧含量降到了1.5％以下。可以作为电镀中薄膜的生长点，有效提高了镀层的结合力，经胶带法测试，薄膜未随胶带剥落。

实施例3～实施例7实施例3～实施例7为太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，具体处理溶液及处理工艺、参数见下表，其余步骤参照实施例1。

表1.实施例3～实施例7

Claims (10)

1.太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：柔性金属衬底材料放入酒精溶液中超声5～20min；

步骤(2)：配制电化学处理溶液，所述电化学处理溶液选自硫酸溶液或硫酸溶液与溶剂Ⅰ的混合溶液，所述溶剂Ⅰ选自水、甲醇、乙醇或离子溶液的任一种；

步骤(3)：经步骤(1)处理的柔性金属衬底材料放入到步骤(2)所述的处理溶液中，在平行于所述柔性金属衬底材料的表面依次施加两次电信号，所述两次电信号方向相互垂直，所述电信号为恒压电信号和/或恒流电信号；

步骤(4)：将所述柔性金属衬底材料取出，用去离子水冲洗，干燥氮气吹干样品表面残留液，得到处理后的柔性衬底。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述两次电信号为：

A.施加两次恒压电信号，所述恒压电信号的电压范围为0.1～15V，每次恒压电信号的工作时间为1～600s；或

B.施加两次恒流电信号，所述恒流电信号的电流范围为0.01～1A/cm²，每次恒流电信号的工作时间为1～600s；或

C.先施加恒压电信号，再施加恒流电信号，所述恒压电信号的电压范围为0.1～15V，所述恒压电信号的工作时间为1～600s；所述恒流电信号的电流范围为0.01～1A/cm²，所述恒流电信号的工作时间为1～600s；或

D.先施加恒流电信号，再施加恒压电信号，所述恒流电信号的电流范围为0.01～1A/cm²，所述恒流电信号的工作时间为1～600s；所述恒压电信号的电压范围为0.1～15V，所述恒压电信号的时间为1～600s。

3.根据权利要求1所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硫酸溶液与溶剂Ⅰ的体积比为1:0.1～10。

4.根据权利要求3所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硫酸溶液与溶剂Ⅰ的体积比为1:0.1～3。

5.根据权利要求1所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，所述柔性金属衬底材料选自金属钼箔片、金属铝箔片、金属钛箔片或不锈钢箔片的任一种，所述箔片厚度为25～150微米。

6.根据权利要求5所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，所述柔性金属衬底材料为金属钼箔片。

7.根据权利要求1所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，步骤(2)所述的离子溶液为氯化胆碱与尿素的混合溶液，所述氯化胆碱与尿素的重量比为1：1～3。

8.根据权利要求1～7任一项所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述恒流电信号的电流范围为0.5～0.8A/cm²，所述恒流电信号的工作时间为50～200s。

9.根据权利要求1～7任一项所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，步骤(3)中，所述恒压电信号的电压范围为6～10V，所述恒压电信号的工作时间为100～300s。

10.根据权利要求1所述的太阳能电池柔性衬底的表面处理方法，其特征在于，

步骤(1)中，所述金属衬底材料选自金属钼箔片；所述金属钼箔片厚度为100微米；

步骤(2)中，所述电化学处理溶液为硫酸溶液，或硫酸溶液与甲醇溶液的混合溶液，所述硫酸溶液与甲醇溶液的体积比为1:3；

步骤(3)中，所述两次电信号为两次恒压电信号，所述恒压电信号的电压范围为6～10V，每次恒压电信号的工作时间为100～300s。