CN108336179B - 一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，在常温下，采用电子束热蒸发和离子源辅助沉积相结合的方法在所述太阳电池表面沉积所述减反射膜；所述离子源为MarkⅡ型霍尔离子源；所述霍尔离子源的阳极加速电压为150V～180V，辅助粒子束流为5A～6A。本申请的有益效果是：能够在常温下进行柔性太阳电池的减反射膜的沉积，既保证减反射膜具有满足要求的折射率又保证减反射膜具有足够的附着度；无需烘烤加热，省去了升温和降温的操作步骤，提升了太阳电池的生产效率。
Description
技术领域
本申请属于光学薄膜制备技术领域，具体地说，涉及一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法。
背景技术
柔性空间用反向生长晶格失配三结(IMM-3J)太阳电池是一种新型太阳电池，其外延结构为InGaP/GaAs/InGaAs，最高光电转换效率可达33％。此种太阳电池需要先在GaAs衬底上利用MOCVD技术按照InGaP、GaAs、InGaAs的顺序依次完成各外延层的生长，再利用半导体键合技术将最外层的InGaAs外延层与柔性金属层结合起来，最后利用湿法腐蚀技术将初始的GaAs衬底完全腐蚀，得到附着在金属层上的柔性外延层。经过光刻、电极蒸镀、划片、沉积减反射膜等工序后可将柔性外延层加工为柔性太阳电池。此种柔性太阳电池具有质量轻、效率高的优点，在太阳能无人机、太阳能飞艇以及便携式太阳能充电包等方面具有广泛的应用前景。
通常情况下，太阳光照射在电池表面会有30％左右的能量被反射掉，可以采取在电池表面制备减反射膜的手段来降低电池表面反射率，减少能量损耗，提高电池转换效率。目前空间用太阳电池采用的减反射膜沉积方式是在高真空环境下利用电子束热蒸发实现膜料的沉积，为了保证减反射膜的折射率和牢固度满足要求，需要对真空室进行预烘烤，烘烤温度均大于200℃。
对于柔性IMM-3J太阳电池，电池外延层及其所附着的金属衬底层具有不同的热膨胀系数。若在高温烘烤条件下沉积减反射膜，会导致电池外延层破裂并从金属衬底层剥离，电池转换效率完全丧失。若在不烘烤的条件下沉积减反射膜，薄膜的折射率无法满足要求，减反射效果大大下降。而且薄膜牢固度不足，无法通过胶带剥离试验。因此需要找到一种适用于柔性太阳电池的、常温下沉积减反射膜的方法。
中国专利(公布号：CN 102517554 A)一种AZO膜层室温沉积方法，利用中频磁控溅射结合离子源辅助技术，在室温条件下、在柔性有机衬底上实现AZO透明导电膜层的沉积。该专利所涉及的技术内容无法解决前文中所提出的技术问题，主要有以下几点原因：1、空间太阳电池减反射膜沉积的主要方式是电子束热蒸发方式，从原理和操作上与中频磁控溅射有很大的差异。2、由于离子源分为霍尔离子源和考夫曼离子源，该专利未对所使用的离子源种类和参数作详细说明，因此其所提供的离子源参数并无明确指导意义。3、空间太阳电池所使用的减反射膜体系是TiOx-SiO2，其薄膜特性与AZO膜不同，对应的蒸镀工艺也不相同。4、空间太阳电池的主要材质是Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，其材料特性与有机聚合物材料不同，在进行离子源辅助沉积时需要调整合适的工艺参数以避免粒子轰击所带来的半导体结构损伤。
发明内容
有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，能够在常温下制备柔性空间用三结太阳电池减反射膜，保证减反射膜足够的折射率和附着度。
为了解决上述技术问题，本申请公开了一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，并采用以下技术方案来实现。
一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，在常温下，采用电子束热蒸发和离子源辅助沉积相结合的方法在所述太阳电池表面沉积所述减反射膜。
进一步的，所述离子源辅助沉积的离子源为MarkⅡ型霍尔离子源。
更进一步的，所述霍尔离子源的阳极加速电压为150V～180V，辅助粒子束流为5A～6A。
进一步的，所述减反射膜包括TiOx薄膜和SiO2薄膜。
更进一步的，所述TiOx薄膜的沉积速率为0.3nm/s～0.45nm/s，沉积厚度为50nm～55nm；所述SiO2薄膜的沉积速率为0.55nm/s～0.75nm/s，沉积厚度为88nm～95nm。
再进一步的，所述TiOx薄膜沉积时的蒸发源材料是底面直径为1cm、高为1cm的圆柱形材料；所述SiO2薄膜沉积时的蒸发源材料是直径为2mm～4mm的颗粒。
进一步的，所述减反射膜的沉积在真空度达到10-3Pa以下的真空环境下进行，充入的工作气体使所述真空环境的气压范围在1×10-2Pa～3×10-2Pa之间。
一种使用以上所述制备方法制备的柔性空间用三结太阳电池减反射膜，依次包括折射率范围为2.20～2.25的TiOx薄膜和折射率范围为1.44～1.46的SiO2薄膜。
进一步的，所述TiOx薄膜的厚度为53nm；所述SiO2薄膜的厚度为90nm。
与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：能够在常温下进行柔性太阳电池的减反射膜的沉积，既保证减反射膜具有满足要求的折射率又保证减反射膜具有足够的附着度；采用离子源辅助沉积技术，能够增加减反射膜膜层的聚集密度和牢固度，并使薄膜的折射率满足设计要求；工艺过程中无需烘烤加热，省去了升温和降温的操作步骤，提升了太阳电池的生产效率。
当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请一个实施例的离子源辅助沉积过程示意图。
图2是无烘烤条件下，使用本申请制备方法以及仅使用电子束热蒸发制得TiOx薄膜的折射率对比图。
图3是使用了本申请制备方法制备的减反射膜的柔性太阳电池反射率曲线图。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明在常温下，采用电子束热蒸发与离子源辅助沉积相结合的减反射膜沉积技术来制备减反射膜。
离子源辅助沉积技术(IAD)是一种有效的辅助沉积技术。当膜料被加热蒸发时，膜料粒子在基板表面不断受到来自离子源的荷能粒子的轰击。通过动量转移，轰击粒子为膜料粒子提供足够的动能，提高了膜料粒子的迁移率，增加膜层的聚集密度，降低膜层表面粗糙度，具体过程示意图如图1所示。借助IAD技术，可以在无烘烤加热的情况下，获得折射率高、牢固度好、光学吸收小的氧化物薄膜。将IAD技术应用于太阳电池的减反射膜沉积过程中，可以省去升温和降温的操作步骤，大大提升太阳电池的生产加工效率。
常用的离子源有考夫曼(Kaufman)离子源和霍尔(Hall)离子源。考夫曼源具有离子能量高、放电充气量少、操作方便的特点，霍尔源具有离子能量低、束流密度高、均匀性好的特点。为了尽可能的减少辅助粒子对太阳电池造成的轰击损伤，选择MarkⅡ型霍尔离子源进行减反射膜的辅助沉积。
在真空室内无烘烤条件下，采用电子束热蒸发的方式进行柔性三结太阳电池双层减反射膜沉积，同时使用MarkⅡ型霍尔离子源进行辅助沉积。减反射膜结构依次为53nm的TiOx薄膜及90nm的SiO2薄膜，TiOx薄膜折射率为2.23，SiO2薄膜折射率为1.45。离子源的阳极电压和束流需要选择合适的参数，在实现辅助沉积效果的同时又不对太阳电池的外延结构产生损伤，保证蒸膜后太阳电池具有理想的增益效果和牢固度。TiOx的x范围为1.5～2.0，表明了沉积薄膜中的氧含量。
在上述两种薄膜材料中，TiOx薄膜折射率受温度影响较为明显。在无烘烤的条件下，以相同的速率沉积TiOx薄膜，使用离子源辅助沉积，薄膜折射率可达到2.20以上；不使用离子源辅助沉积，薄膜折射率仅为1.92。两种条件下制备得到的薄膜折射率曲线如图2所示。当TiOx薄膜折射率过低时，电池蒸膜后的短路电流和效率增益降低，导致无法获得最优性能的太阳电池。
本申请柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法的一个具体实施例的制备步骤包括：
S1：将待蒸膜的柔性三结太阳电池(2cm×2cm)夹持在镀膜机真空室内工件盘上，关闭真空室并抽真空。
S2：达到预定条件后开启MarkⅡ型离子源；
本实施例选用的预定条件为室内真空度达到10-3Pa以下。
S3：向真空室内充入工作气体氩气，控制气体流量使真空室内气压在1×10-2Pa～3×10-2Pa之间。
S4：设置MarkⅡ型离子源的参数；
待离子源等离子体起辉后，设置MarkⅡ型离子源的阳极加速电压为150V～180V，辅助粒子束流为5A～6A。
S5：设置工件盘转速；将工件盘转速设置为4rpm～6rpm。
S6：依次进行TiOx薄膜和SiO2薄膜的沉积；
TiOx薄膜的沉积速率为0.3nm/s～0.45nm/s，沉积厚度为50nm～55nm，折射率控制在2.20～2.25，使用的蒸发源材料是底面直径1cm、高1cm的圆柱形材料。
SiO2薄膜的沉积速率为0.55nm/s～0.75nm/s，沉积厚度为88nm～95nm，折射率控制在1.44～1.46，使用的蒸发源材料是2mm～4mm的颗粒。
两层膜都镀膜完成后，取出柔性太阳电池观察外延层无皲裂剥离的情况。利用分光光度计测量太阳电池在280nm～1300nm范围内的反射率曲线，得到图3中的结果。由此测量结果可知该太阳电池在400nm～800nm范围内反射率较低，满足设计和使用要求。
任选了两组柔性太阳电池样品，对每组样品在蒸膜前和利用本发明制备方法蒸膜后的电性能进行了测量，测量结果如表1所示。离子源辅助沉积未对电池性能造成负面影响，蒸膜后短路电流增益达35％以上，转换效率增益达33％以上。一般情况下评判减反射膜效果的方式是看短路电流的增益效果，对于现有的非柔性三结太阳电池，在烘烤条件下使用电子束热蒸发沉积减反射膜，短路电流增益为33％～34％，效率增益为31％～32％。可见本发明所提供的制备方法完全能够满足设计和使用要求。
表1蒸膜前后电池性能对比
本申请的有益效果是：能够在常温下进行柔性太阳电池的减反射膜的沉积，既保证减反射膜具有满足要求的折射率又保证减反射膜具有足够的附着度；采用离子源辅助沉积技术，能够增加减反射膜膜层的聚集密度和牢固度，并使薄膜的折射率满足设计要求；工艺过程中无需烘烤加热，省去了升温和降温的操作步骤，提升了太阳电池的生产效率。
常温一般定义为25℃，我国工程上常温通常是按20℃计的，这是我国大多数地方春秋天的温度，但是需要说明的是，本发明所提到的常温并非特定的某一个温度，而是通常气候环境下制造业厂房的室温。
以上对本申请实施例所提供的一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，不同厂商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。本身中所述的折射率均为在630nm波长下的折射率值。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包含”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，其特征在于：在常温下，采用电子束热蒸发和离子源辅助沉积相结合的方法在所述太阳电池表面沉积所述减反射膜，所述离子源辅助沉积的离子源为MarkⅡ型霍尔离子源，所述霍尔离子源的阳极加速电压为150V～180V，辅助粒子束流为5A～6A。
2.根据权利要求1所述柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，其特征在于：所述减反射膜包括TiOx薄膜和SiO2薄膜。
3.根据权利要求2所述柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，其特征在于：所述TiOx薄膜的沉积速率为0.3nm/s～0.45nm/s，沉积厚度为50nm～55nm；所述SiO2薄膜的沉积速率为0.55nm/s～0.75nm/s，沉积厚度为88nm～95nm。
4.根据权利要求3所述柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，其特征在于：所述TiOx薄膜沉积时的蒸发源材料是底面直径为1cm、高为1cm的圆柱形材料；所述SiO2薄膜沉积时的蒸发源材料是直径为2mm～4mm的颗粒。
5.根据权利要求4所述柔性空间用三结太阳电池减反射膜制备方法，其特征在于：所述减反射膜的沉积在真空度达到10-3Pa以下的真空环境下进行，充入的工作气体使所述真空环境的气压范围在1×10-2Pa～3×10-2Pa之间。
6.一种使用如权利要求5所述制备方法制备的柔性空间用三结太阳电池减反射膜，其特征在于：依次包括折射率范围为2.20～2.25的TiOx薄膜和折射率范围为1.44～1.46的SiO2薄膜。
7.根据权利要求6所述柔性空间用三结太阳电池减反射膜，其特征在于：所述TiOx薄膜的厚度为53nm；所述SiO2薄膜的厚度为90nm。
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