CN110614540A - 一种不锈钢衬底的抛光方法和太阳能薄膜电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不锈钢衬底的抛光方法和太阳能薄膜电池，其中，不锈钢衬底的抛光方法包括：向不锈钢衬底表面铺金属颗粒；加热所述不锈钢衬底，熔融全部或者部分所述金属颗粒，以填充所述不锈钢衬底表面的深谷，并在所述不锈钢衬底表面形成一层金属薄膜，其中，所述金属颗粒的熔点小于所述不锈钢衬底的熔点；调节机械抛光装置中的抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离，其中，所述设定距离为30nm～300nm；利用所述抛光刀片切割所述不锈钢衬底表面的毛刺。本发明解决了电池效率下降的问题，增加了背电极和不锈钢衬底的结合力，降低了抛光成本。
Description
技术领域
本发明实施例涉及抛光技术领域，尤其涉及一种不锈钢衬底的抛光方法和太阳能薄膜电池。
背景技术
目前，由于不锈钢衬底重量轻，有一定的可弯折性，可以随意裁剪，随意焊接，且不锈钢衬底的厚度在20-100μm时，仍然具有一定的强度和韧性，可以支撑薄膜电池的后续制造工艺，同时不锈钢衬底的热稳定性和化学稳定性相对较高，可以支持几十年的薄膜电池寿命，因此柔性太阳能薄膜电池常采用不锈钢衬底。
然而不锈钢衬底在微观结构上往往有很多毛刺和深谷，而较高的毛刺无法被太阳能薄膜电池的金属电极层覆盖，会深入到太阳能薄膜电池的吸收层，从而导致电池效率下降；另外，一定深度的深谷也会导致沉积的金属电极层在衬底上不连续，即金属电极层的表面有凹陷，从而导致部分光电流无法输出，电池效率下降。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种不锈钢衬底的抛光方法和太阳能薄膜电池，以提高电池效率，增加背电极和不锈钢衬底的结合力，降低抛光成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明实施例提供了一种不锈钢衬底的抛光方法，包括：
向不锈钢衬底表面铺金属颗粒；
加热所述不锈钢衬底，熔融全部或者部分所述金属颗粒，以填充所述不锈钢衬底表面的深谷，并在所述不锈钢衬底表面形成一层金属薄膜，其中，所述金属颗粒的熔点小于所述不锈钢衬底的熔点；
调节机械抛光装置中的抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离，其中，所述设定距离为30nm～300nm；
利用所述抛光刀片切割所述不锈钢衬底表面的毛刺。
进一步地，所述加热所述不锈钢衬底，包括：
在真空或者惰性气体环境中加热所述不锈钢衬底至200～1200℃，并保持1～60分钟。
进一步地，所述向不锈钢衬底表面铺金属颗粒，包括：
分多次向所述不锈钢衬底表面铺金属颗粒；
每次向所述不锈钢衬底表面铺金属颗粒之后，执行加热所述不锈钢衬底的操作。
进一步地，每次加热所述不锈钢衬底的温度相同或不同。
进一步地，在填充所述深谷时铺设的金属颗粒的粒度，小于填充完所述深谷后铺设的金属颗粒的粒度。
进一步地，所述金属颗粒的熔点大于后续制备太阳能薄膜电池的工艺温度。
进一步地，所述金属颗粒的材料包括铜和/或锰。
进一步地，所述金属颗粒的热膨胀系数与所述不锈钢衬底的热膨胀系数相匹配。
进一步地，所述机械抛光装置包括至少一个所述抛光刀片、切面和传动轴，所述抛光刀片固定于所述切面上，所述传动轴与所述切面固定连接；
所述调节机械抛光装置中的抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离，包括：
通过所述传动轴的上下移动，调节所述抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离。
进一步地，所述利用所述抛光刀片切割所述不锈钢衬底表面的毛刺，包括：
将所述机械抛光装置固定；
利用卷对卷装置传送所述不锈钢衬底；
所述抛光刀片对传送至所述抛光刀片处的毛刺进行切割。
进一步地，所述卷对卷装置的传送速度小于5m/min。
进一步地，所述机械抛光装置包括一排平行设置的多个所述抛光刀片。
进一步地，在所述抛光刀片的排布方向上，所述抛光刀片的长度与相邻抛光刀片之间间距的比值为1/3～3。
另一方面，本发明实施例提供了一种太阳能薄膜电池，包括依次叠层设置的不锈钢衬底、背电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极，所述不锈钢衬底采用上述一方面所述的不锈钢衬底的抛光方法进行抛光；
所述背电极完全覆盖所述不锈钢衬底表面的毛刺。
进一步地，还包括位于所述不锈钢衬底和所述背电极之间的阻挡层，所述阻挡层完全覆盖所述毛刺。
本发明的有益效果是：本发明提供的不锈钢衬底的抛光方法和太阳能薄膜电池，通过向不锈钢衬底表面铺金属颗粒并加热熔融，使得不锈钢衬底表面的深谷被填平，从而避免了沉积的背电极在不锈钢衬底上不连续，提高了电池效率；通过调节机械抛光装置中的抛光刀片到不锈钢衬底表面的距离为30nm～300nm，使得不锈钢衬底表面被抛光刀片切割后的毛刺可以被太阳能薄膜电池的背电极完全覆盖，从而使太阳能薄膜电池的吸收层不受毛刺的影响，进一步提高了电池效率；同时，不锈钢衬底表面残留的毛刺使得不锈钢衬底表面具有一定的粗糙度，可以增加沉积的背电极与不锈钢衬底的结合力；另外，由于在不锈钢衬底表面形成的一层金属薄膜降低了不锈钢衬底表面的粗糙度以及毛刺的高度，与表面未形成金属薄膜的不锈钢衬底相比，本发明的不锈钢衬底表面存在更多的高度低于设定距离的毛刺未被抛光刀片切割到，由此进一步减少了抛光刀片的损耗，从而可以大幅降低抛光成本。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：
图1是本发明实施例提供的不锈钢衬底的抛光方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的不锈钢衬底在抛光前的微观剖面示意图；
图3是本发明实施例提供的铺上金属颗粒的不锈钢衬底的微观剖面示意图；
图4是本发明实施例提供的金属颗粒熔融后的不锈钢衬底的微观剖面示意图；
图5是本发明实施例提供的抛光刀片切割毛刺时的示意图；
图6是本发明实施例提供的不锈钢衬底在抛光后的微观剖面示意图；
图7是本发明实施例提供的不锈钢衬底的机械抛光系统的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种太阳能薄膜电池的剖面结构示意图；
图9是本发明实施例提供的另一种太阳能薄膜电池的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
图1是本发明实施例提供的不锈钢衬底的抛光方法的流程示意图。该方法适用于填充锈钢衬底表面的深谷并对不锈钢衬底表面的毛刺进行切割的情况，如图1所示，该不锈钢衬底的抛光方法包括：
步骤110、向不锈钢衬底表面铺金属颗粒。
图2是本发明实施例提供的不锈钢衬底在机械抛光前的微观剖面示意图。如图2所示，不锈钢衬底10在微观结构上存在很多深谷102，一定深度的深谷102也会导致沉积的背电极在不锈钢衬底10上不连续，即背电极的表面有凹陷，从而导致部分光电流无法输出，电池效率下降。
针对上述问题，本发明采用喷涂金属颗粒的方式在不锈钢衬底表面平铺金属颗粒。如图3所示，金属颗粒3的粒度小于深谷102的开口，金属颗粒3可以填充到深谷102内，以使金属颗粒3经熔融后可以填满深谷102，避免产生气泡，以致在后续工艺中产生凹陷等缺陷。
步骤120、加热不锈钢衬底，熔融全部或者部分金属颗粒，以填充不锈钢衬底表面的深谷，并在不锈钢衬底表面形成一层金属薄膜。
示例性地，如图4所示，本发明实施例可对不锈钢衬底进行加热，金属颗粒3受热熔融后具有流动性，可以填充深谷102，再缓慢降温以固化深谷102中以及不锈钢衬底10表面的熔融金属，使深谷102中填充金属材料，并在不锈钢衬底10表面形成一层平坦的金属薄膜31。此时，沉积的背电极可在不锈钢衬底10上连续，使得光电流正常输出，提高了电池效率。本实施例中，金属颗粒3的熔点小于不锈钢衬底10的熔点。而且，在高温下，熔融的金属可以与不锈钢衬底10互相扩散，从而形成紧密的结合。另外，也可以仅将金属颗粒3加热到具有一定流动性，实现金属颗粒3在深谷102中流动即可，此时加热温度可以为200～1200℃。进一步地，可在真空或者惰性气体环境中加热不锈钢衬底10至200～1200℃，并保持1～60分钟，以防止金属颗粒3在加热充填过程中被氧化。
步骤130、调节机械抛光装置中的抛光刀片到金属薄膜表面的距离至设定距离。
继续参考图2，不锈钢衬底10在微观结构上存在很多毛刺101，而在后续太阳能薄膜电池的制备工艺中，较高的毛刺101无法被沉积的背电极覆盖，导致部分毛刺101深入到太阳能薄膜电池的吸收层，从而导致电池效率下降。经上述步骤在不锈钢衬底表面形成金属薄膜后，在金属薄膜表面仍有较高的毛刺。
针对上述问题，本发明设置可带动抛光刀片上下移动的机械抛光装置，通过调节机械抛光装置中的抛光刀片到金属薄膜表面的距离，实现对较高毛刺101的切割，避免较高的毛刺101深入到太阳能薄膜电池的吸收层。示例性地，本发明实施例中，机械抛光装置可包括至少一个抛光刀片，设定距离可以为30nm～300nm。由此，切割后的毛刺的高度不会高于设定距离，相应地，毛刺的最大高度可不高于300nm，而背电极的厚度一般为300nm～1μm，因此，在该设定距离下切割后的毛刺可以被背电极完全覆盖，不会深入到太阳能薄膜电池的吸收层，有效防止电池效率的下降；另外，在上述设定距离下，将被切割的毛刺的最小高度可不低于30nm，因此，可在不影响电池效率的情况下，使金属薄膜的表面仍具有一定的粗糙度，而一定的粗糙度却可以增加背电极和不锈钢衬底的结合力，从而提高了太阳能薄膜电池整体牢固结合的可靠性。
通常，在太阳能薄膜电池中，不锈钢衬底和背电极之间设置有阻挡层，以防止不锈钢衬底的粒子扩散至吸收层，因此，本发明的设定距离也可根据阻挡层的厚度进行设置。目前，阻挡层包括一层或两层阻挡层，整体厚度为100nm～200nm，对此，本发明实施例的设定距离可以为30nm～200nm，针对阻挡层的厚度适当调整设定距离，使得阻挡层可完全覆盖切割后的毛刺，避免毛刺的材料扩散至吸收层，从而提高了电池效率。
步骤140、利用抛光刀片切割不锈钢衬底表面的毛刺。
图5是本发明实施例提供的抛光刀片切割毛刺时的示意图。如图5所示，在调节抛光刀片11到金属薄膜31表面的距离至设定距离d后，控制机械抛光装置1和/或不锈钢衬底10移动，使得不锈钢衬底10迎着抛光刀片11的刀刃相对移动，且在移动过程中始终保持抛光刀片11到金属薄膜31表面的距离为设定距离d，以确保切割后的毛刺不会深入到吸收层。
图6是本发明实施例提供的不锈钢衬底在抛光后的微观剖面示意图。如图6所示，利用抛光刀片切割不锈钢衬底10表面的毛刺101，实现对不锈钢衬底10的机械抛光，此时，不锈钢衬底10表面仍残留被抛光刀片切割后的第一毛刺1011，以及未被抛光刀片切割到的较小的第二毛刺1012，第一毛刺1011和第二毛刺1012可以增加背电极和不锈钢衬底的结合力；同时，较多的第二毛刺1012未被抛光刀片切割到，在不影响电池效率的情况下大大减少了抛光刀片的损耗，从而降低了更换抛光刀片的成本，进而可以大幅降低机械抛光成本。
另外，由于在不锈钢衬底表面形成的一层金属薄膜降低了不锈钢衬底表面的粗糙度以及毛刺的高度，因此，存在更多的高度低于设定距离的毛刺(以金属薄膜表面为起始高度)，即更多的毛刺未被抛光刀片切割到，由此进一步减少了抛光刀片的损耗，从而可以大幅降低抛光成本。
本发明实施例提供的不锈钢衬底的抛光方法，通过向不锈钢衬底表面铺金属颗粒并加热熔融，使得不锈钢衬底表面的深谷被填平，从而避免了沉积的背电极在不锈钢衬底上不连续，提高了电池效率；通过调节机械抛光装置中的抛光刀片到不锈钢衬底表面的距离为30nm～300nm，使得不锈钢衬底表面被抛光刀片切割后的毛刺可以被太阳能薄膜电池的背电极完全覆盖，从而使太阳能薄膜电池的吸收层不受毛刺的影响，进一步提高了电池效率；同时，不锈钢衬底表面残留的毛刺使得不锈钢衬底表面具有一定的粗糙度，可以增加沉积的背电极与不锈钢衬底的结合力；另外，由于在不锈钢衬底表面形成的一层金属薄膜降低了不锈钢衬底表面的粗糙度以及毛刺的高度，与表面未形成金属薄膜的不锈钢衬底相比，本发明的不锈钢衬底表面存在更多的高度低于设定距离的毛刺未被抛光刀片切割到，由此进一步减少了抛光刀片的损耗，从而可以大幅降低抛光成本。
需要说明的是，本发明提供的不锈钢衬底的抛光方法中，可以先对不锈钢衬底表面的毛刺进行机械抛光，再对不锈钢衬底表面的深谷进行金属颗粒的填充，即先执行上述步骤130和步骤140，再执行步骤110和步骤120。
进一步地，上述步骤向不锈钢衬底表面铺金属颗粒，可包括：分多次向不锈钢衬底表面铺金属颗粒；且每次向不锈钢衬底表面铺金属颗粒之后，执行加热不锈钢衬底的操作，即执行上述步骤120。本实施例分多次向不锈钢衬底表面铺金属颗粒，每次铺上少量金属颗粒并加热，不仅可以提高对深谷的填充效果，还可以使形成的金属薄膜的表面达到更好的平整度，进而使后续沉积的背电极在不锈钢衬底上连续。
可选地，每次加热不锈钢衬底的温度可以相同，也可以不同，只要使每次铺的金属颗粒全部或部分熔融或具有一定流动性即可。
进一步地，在填充深谷时铺设的金属颗粒的粒度(尺寸大小)，小于填充完深谷后铺设的金属颗粒的粒度。由此可以使较小的金属颗粒先填充至深谷中，以便熔融的金属填充满深谷；而在填充完深谷后向不锈钢衬底表面铺较大的金属颗粒，可以铺较少的金属颗粒，提高铺金属颗粒的效率。
进一步地，金属颗粒的熔点大于后续制备太阳能薄膜电池的工艺温度。此时，金属颗粒的熔点应介于后续制备太阳能薄膜电池的工艺温度与不锈钢衬底的熔点之间。示例性地，不锈钢的熔点在1300～1400℃之间，后续制备太阳能薄膜电池的工艺温度最高能达到700℃，而铜的熔点为1083℃，锰的熔点为1244℃，因此，金属颗粒的材料可以为铜或锰或铜和锰的合金。由此，可防止形成的金属薄膜在后续制备太阳能薄膜电池的工艺中熔融，进而避免太阳能薄膜电池报废。
进一步地，金属颗粒的热膨胀系数与不锈钢衬底的热膨胀系数相匹配。由此可避免金属薄膜与不锈钢衬底因热膨胀时受内应力作用而分离甚至产生裂纹。
可选地，继续参考图5，机械抛光装置1还包括切面12和传动轴13，抛光刀片11固定于切面12上，传动轴13与切面12固定连接。
进一步地，调节机械抛光装置中的抛光刀片到金属薄膜表面的距离至设定距离，包括：通过传动轴13的上下移动，调节抛光刀片11到金属薄膜31表面的距离至设定距离d。
其中，机械抛光装置1可包括一排平行设置的多个抛光刀片11。考虑到随着抛光刀片11切割次数的增加，抛光刀片11的损耗增大，无法有效切割毛刺。因此，一次性设置一排平行设置的多个抛光刀片11，可避免对抛光刀片11的频繁更换，减少更换时间，提高抛光效率，且可以保证对毛刺的有效切割。
进一步地，在抛光刀片11的排布方向上，抛光刀片11的长度a与相邻抛光刀片之间间距b的比值为1/3～3。此时，既能有效地让很多毛刺101进入空隙范围，从而被抛光刀片11切割掉，又能使抛光刀片11有足够的切割力度，实现对毛刺的有效切割。
可选地，上述方案中，利用抛光刀片切割不锈钢衬底表面的毛刺，可包括：
A、将机械抛光装置固定；具体可固定机械抛光装置的传动轴的顶部，仅通过传动轴的上下移动来带动抛光刀片的上下移动，并限制抛光刀片水平向的移动。
B、利用卷对卷装置传送不锈钢衬底。
通过卷对卷装置可控制中间部分的不锈钢衬底水平向移动，且可保证中间部分的不锈钢衬底在移动过程中始终位于同一水平面，使得设定距离固定不变；而且，仅通过卷对卷装置控制不锈钢衬底移动，而机械抛光装置固定，可将一大卷不锈钢衬底在较小的空间内进行机械抛光。
可选地，卷对卷装置的传送速度小于5m/min，即不锈钢衬底的移动速度小于5m/min。这是因为不锈钢衬底移动太快，不锈钢衬底表面的毛刺容易越过抛光刀片，得不到有效的切割；而如果不锈钢衬底移动速度太慢，则影响切割的效率，因此卷对卷装置的传送速度可大于1m/min。
C、抛光刀片对传送至抛光刀片处的毛刺进行切割。
基于上述方案，本发明实施例还提供了一种不锈钢衬底的机械抛光系统来执行对毛刺的切割操作。示例性地，如图7所示，该不锈钢衬底的机械抛光系统包括卷对卷装置2和上述不锈钢衬底的机械抛光装置1；其中，不锈钢衬底的机械抛光装置1固定设置，卷对卷装置2用于传送不锈钢衬底10，以使不锈钢衬底的机械抛光装置1的抛光刀片切割不锈钢衬底10表面的毛刺。
其中，卷对卷装置2可控制中间部分的不锈钢衬底10水平向移动，且可保证中间部分的不锈钢衬底10在移动过程中始终位于同一水平面，使得设定距离固定不变；而且，通过该不锈钢衬底的机械抛光系统实现对不锈钢衬底的机械抛光(切割毛刺)，可将一大卷不锈钢衬底在较小的空间内进行机械抛光。
另外，本发明实施例还提供了一种太阳能薄膜电池，如图8所示，该太阳能薄膜电池包括依次叠层设置的不锈钢衬底10、背电极20、吸收层30、缓冲层40、窗口层50和顶电极60，不锈钢衬底10采用本发明实施例提供的不锈钢衬底的机械抛光方法进行抛光；背电极20完全覆盖不锈钢衬底10表面的毛刺。
进一步地，如图9所示，上述太阳能薄膜电池还可包括位于不锈钢衬底10和背电极20之间的阻挡层70，此时，阻挡层70完全覆盖毛刺。
本发明实施例所提供的太阳能薄膜电池，其中的不锈钢衬底采用本发明实施例提供的不锈钢衬底的机械抛光方法进行抛光，具备相应的功能和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (15)
1.一种不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，包括：
向不锈钢衬底表面铺金属颗粒；
加热所述不锈钢衬底，熔融全部或者部分所述金属颗粒，以填充所述不锈钢衬底表面的深谷，并在所述不锈钢衬底表面形成一层金属薄膜，其中，所述金属颗粒的熔点小于所述不锈钢衬底的熔点；
调节机械抛光装置中的抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离，其中，所述设定距离为30nm～300nm；
利用所述抛光刀片切割所述不锈钢衬底表面的毛刺。
2.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述加热所述不锈钢衬底，包括：
在真空或者惰性气体环境中加热所述不锈钢衬底至200～1200℃，并保持1～60分钟。
3.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述向不锈钢衬底表面铺金属颗粒，包括：
分多次向所述不锈钢衬底表面铺金属颗粒；
每次向所述不锈钢衬底表面铺金属颗粒之后，执行加热所述不锈钢衬底的操作。
4.根据权利要求3所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，每次加热所述不锈钢衬底的温度相同或不同。
5.根据权利要求3所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，在填充所述深谷时铺设的金属颗粒的粒度，小于填充完所述深谷后铺设的金属颗粒的粒度。
6.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述金属颗粒的熔点大于后续制备太阳能薄膜电池的工艺温度。
7.根据权利要求6所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述金属颗粒的材料包括铜和/或锰。
8.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述金属颗粒的热膨胀系数与所述不锈钢衬底的热膨胀系数相匹配。
9.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述机械抛光装置包括至少一个所述抛光刀片、切面和传动轴，所述抛光刀片固定于所述切面上，所述传动轴与所述切面固定连接；
所述调节机械抛光装置中的抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离，包括：
通过所述传动轴的上下移动，调节所述抛光刀片到所述金属薄膜表面的距离至设定距离。
10.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述利用所述抛光刀片切割所述不锈钢衬底表面的毛刺，包括：
将所述机械抛光装置固定；
利用卷对卷装置传送所述不锈钢衬底；
所述抛光刀片对传送至所述抛光刀片处的毛刺进行切割。
11.根据权利要求10所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述卷对卷装置的传送速度小于5m/min。
12.根据权利要求1所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，所述机械抛光装置包括一排平行设置的多个所述抛光刀片。
13.根据权利要求12所述的不锈钢衬底的抛光方法，其特征在于，在所述抛光刀片的排布方向上，所述抛光刀片的长度与相邻抛光刀片之间间距的比值为1/3～3。
14.一种太阳能薄膜电池，其特征在于，包括依次叠层设置的不锈钢衬底、背电极、吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极，所述不锈钢衬底采用如权利要求1-13任一项所述的不锈钢衬底的抛光方法进行抛光；
所述背电极完全覆盖所述不锈钢衬底表面的毛刺。
15.根据权利要求14所述的太阳能薄膜电池，其特征在于，还包括位于所述不锈钢衬底和所述背电极之间的阻挡层，所述阻挡层完全覆盖所述毛刺。
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