CN111092135B - 薄膜太阳能电池预制板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜太阳能电池预制板的制备方法。所述薄膜太阳能预制板的制备方法包括：步骤S10，提供金属基底，所述金属基底具有一生长表面。S20，对所述生长表面进行表面处理。S30，在所述生长表面上生长石墨烯薄膜，获得薄膜太阳能电池衬底。S40，制备背电极层，覆盖所述石墨烯薄膜，获得薄膜太阳能电池预制板。本发明在所述金属基底和所述背电极层之间制备一层石墨烯薄膜，使得所述背电极层更好地附着在所述金属基底上。这使得采用本发明提供的方法制备得到的薄膜太阳能电池具有光电转化率高、使用寿命长的优点。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池制备方法领域，特别是涉及一种薄膜太阳能电池预制板的制备方法。
背景技术
薄膜太阳能电池作为新能源的一种利用形式，其具有永久性，清洁性以及稳定性，从而深得人们的青睐。目前，关于薄膜太阳能电池的研究正进行的如火如荼。薄膜太阳能电池主要结构包括衬底，背电极层，吸收层，窗口层，电极。目前关于薄膜太阳能电池的研究中，人们的研究重点主要集中在吸收层结构及性能的提高上，而对于背电极的研究却鲜有报道。钼薄膜常常作为薄膜太阳能电池的背电极层。经过调研，钼薄膜作为薄膜太阳能电池的背电极，其质量对芯片的短路电流、填充因子及串联电阻等影响重大。在薄膜太阳能电池中，影响芯片性能的，与背电极钼薄膜质量相关的因素包括：(1)所选衬底的自然性能与缺陷；(2)衬底清洗的洁净程度；(3)钼薄膜和吸收层界面处MoSe2存在的可能形态；(4)钠离子通过钼薄膜向吸收层中的扩散；(5)钼薄膜和衬底、钼薄膜和吸收层之间的附着性。
因此，钼薄膜的质量对薄膜太阳能电池的制备以及性能具有十分重要的作用。而在已有的研究过程中发现，溅射在衬底上的金属背电极钼薄膜与衬底的结合力较弱，有的在缓冲层工序中脱落。因此，研究钼薄膜与衬底的附着力的提高方法变得尤为重要。这对薄膜太阳能电池的效率起着至关重要的作用。针对这个问题，已有John H.Scofield等提出分别在高气压和低气压下制备双层膜薄膜的方法，这很好的解决了钼薄膜与基体结合力差的问题，这种钼薄膜之间有很大的压强差界面电阻会比较大，影响薄膜太阳能电池的性能。
发明内容
基于此，有必要针对薄膜太阳能电池的背电极层附着力不强、电阻大的问题，提供一种使背电极层附着力强且电阻小的薄膜太阳能电池预制板的制备方法。
本申请提供一种薄膜太阳能电池预制板的制备方法包括：
S10，提供金属基底，所述金属基底具有一生长表面；
S20，对所述生长表面进行表面处理；
S30，在所述生长表面上生长石墨烯薄膜，获得薄膜太阳能电池衬底；
S40，制备背电极层，覆盖所述石墨烯薄膜，获得薄膜太阳能电池预制板。
上述薄膜太阳能电池预制板的制备方法，在制备背电极层前在衬底上生长了石墨烯薄膜，使得背电极层与衬底的粘附性更好。另外，在生长石墨烯薄膜之前，对金属基底表面进行表面处理，使得石墨烯更容易在金属基底上生长，且可以使石墨烯薄膜更好地附着在金属基底上。另一方面，本实施例提供的薄膜太阳能电池预制板的制备方法在背电极层与金属基底之间制备石墨烯薄膜，与双层或者多层背电极层的结构相比，具有电阻小的优点，可以提高所制备的薄膜太阳能电池的效率。在背电极层与金属基底之间制备石墨烯薄膜还可以防止金属基底中的化学元素扩散到背电极层中，从而增加所制备薄膜太阳能电池的效率。最后，石墨烯薄膜可以增加所制备的薄膜太阳能电池的韧性，从而增加所制备的薄膜太阳能电池的寿命。
在其中一个实施例中，在所述S30和所述S40之间还包括：
S50，对所述薄膜太阳能电池衬底做退火处理。
在其中一个实施例中，所述S50包括：
S51，将所述薄膜太阳电池衬底放置在加热炉内，所述加热炉内填充惰性气体；
S52，升高所述加热炉内温度来加热所述薄膜太阳能电池衬底，加热的速度为10℃/s～30℃/s，且加热到500℃～550℃；
S53，保持所述薄膜太阳能电池衬底的温度在500℃～550℃这个范围内15min～30min；
S54，加热炉停止加热，炉内温度自然下降，所述薄膜太阳能电池衬底随炉内温度冷却至300℃～360℃；
S55，保持所述薄膜太阳能电池衬底的温度在300℃～360℃这个范围内15min～30min；
S56，降低炉内温度至室温，降温速度为2℃/s～15℃/s。
在其中一个实施例中，在所述S40后还包括：
S60，对所述薄膜太阳能电池预制板做退火处理。
在其中一个实施例中，所述S60包括：
S61，将所述薄膜太阳能电池预制板放置在加热炉内，所述加热炉内填充氩气；
S62，升高所述加热炉内温度来加热所述薄膜太阳能电池预制板，加热到340℃～380℃；
S63，保持所述薄膜太阳能电池预制板的温度在340℃～380℃这个范围内15min～30min；
S64，降低加热炉内温度至室温。
在其中一个实施例中，在S30中采用化学气相沉积法生长所述石墨烯薄膜，且生长得到的所述石墨烯薄膜厚度为0.1μm～2μm。
在其中一个实施例中，所述金属基底为不锈钢材料。
在其中一个实施例中，所述S20包括：
S21，将所述金属基底放置在高压喷淋装置内；
S22，制备清洗液；
S23，用所述清洗液高压喷淋所述金属基底；
S24，将所述金属基底放入超声清洗装置中清洗；
S25，吹干所述金属基底。
在其中一个实施例中，在所述S20中，对所述金属基底进行高温处理。
在其中一个实施例中，在所述S30中，采用磁溅射法制备所述背电极层。
本申请提供的实施例中，在制备所述薄膜太阳能电池预制板的过程中增加了两个退火过程，这使得金属基底与石墨烯薄膜、石墨烯薄膜与背电极层的结合更加紧密，粘附力更高。同时，增加退火过程也可以增加所述薄膜太阳能电池预制板的柔韧性，从而增加使用所述薄膜太阳能电池预制板制备的薄膜太阳能电池的使用寿命。在一个实施例中，采用化学气相沉积法在所述金属基底上生长石墨烯薄膜，无需任何移动和清洗步骤，使得所述石墨烯薄膜更好地粘附于所述金属基底上。
附图说明
图1为本申请一个实施例中提供的薄膜太阳能电池预制板的制备方法的流程图；
图2为本申请一个实施例中提供的薄膜太阳能电池预制板的制备方法的工艺流程示意图；
图3为本申请另一个实施例中提供的薄膜太阳能电池预制板的制备方法的流程图。
符号说明：
薄膜太阳能电池衬底 100
薄膜太阳能电池预制板 200
金属基底 110
生长表面 111
石墨烯薄膜 120
背电极层 130
具体实施方式
为了使本申请的申请目的、特点和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本申请所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
请参见图1-2，本申请提供一种薄膜太阳能电池预制板的制备方法。所述薄膜太阳能电池预制板的制备方法包括如下步骤：
S10，提供金属基底110，所述金属基底110具有一生长表面111。
在步骤S10中，所述金属基底110可以为任何金属材料。在一个实施例中，所述金属基底110为不锈钢材料。在一个实施例中，所述金属基底110的厚度为5μm～120μm。
S20，对所述生长表面111进行表面处理。
在步骤S20中，对所述生长表面111进行表面处理，使得所述生长表面111更加干净、平整。对所述生长表面111进行表面处理可以使所述石墨烯薄膜120更容易在所述金属基底110上生长，且使得所述石墨烯薄膜120与所述金属基底110贴合的更加紧密，不易脱落。
在一个实施例中，对所述金属基底110进行高温处理。进行高温处理可以使得所述金属基底110的表面结构更加平整，从而有利于生长所述石墨烯薄膜120。具体地，整个高温处理过程在一个反应室中完成。所述反应室中被通入氢气，且氢气的气体流量为2sccm～35sccm。所述反应室内为真空环境。所述反应时内的气压为0.1Pa～100Pa。高温处理时间为0.5小时～1.5小时。所述反应室内温度控制在800℃～1500℃。
在另一个实施例中，对所述金属基底110的表面进行清洗。进行清洗可以洗去所述金属基底110表面的杂质，使得所述金属基底110的表面更加干净，从而有利于生长所述石墨烯薄膜120。在一个具体实施例中，所述S20包括以下步骤：
S21，将所述金属基底110放置在高压喷淋装置内。
在步骤S21中，所述高压喷淋装置存在一个空腔。所述金属基底110放置在所述空腔内。所述高压喷淋装置存在注水口。所述高压喷淋装置在注入液体后，可以将注入的液体高压喷淋至所述空腔内。
S22，制备清洗液。
在步骤S22中，所述清洗液可以为任何具有清洗金属表面杂质作用的液体。在一个实施例中，所述清洗液中可以包含柠檬酸、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺、乙醇、壬基酚聚氧乙烯醚和等离子水。其中，柠檬酸的重量百分比为8wt％～25wt％。椰子油脂肪酸二乙醇酰胺的重量百分比为1wt％～11wt％。乙醇的重量百分比为3wt％～9wt％。壬基酚聚氧乙烯醚的重量百分比为0.01wt％～0.5wt％。上述清洗液的制备方法为：首先在搅拌器中加入去离子水低速搅拌。然后向搅拌器中依次缓慢加入柠檬酸、椰子油脂肪酸二乙醇酰胺，搅拌至均匀透明。最后加入乙醇，加入乙醇后再搅拌10分钟～20分钟即可。
S23，用所述清洗液高压喷淋所述金属基底110。
在一个实施例中，步骤S23中高压喷淋所述金属基底110的时间为1分钟～2分钟。高压喷淋所述金属基底110后将所述金属基底110在空气中静止放置2分钟～5分钟。
S24，将所述金属基底110放入超声清洗装置中清洗。
在一个实施例中，步骤S24中所述超声清洗装置中加入去离子水。所述金属基底110放入装置内的去离子水中。所述超声清洗装置采用频率为20kHz～40kHz的超声波震荡装置中的去离子水。震荡时间为10分钟～40分钟。
S25，吹干所述金属基底110。
在一个实施例中，步骤S25中用氮气吹干所述金属基底110。
S30，在所述生长表面111上生长石墨烯薄膜120，获得薄膜太阳能电池衬底100。
在一个实施例中，步骤S30中所述石墨烯薄膜120的厚度为0.1μm～2μm。生长所述石墨烯薄膜120的制备方法不限，可以采用化学气相沉积法、热解SiC法、金属基底外延生长法、有机合成法或还原氧化石墨法中的一种。在一个实施例中，采用化学气相沉积法生长所述石墨烯薄膜120。在一个具体实施例中，采用化学气相沉积法生长所述石墨烯薄膜120包括如下步骤：
S31，将所述金属基底110放入化学气相沉积腔室中。
S32，在所述化学气相沉积腔室中通入氩气。
S33，将所述化学气相沉积腔室中的温度升高至870℃～900℃。升温时间为20分钟～45分钟。
S34，在所述化学气相沉积腔室中通入氢气。所述氢气占所述化学气相沉积腔室中混合气的体积分数不低于50％。
S35，将所述化学气相沉积腔室中的温度升高至930℃～1100℃。
S36，保持所述化学气相沉积腔室中的温度在930℃～1100℃这一温度范围内10分钟～30分钟。
S37，向所述化学气相沉积腔室中通入流量为5cm3/min～15cm3/min的甲烷、100cm3/min～300cm3/min的氩气和500cm3/min～1200cm3/min的氢气。
S38，将所述化学气相沉积腔室中的温度保持在1000℃～1100℃内1小时～15小时，生长所述石墨烯薄膜120。
S39，停止通气，并将所述化学气相沉积腔室中的温度降至室温。
S40，制备背电极层130，覆盖所述石墨烯薄膜120，获得薄膜太阳能电池预制板200。
在步骤S40中，所述背电极层130可以为Au、Ag、Al、Cu、Mo等金属薄膜。在一个实施例中，所述背电极层130为Mo金属薄膜。在一个实施例中，所述背电极层130的厚度为0.2μm～10μm。制备所述背电极层130可以采用任何可行方法，本申请不对其进行限定。在一个实施例中，采用磁溅射法制备所述背电极层130。更具体地，采用磁控溅射机制备所述背电极层130。首先将所述磁控溅射机的真空度调整到5×10-3Pa。在真空度为5×10-3Pa时向所述磁控溅射机内通入高纯氩气。然后调节所述磁控溅射机内的气压为0.05Pa～0.5Pa，功率密度为3W/cm2～6W/cm2。最后利用设置好的磁控溅射机在所述石墨烯薄膜120上溅射一层厚度为0.2μm～10μm的Mo薄膜层。
请参见图3，在一个实施例中，所述薄膜太阳能电池预制板的制备方法还包括步骤S50。步骤S50在步骤S30和步骤S40之间。步骤S50为对所述薄膜太阳能电池衬底100做退火处理。
在一个具体实施例中，所述S50包括：
S51，将所述薄膜太阳电池衬底100放置在加热炉内，所述加热炉内填充惰性气体。
S52，升高所述加热炉内温度来加热所述薄膜太阳能电池衬底100，加热的速度为10℃/s～30℃/s，且加热到500℃～550℃。
S53，保持所述薄膜太阳能电池衬底100的温度在500℃～550℃这个范围内15min～30min。
S54，加热炉停止加热，炉内温度自然下降，所述薄膜太阳能电池衬底100随炉内温度冷却至300℃～360℃。
S55，保持所述薄膜太阳能电池衬底100的温度在300℃～360℃这个范围内15min～30min。
S56，降低炉内温度至室温，降温速度为2℃/s～15℃/s。
在一个实施例中，所述薄膜太阳能电池预制板的制备方法还包括步骤S60。步骤S60在步骤S40之后。步骤S60为对所述薄膜太阳能电池预制板200做退火处理。
在一个具体实施例中，所述S60包括：
S61，将所述薄膜太阳能电池预制板200放置在加热炉内，所述加热炉内填充氩气。
S62，升高所述加热炉内温度来加热所述薄膜太阳能电池预制板200，加热到340℃～380℃。
S63，保持所述薄膜太阳能电池预制板200的温度在340℃～380℃这个范围内15min～30min。
S64，降低加热炉内温度至室温。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种薄膜太阳能电池预制板的制备方法，其特征在于，包括：S10，提供金属基底(110)，所述金属基底(110)具有一生长表面(111)；S20，对所述生长表面(111)进行表面处理；S30，在所述生长表面(111)上生长石墨烯薄膜(120)，所述石墨烯薄膜(120)厚度为0.1μm～2μm，获得薄膜太阳能电池衬底(100)；S50，对所述薄膜太阳能电池衬底(100)做退火处理；S51，将所述薄膜太阳能 电池衬底(100)放置在加热炉内，所述加热炉内填充惰性气体；S52，升高所述加热炉内温度来加热所述薄膜太阳能电池衬底(100)，加热的速度为10℃/s～30℃/s，且加热到500℃～550℃；S53，保持所述薄膜太阳能电池衬底(100)的温度在500℃～550℃这个范围内15min～30min；S54，加热炉停止加热，炉内温度自然下降，所述薄膜太阳能电池衬底(100)随炉内温度冷却至300℃～360℃；S55，保持所述薄膜太阳能电池衬底(100)的温度在300℃～360℃这个范围内15min～30min；S56，降低炉内温度至室温，降温速度为2℃/s～15℃/s；S40，制备背电极层(130)，覆盖所述石墨烯薄膜(120)，获得薄膜太阳能电池预制板(200)；S60，对所述薄膜太阳能电池预制板(200)做退火处理；S61，将所述薄膜太阳能电池预制板(200)放置在加热炉内，所述加热炉内填充氩气；S62，升高所述加热炉内温度来加热所述薄膜太阳能电池预制板(200)，加热到340℃～380℃；S63，保持所述薄膜太阳能电池预制板(200)的温度在340℃～380℃这个范围内15min～30min；S64，降低加热炉内温度至室温。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池预制板的制备方法，其特征在于，所述金属基底(110)为不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池预制板的制备方法，其特征在于，所述S20包括：S21，将所述金属基底(110)放置在高压喷淋装置内；S22，制备清洗液；S23，用所述清洗液高压喷淋所述金属基底(110)；S24，将所述金属基底(110)放入超声清洗装置中清洗；S25，吹干所述金属基底(110)。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池预制板的制备方法，其特征在于，在所述S20中，对所述金属基底(110)进行高温处理。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池预制板的制备方法，其特征在于，在所述S30中，采用磁溅射法制备所述背电极层(130)。
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