CN116544316B - 一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法，能够长时间有效地抑制AlSb薄膜太阳能电池潮解。包括一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法，包括以下步骤：S1、采用磁控溅射方法在真空室内将AlSb薄膜沉积在FTO衬底上；S2、保持步骤S1得到的样品在真空环境中，在AlSb薄膜上沉积Ni金属薄膜层；S3、步骤S2完成后，将样品从真空室中取出，放置在培养皿内，立即将准备好的丙烯酸树脂溶液喷涂反复改在Ni金属薄膜层上，静置等待丙烯酸树脂溶液干燥成膜；S4、将步骤S3中得到的FTO/AlSb/Ni/丙烯酸树脂重新放置到磁控溅射真空室中，常温下沉积第二层Ni金属薄膜；丙烯酸树脂由全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯制备而成。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池加工领域，尤其涉及一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法。
背景技术
随着社会的发展和居民生活水平的提高，对能源的需求量日益增大。由于传统化石燃料伴随的污染以及不可再生的原因，寻找可持续发展的清洁能源已经迫在眉睫。太阳能具有电池清洁无污染，循环可再生的特点，在能源领域具有广阔前景。
理想的太阳能电池需要具备四个基本要求：（1）半导体材料的禁带在1.0~1.7eV；（2）较高的理论光电转换效率；（3）材料环保无污染；（4）材料便于工业化生产且性能稳定。
太阳电池发展至今，已经经历了以晶硅为代表的第一代太阳电池，以碲化镉、铜铟镓硒薄膜太阳电池为代表的第二代太阳电池和以钙钛矿为代表的第三代太阳电池。相较于前三代太阳能电池生产成本高、材料本身含重金属和工业生产性能不稳定的缺陷，锑化铝(AlSb)材料其能隙带宽1.62 eV，理论光电转换效率27%以上，AlSb材料元素及化合物对环境友好。但由于AlSb多晶薄膜与空气中的水汽接触容易发生潮解，限制了AlSb的广泛应用。
现有技术中使用机薄膜和金属薄膜交替沉积形成多层保护薄膜的技术抑制了锑化铝薄膜的潮解，但有机薄膜在使用过程中容易老化，使用寿命低，不能长期有效地起到防潮解的作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法，能够长时间有效地抑制AlSb薄膜太阳能电池潮解。
具体地，包括一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法，包括以下步骤：
S1、采用磁控溅射方法在真空室内将AlSb薄膜沉积在FTO衬底上；
S2、保持步骤S1得到的样品在真空环境中，在AlSb薄膜上沉积Ni金属薄膜层；
S3、步骤S2完成后，将样品从真空室中取出，放置在培养皿内，立即将准备好的丙烯酸树脂溶液喷涂覆盖在Ni金属薄膜层上，静置等待丙烯酸树脂溶液干燥成膜；
S4、将步骤S3中得到的FTO/AlSb/Ni/丙烯酸树脂重新放置到磁控溅射真空室中，常温下沉积第二层Ni金属薄膜；
丙烯酸树脂由全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯制备而成。
进一步地，丙烯酸树脂的合成方法包括以下步骤
S11、按比例加入丙酮和乳化剂，搅拌升温至75℃，其中丙酮质量分数占总量的30%，乳化剂选自由全氟壬氧基苯磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚体积比1:1的混合溶液，质量分数为单体总质量的5%；
S12、滴加全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯的混合溶液，其中全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯的质量比为75:25，并搅拌0.5 h；
S13、缓慢滴加过硫酸铵的水溶液，使加入的过硫酸铵的质量分数为单体总质量的1.5%，滴加完毕后，持续搅拌，并维持温度在75℃反应5小时，即得。
在一些实施方式中，所述全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)10-12CF3和CH2=CHCOO(CH2)16-18CF3中的一种，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯和甲基丙烯酸十八酯中的一种。
在一些实施方式中，全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)16-18CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。
本发明的有益效果，现有技术中使用普通丙烯酸酯作为抑制潮解，申请人在后续研究中发现，在太阳能电池的实际使用中，表面温度有时会达到50℃，有时甚至会达到60℃，在温度升高时，在水和氧气的存在下，金属Ni会与丙烯酸酯中的双键发生反应，加速丙烯酸酯的老化，本发明选用合适碳链长度的全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯制备的到的丙烯酸酯，增加金属Ni与丙烯酸酯中双键的空间位阻，同时含氟的一端增加丙烯酸酯的疏水性，大大增加了丙烯酸酯对AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程；
图2为不锈钢衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程。
具体实施方式
提供下述实施例进一步阐述本发明，但不应认为其将本发明限制在实施例所述的细节。
玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程，参考图1：
S1、采用磁控溅射方法在真空室内将AlSb薄膜沉积在FTO玻璃衬底上，其中衬底温度400℃、沉积气压0.4Pa、溅射功率60W，薄膜厚度2000nm，磁控溅射方式为直流模式；
S2、保持步骤S1得到的样品在真空环境中，在AlSb薄膜上沉积Ni金属薄膜层，其中衬底温度400℃、沉积气压0.4Pa、溅射功率60W，薄膜厚度2000nm，磁控溅射方式为直流模式；
S3、步骤S2完成后，将样品从真空室中取出，放置在培养皿内，立即将准备好的丙烯酸树脂溶液喷涂覆盖在Ni金属薄膜层上，静置等待丙烯酸树脂溶液干燥成膜；
S4、将步骤S3中得到的FTO/AlSb/Ni/丙烯酸树脂重新放置到磁控溅射真空室中，常温下沉积第二层Ni金属薄膜，其中衬底温度25℃、沉积气压0.5Pa、溅射功率60W，薄膜厚度1000nm，磁控溅射方式为直流模式。
其中，丙烯酸酯溶液是一种透明可自由流动的液体，当其自然干燥之后，形成一层透明的水汽阻隔薄膜。自由流动的丙烯酸树脂溶液可以把锑化铝和衬底之间的缝隙，包括锑化铝薄膜的侧面，都可以完全覆盖，水汽无法从侧面入侵，更加全面保护了锑化铝薄膜。丙烯酸树脂薄膜也可以填补金属层的针孔缺陷，阻挡水汽渗透的路径。
因此，Ni-1/acrylic resin/Ni-2多层薄膜作为水汽阻隔薄膜与FTO玻璃衬底一起将锑化铝薄膜与空气中的水汽隔离，阻止空气中的水分与锑化铝接触，起到保护锑化铝的作用。其中Ni-1为第一金属镍薄膜，Ni-2为第二金属镍薄膜，acrylic resin为树脂薄膜。
不锈钢柔性衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程，参考图2：
S1、采用磁控溅射方法在真空室内，在不锈钢柔性衬底上沉积一层Ni金属薄膜，其中衬底温度500℃、沉积气压0.4Pa、溅射功率60W，薄膜厚度2000nm，磁控溅射方式为射频模式；
S2、保持步骤S1得到的样品在真空环境中，采用磁控溅射方法沉积AlSb薄膜，其中衬底温度500℃、沉积气压0.4Pa、溅射功率150W，薄膜厚度900nm，磁控溅射方式为直流模式；
S3、步骤S2完成后，将样品从真空室中取出，放置在培养皿内，立即将准备好的丙烯酸树脂溶液喷涂覆盖在Ni金属薄膜层上，静置等待丙烯酸树脂溶液干燥成膜；
S4、将步骤S3中得到的SS/Ni/AlSb/丙烯酸树脂重新放置到磁控溅射真空室中，常温下沉积第二层Ni金属薄膜，其中衬底温度25℃、沉积气压0.5Pa、溅射功率60W，薄膜厚度1000nm，磁控溅射方式为直流模式。SS为不锈钢柔性衬底。
丙烯酸酯的合成方法：
S1、按比例加入丙酮和乳化剂，搅拌升温至75℃，其中丙酮质量分数占总量的30%，乳化剂选自由全氟壬氧基苯磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚体积比1:1的混合溶液，质量分数为单体总质量的5%；
S2、滴加全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯的混合溶液，其中全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯的质量比为75:25，并搅拌0.5 h；
S3、缓慢滴加过硫酸铵的水溶液，使加入的过硫酸铵的质量分数为单体总质量的1.5%，滴加完毕后，持续搅拌，并维持温度在75℃反应5小时，即得。
加速老化实验：
为了观察不同丙烯酸酯对AlSb薄膜的潮解抑制效果，将样品放置在50℃，湿度80%的恒温恒湿试验箱中，进行加入老化实验，每隔一段时间对样品做SEM实验，观察其表面是否平整无孔洞。
实施例1
按照上述丙烯酸酯的合成方法进行合成，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)18CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。并将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例2
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)17CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例3
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)16CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
表1 实施例1-3性能测试。
3实施例4
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)10CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例5
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)11CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例6
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)12CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
表2 实施例4-5性能测试。
| 10天 | 20天 | 30天 | 40天 | |
| 实施例4 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 |
| 实施例5 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 |
| 实施例6 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 | 平整，无孔洞 |
实施例7
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOOCH2CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸甲酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
表3 实施例7性能测试。
| 10天 | 20天 | |
| 实施例7 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
实施例8
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)18CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例9
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)17CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例10
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)16CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
表4 实施例8-9性能测试。
| 10天 | 20天 | |
| 实施例8 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
| 实施例9 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
| 实施例10 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
实施例11
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)10CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例12
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)11CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
实施例13
同实施例1的丙烯酸酯的合成方法，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)12CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。将得到丙烯酸酯产物按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
表5 实施例11-13性能测试。
| 10天 | 20天 | |
| 实施例11 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
| 实施例12 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
| 实施例13 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
对比例1
丙烯酸树脂选自市售产品，型号为PLASTICOTE 70，按照玻璃衬底上锑化铝薄膜及多层防护薄膜制备的工艺流程中的步骤制备得到薄膜结构。
表6 对比例1性能测试。
| 10天 | 20天 | |
| 对比例1 | 平整，无孔洞 | 出现孔洞 |
从上述实施例的结果中可以看出，单体具有较长的支链，对AlSb薄膜具有很好的抑制潮解作用。如实施例1-3中，全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)16-18CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯均具有约18个脂肪族碳链的结构，在40天的时候才出现孔洞。而在实施例4-6中，全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)10-12CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯，脂肪族碳链相较于实施例1-3中具有更好的抑制潮解的效果，在40天时仍未出现孔洞。推测原因是当脂肪族碳链长度在18个碳左右时，支链太长，导致聚合物中支链的空间结构不稳定，而在脂肪族碳链在12个碳左右时，能够维持较好的空间结构。
从实施例8-13中可以看出，当全氟烷基丙烯酸酯的脂肪族碳链长度和甲基丙烯酸烷基酯的碳链长度不匹配时，整体上不如两者碳链长度相近的抑制效果。
而在使用较短碳链长度的实施例7和对比例1中，在20天时便出现孔洞。
综上，可以看出，全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯中的碳链长度对抑制锑化铝薄膜起着重要的作用，全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯两者脂肪族碳链的长度需不能过长也不能果断，同时两者的长度相近时效果最佳，两者共同作用抑制锑化铝薄膜的潮解。
Claims (6)
1.一种AlSb薄膜太阳能电池潮解抑制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、采用磁控溅射方法在真空室内将AlSb薄膜沉积在FTO衬底上；
S2、保持步骤S1得到的样品在真空环境中，在AlSb薄膜上沉积Ni金属薄膜层；
S3、步骤S2完成后，将样品从真空室中取出，放置在培养皿内，立即将准备好的丙烯酸树脂溶液喷涂反复改在Ni金属薄膜层上，静置等待丙烯酸树脂溶液干燥成膜；
S4、将步骤S3中得到的FTO/AlSb/Ni/丙烯酸树脂重新放置到磁控溅射真空室中，常温下沉积第二层Ni金属薄膜；
所述丙烯酸树脂由全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯制备而成，其中全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)10-12CF3，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十二酯，或者全氟烷基丙烯酸酯选自CH2=CHCOO(CH2)16-18CF33，甲基丙烯酸烷基酯选自甲基丙烯酸十八酯。
2.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中磁控溅射参数为：衬底温度400℃、沉积气压0.4Pa、溅射功率60W，薄膜厚度2000nm，磁控溅射方式为直流模式。
3.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中磁控溅射参数为：衬底温度400℃、沉积气压0.4Pa、溅射功率60W，薄膜厚度2000 nm，磁控溅射方式为直流模式。
4.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中磁控溅射参数为：衬底温度25℃、沉积气压0.5Pa、溅射功率60W，薄膜厚度1000nm，磁控溅射方式为直流模式。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的方法，所述丙烯酸树脂的合成方法包括以下步骤：
S11、按比例加入丙酮和乳化剂，搅拌升温至75℃，其中丙酮质量分数占总量的30%；
S12、滴加全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯的混合溶液，其中全氟烷基丙烯酸酯和甲基丙烯酸烷基酯的质量比为75:25，并搅拌0.5 h；
S13、缓慢滴加过硫酸铵的水溶液，使加入的过硫酸铵的质量分数为单体总质量的1.5%，滴加完毕后，持续搅拌，并维持温度在75℃反应5 h，即得。
6.根据权利要求5中所述的方法，其特征在于，步骤S11中的乳化剂选自由全氟壬氧基苯磺酸钠和脂肪醇聚氧乙烯醚体积比1:1的混合溶液，质量分数为单体总质量的5%。
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