CN102117843A - 一种太阳能电池用透明导电减反射薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种太阳能电池用透明导电减反射薄膜，从太阳能电池的表面向上依次为氧化锌缓冲层和氧化锌纳米结构薄膜层。本发明还公开这种太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法。本发明具有纳米结构的薄膜与普通的薄膜相比，薄膜的减反射效率得到了极大的提高，有利于提高太阳能电池的转换效率；同时，考虑到掺杂的氧化锌透明导电薄膜本身在收集载流子效率方面的优势，用这种薄膜同时替代太阳能电池中传统的金属电极和减反射膜，在增加载流子收集效率的同时，又起到了减反射的作用，因而既有利于提高太阳能电池的转换效率又有利于简化电池的生产工艺。

Description

一种太阳能电池用透明导电减反射薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池表面的具有纳米结构的氧化锌透明导电减反射薄膜，本发明还涉及这种薄膜的制备方法。
背景技术
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：N型半导体中含有较多的电子，而P型半导体中含有较多的空穴，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p-n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。
为了收集太阳能电池中的光生载流子，通常的做法是在表面制作很细的金属电极。但是金属电极会遮挡一部分电池表面，同时电极不能覆盖电池全部表面使很多载流子只有通过横向运动才能被收集，增大了载流子的复合概率，从而降低了电池的转换效率。此外，为了降低对太阳光的反射，需要在电池表面制备一层减反射膜。这样，太阳能电池的表面结构为减反射膜加格栅金属电极，需要两个工艺步骤才能完成。尽管采用透明导电材料来制备电极可以减小电池表面电极遮挡损失及提高载流子的收集效率，但由于其较高的反射率，仍然会影响电池的转换效率。因此，如何制备具有高减反射效率的透明导电膜就成了解决问题的关键。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有高减反射效率的可以替代太阳能电池中的金属电极和减反射膜的透明导电减反射薄膜。
本发明的另一目的在于提供这种透明导电减反射薄膜的制备方法。
技术方案：本发明利用半导体制备工艺中比较成熟的气相沉积方法(比如金属有机物化学气相沉积方法，分子束外延方法，电子束加热蒸发方法，溅射方法，化学气相沉积方法，脉冲激光沉积方法等等)并结合氧化锌材料本身在成膜过程中择优取向生长的特性，通过调节影响薄膜生长的主要工艺参数，使氧化锌择优取向生长的特性在成膜过程中凸显出来，从而生长出具有纳米结构的氧化锌薄膜。通过进一步调节这些影响参数，可以得到各种形貌和大小的纳米结构。另外，通过薄膜生长中的掺杂，主要是三价金属杂质(比如镓或者铝)的掺杂，改善膜层的导电性能。同时，为了使生长出的具有纳米结构的氧化锌薄膜具有较好的晶格质量，可以在太阳能电池表面先沉积一层厚度为1纳米至100纳米的氧化锌致密薄膜，作为后继薄膜生长的缓冲层。
本发明所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜，从太阳能电池的表面向上依次为氧化锌缓冲层和氧化锌纳米结构薄膜层。
其中所述氧化锌纳米结构薄膜层可以根据需要生成各种形貌和大小的纳米结构，优选为纳米柱状阵列结构或纳米锥状阵列结构。
为了进一步改善膜层的导电性能，所述氧化锌缓冲层中掺有能改善薄膜的导电性质的三价金属杂质，如镓或铝，所述氧化锌缓冲层的厚度为1～100纳米。
所述氧化锌纳米结构薄膜层中也含有能改善薄膜的导电性质的三价金属杂质，所述氧化锌纳米结构薄膜层的厚度为1纳米～5000纳米。
本发明所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用薄膜气相沉积方法，选择合适的影响薄膜生长的工艺参数，在太阳能电池表面沉积一层1～100纳米厚度的氧化锌致密薄膜作为氧化锌缓冲层；，在薄膜生长的过程中，掺入能改善薄膜导电性质的三价的金属杂质；
(2)缓冲层长成之后，对其在空气中进行退火处理，温度为300～1000℃，退火时间为5～200分钟；
(3)在已经生长了氧化锌缓冲层的太阳能电池衬底上，采用薄膜气相沉积方法，通过调节影响薄膜生长的参数，得到所需大小和形貌的纳米结构薄膜；在薄膜生长的过程中，掺入能改善薄膜的导电性质三价的金属杂质。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明具有纳米结构的薄膜与普通的薄膜相比，薄膜的减反射效率得到了极大的提高，有利于提高太阳能电池的转换效率；同时，考虑到掺杂的氧化锌透明导电薄膜本身在收集载流子效率方面的优势，用这种薄膜同时替代太阳能电池中传统的金属电极和减反射膜，在增加载流子收集效率的同时，又起到了减反射的作用，因而既有利于提高太阳能电池的转换效率又有利于简化电池的生产工艺。
附图说明
图1为本发明实施例1中在太阳能电池表面生长具有氧化锌纳米柱状阵列膜层结构的透明导电减反射膜的简单示意图。
图2为本发明实施例2中在太阳能电池表面生长具有氧化锌纳米锥状阵列膜层结构的透明导电减反射膜的简单示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过最佳实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：如图1所示，本发明太阳能电池用透明导电减反射薄膜，从太阳能电池的P型区表面向上依次为氧化锌缓冲层和氧化锌纳米结构薄膜层，其中氧化锌缓冲层的厚度为1-100纳米，氧化锌纳米结构薄膜层为纳米柱状阵列结构，高度为1纳米～5000纳米，直径为1纳米～5000纳米。
具体制备步骤如下：
(1)利用金属有机物化学气相淀积方法，在太阳能电池表面沉积一层1纳米至100纳米厚的氧化锌致密薄膜作为缓冲层，同时在薄膜生长的过程中，掺入镓或铝，改善薄膜的导电性质。
(2)缓冲层长成之后，对其在空气中进行退火处理，温度大概为300～1000℃，退火时间为5～200分钟。
(3)在已经生长了氧化锌缓冲层的太阳能电池衬底上，利用金属有机物化学气相淀积方法，制备到高度1纳米～5000纳米，直径1纳米～5000纳米的柱状阵列结构。在薄膜生长的过程中，掺入三价金属镓或铝，改善薄膜的导电性质。
实施例2：如图2所示，本发明太阳能电池用透明导电减反射薄膜，从太阳能电池的P型区表面向上依次为氧化锌缓冲层和氧化锌纳米结构薄膜层，其中氧化锌缓冲层的厚度为1～100纳米，氧化锌纳米结构薄膜层为纳米锥状阵列结构，高度为1纳米～5000纳米，直径为1纳米～5000纳米。
具体制备步骤如下：
(1)利用脉冲激光沉积方法，在太阳能电池表面沉积一层1纳米至100纳米厚的氧化锌致密薄膜作为缓冲层，同时在薄膜生长的过程中，掺入镓或铝，改善薄膜的导电性质。
(2)缓冲层长成之后，对其在空气中进行退火处理，温度大概为300～1000℃，退火时间为5～200分钟。
(3)在已经生长了氧化锌缓冲层的太阳能电池衬底上，利用金属有机物化学气相淀积方法，制备到高度1纳米～5000纳米，直径1纳米～5000纳米的锥状阵列结构。在薄膜生长的过程中，掺入三价金属镓或铝，改善薄膜的导电性质。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.一种太阳能电池用透明导电减反射薄膜，其特征在于：从太阳能电池的表面向上依次为氧化锌缓冲层和氧化锌纳米结构薄膜层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜，其特征在于：所述氧化锌纳米结构薄膜层为各种形貌的纳米结构。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜，其特征在于：所述氧化锌纳米结构薄膜层为纳米柱状阵列结构或纳米锥状阵列结构。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜，其特征在于：所述氧化锌缓冲层中含有能改善薄膜的导电性质的三价金属杂质，所述氧化锌缓冲层的厚度为1～100纳米。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜，其特征在于：所述氧化锌纳米结构薄膜层中含有能改善薄膜导电性质的三价金属杂质，所述氧化锌纳米结构薄膜层的厚度为1纳米～5000纳米。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用薄膜气相沉积方法，在太阳能电池表面沉积一层1～100纳米厚度的氧化锌致密薄膜作为氧化锌缓冲层；
(2)缓冲层长成之后，对其在空气中进行退火处理，温度为300～1000℃，退火时间为5～200分钟；
(3)在已经生长了氧化锌缓冲层的太阳能电池衬底上，采用薄膜气相沉积方法，制备所需大小和形貌，厚度为1纳米～5000纳米的纳米结构薄膜。
7.根据权利要求6所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，在薄膜生长的过程中，掺入能改善薄膜导电性质的三价的金属杂质。
8.根据权利要求6所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在薄膜生长的过程中，掺入能改善薄膜导电性质的三价的金属杂质。
9.根据权利要求6所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)和(3)中所述的薄膜气相沉积方法为金属有机物化学气相沉积方法、分子束外延方法、电子束加热蒸发方法、溅射方法、化学气相沉积方法或脉冲激光沉积方法。
10.根据权利要求7或8所述的太阳能电池用透明导电减反射薄膜的制备方法，其特征在于：所述三价的金属杂质为镓或铝。
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