CN102332499A - 一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，属于透明导电氧化物薄膜技术领域。技术方案是首先在玻璃衬底上涂覆一层微颗粒，再采用薄膜沉积技术制备一定厚度的TCO薄膜，薄膜表面呈现出与涂覆颗粒相同的凹凸起伏的绒面结构，其特征尺寸与所覆盖的颗粒尺寸相对应；利用湿法刻蚀的方法对TCO薄膜表面进行一定程度的刻蚀。可以通过改变刻蚀工艺参数来获得具有一定形状的绒面织构，其特征尺寸较微颗粒特征尺寸小，使整个透明电极具有双结构的绒面织构；或在涂覆的颗粒表面直接生长具有纹理结构的TCO薄膜，使得整个透明电极具有双结构的绒面织构，应用于薄膜太阳能电池，对可见光和近红外光均能实现有效的光散射。

Description

一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法
技术领域
本发明涉及一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，特别是适合薄膜太阳电池应用的透明导电薄膜的制备方法，属于透明导电氧化物薄膜技术领域。
背景技术
进入二十一世纪，人类对能源需求***性的增长和化石能源的有限供应的矛盾日益突出，全球围绕能源的竞争日趋激烈。太阳能被誉为最理想的绿色能源，是取之不尽、用之不竭的清洁能源，作为对太阳能利用的有效方式之一，太阳能电池的应用前景十分广阔。太阳能电池主要包括了晶硅电池和薄膜电池（硅基薄膜电池、碲化镉电池（CdTe）、铜铟镓硒电池（CIGS））。硅基薄膜电池由于其相对成熟的技术以及较好的高温性能和弱光性能等优势，从而得到了极大的发展。薄膜硅太阳能电池的基本结构（图1所示）一般包括：玻璃衬底1、透明前电极2、硅薄膜光电转换层3、背反射电极4、封装材料5和背玻璃6等，薄膜太阳电池作为一个光学***，要提高其对太阳光的利用率从而提高转换效率，需要对电池组件各层光学薄膜进行合理设计。其中，透明前电极2需要具备高光学透过率、高电导率以及对入射光7有较强的散射能力，从而提高电池对光的吸收，增大光生电流，提高电池转换效率，透明前电极2的性能提高及产业化制备技术研究是目前薄膜太阳能电池研发的热点之一。薄膜硅太阳能电池中作为前电极的TCO薄膜一般具有绒面织构，目的是提高对入射光的散射能力（图2所示）、延长光在本征吸收层中的光程，提高电池对光的吸收。表面绒面结构对不同波段范围的光的散射能力依赖于其所具有的特征尺寸，如具有较小特征尺寸的表面绒面织构主要对可见光谱中的400-700nm波段有较强的光散射作用，而具有较大特征尺寸（如1--2μm）的表面绒面织构对光谱中的近红外部分具有较强的光散射作用。要实现400-1200nm光谱范围的有效吸收，将具有较小和较大两种绒面织构相结合，形成双结构绒面（图3所示）是比较理想的选择。如何制备出具有双结构的绒面TCO薄膜，拓展TCO薄膜对不同波段光的散射能力，拓宽电池对太阳光谱的利用范围，是提高薄膜电池转换效率的关键技术之一。
发明内容
本发明目的是提供一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，同时对可见光和近红外光起到良好的光散射作用，增强电池对太阳光谱的利用能力，解决背景技术存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，包含如下工艺步骤：
（1）在玻璃衬底上涂覆一层微颗粒；
（2）采用薄膜沉积技术制备TCO薄膜，透明导电氧化物（Transparent conductive Oxide，简称TCO）薄膜，在将微颗粒完全覆盖的同时，薄膜表面呈现与涂覆微颗粒相同的凹凸起伏的绒面结构，其特征尺寸与所覆盖的微颗粒尺寸相对应；
（3）利用湿法刻蚀的方法对其表面进行刻蚀，通过改变刻蚀工艺参数来获得绒面织构，其特征尺寸较微颗粒特征尺寸小，使整个透明电极具有双结构的绒面织构；或在涂覆的颗粒表面直接生长具有纹理结构的TCO薄膜，使得整个透明电极具有双结构的绒面织构，应用于薄膜太阳能电池，对可见光和近红外光均能实现有效的光散射。
涂覆的微颗粒为具有宽带隙的半导体颗粒，包括TiO2、SiO2和ZnO材料，颗粒尺寸在500--900nm，颗粒间距0--10μm。
在上述具有双结构的绒面TCO薄膜上制备薄膜电池，以硅基薄膜太阳能电池为例，步骤如下：利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积非晶硅p-i-n或非晶硅p-i-n/微晶硅p-i-n叠层或多结p-i-n结构等光电转换层，利用磁控溅射或低压化学气相沉积或旋涂技术制备背电极ZnO或ZnO/Al或ZnO/Ag或Ag，通过电极焊接、引线封装工艺后，获得薄膜电池。
所采用的TCO薄膜沉积技术为LPCVD技术、磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、旋涂技术。
所指的TCO透明导电薄膜为氧化锌（ZnO）薄膜，硼（B）掺杂ZnO薄膜、铝（Al）掺杂ZnO薄膜、镓（Ga）掺杂ZnO薄膜、其它金属元素掺杂和共掺杂ZnO薄膜，也可以是金属元素掺杂的氧化锡薄膜。
所说的改变刻蚀工艺参数，包括刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、TCO玻璃在溶液中运动的速率。
所说的玻璃衬底为玻璃基片，包括半钢化玻璃基片、钢化玻璃基片。
本发明的有益效果：1）本发明的工艺中无论是微颗粒的尺寸、间距，还是透明电极的沉积工艺参数，或者刻蚀工艺的参数均可以在较大的范围内进行调节，从而获得不同尺寸的双结构绒面，实现与不同种类薄膜太阳能电池相应光谱响应范围的匹配。2）本发明中的双结构的绒面透明电极，拓宽了光散射的光谱范围，在此双结构的绒面透明电极上制备的薄膜电池，可提高光吸收和利用率，从而可提高太阳电池的转换效率。
附图说明
图1给出了薄膜太阳能电池结构示意图（以薄膜硅电池为例）；
图2 是TCO前电极及其陷光作用的示意图；
图3 是双结构绒面示意图；
图4是本发明具体实施方式示意图；
图中：玻璃衬底1、透明前电极2、硅薄膜光电转换层3、背反射电极4、封装材料5、背玻璃6、入射光7、微颗粒8、TCO薄膜9、透明电极10。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
1、采用化学旋涂的方法，将一定尺寸（例如600nm）的微颗粒（8）涂覆到玻璃衬底（1）表面；
2、采用磁控溅射的方法沉积1000nm厚ZnO薄膜（9），沉积功率3KW，衬底温度320℃，沉积压强5mTorr，气体流量20sccm；薄膜呈现出与涂覆微颗粒相同的凹凸结构，特征尺寸与涂覆颗粒（8）相同（例如600nm）；
3、利用湿法刻蚀的方法对ZnO薄膜（9）表面进行刻蚀，通过选择刻蚀溶液的种类（例如稀盐酸）、浓度（例如体积百分比浓度为0.5%）、温度（例如室温）、刻蚀时间（例如45s）、TCO玻璃在溶液中运动的速率（例如，10mm/s）等工艺参数来获得具有一定形状的绒面织构，其特征尺寸较小（例如300nm），使整个透明电极（10）具有双结构的绒面织构，应用于薄膜太阳能电池，对可见光和近红外光均能实现有效的光散射。
实施例二
如实施一所述的方法，在玻璃衬底（1）上涂覆制备一层微颗粒（8）薄膜；
采用LPCVD的方法，在涂覆颗粒的表面生长具有纹理结构的硼掺杂氧化锌（ZnO:B）薄膜，使整个透明电极（10）具有双结构的绒面织构。

Claims (7)

1.一种利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于包含如下工艺步骤：
①在玻璃衬底（1）上涂覆一层微颗粒（8）；
②采用薄膜沉积技术制备TCO薄膜（9），在将微颗粒完全覆盖的同时，薄膜表面呈现与涂覆微颗粒相同的凹凸起伏的绒面结构，其特征尺寸与所覆盖的微颗粒尺寸相对应；
③利用湿法刻蚀的方法对其表面进行刻蚀，通过改变刻蚀工艺参数来获得绒面织构，其特征尺寸较微颗粒特征尺寸小，使整个透明电极具有双结构的绒面织构；或在涂覆的颗粒表面直接生长具有纹理结构的TCO薄膜，使得整个透明电极具有双结构的绒面织构，应用于薄膜太阳能电池，对可见光和近红外光均能实现有效的光散射。
2.根据权利要求1所述之利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于涂覆的微颗粒为具有宽带隙的半导体颗粒，包括TiO2、SiO2和ZnO材料，颗粒尺寸在500--900nm，颗粒间距0--10μm。
3.根据权利要求1或2所述之利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于在具有双结构的绒面TCO薄膜上制备薄膜电池，以硅基薄膜太阳能电池为例，步骤如下：利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积非晶硅p-i-n或非晶硅p-i-n/微晶硅p-i-n叠层或多结p-i-n结构等光电转换层，利用磁控溅射或低压化学气相沉积或旋涂技术制备背电极ZnO或ZnO/Al或ZnO/Ag或Ag，通过电极焊接、引线封装工艺后，获得薄膜电池。
4.根据权利要求1或2所述之利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于所说的改变刻蚀工艺参数，包括刻蚀溶液的种类、浓度、温度、刻蚀时间、TCO玻璃在溶液中运动的速率。
5.根据权利要求1或2所述之利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于所采用的TCO薄膜沉积技术为LPCVD技术、磁控溅射技术、脉冲激光沉积技术、旋涂技术。
6.根据权利要求1或2所述之利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于所指的TCO透明导电薄膜为氧化锌（ZnO）薄膜，硼（B）掺杂ZnO薄膜、铝（Al）掺杂ZnO薄膜、镓（Ga）掺杂ZnO薄膜、其它金属元素掺杂和共掺杂ZnO薄膜，也可以是金属元素掺杂的氧化锡薄膜。
7.根据权利要求1或2所述之利用微颗粒制备双结构绒面透明电极的方法，其特征在于所说的玻璃衬底为玻璃基片，包括半钢化玻璃基片、钢化玻璃基片。
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