CN102403411A - 一种柔性薄膜太阳电池金属背电极及其制备方法 - Google Patents

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胡增鑫
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Abstract

本发明涉及一种柔性薄膜太阳电池金属背电极及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。技术方案是直接在柔性衬底上制备表面具有绒面结构的金属背电极，包含如下工艺步骤：⑴在柔性衬底上形成凹凸起伏的绒面结构；⑵在已具有凹凸表面结构的衬底上沉积金属薄膜，作为柔性电池的金属背电极。使用本发明的绒面金属背电极制备柔性薄膜太阳电池具有以下优势：1)背电极的表面结构可以通过改变微颗粒尺寸和间距的方法进行调节，方便灵活，有利于实现工艺参数优化；2)金属背电极具有高反射率，可以提高太阳光利用率，提升电池效率；3)太阳光在电池中具有高光程，因此可以减小薄膜电池吸收层厚度，缩短生产节拍，降低生产成本，提高生产效率。

Description

一种柔性薄膜太阳电池金属背电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性薄膜太阳电池金属背电极及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
薄膜太阳电池相较于第一代晶体硅太阳电池，具有生产成本低，节省原材料等优势。伴随近年来电池效率的不断提升，薄膜太阳电池展现出巨大的发展潜力，是近年来太阳电池领域的研究热点。薄膜太阳电池按照衬底性能不同可分为硬衬底太阳电池(例如以玻璃为衬底)和柔性太阳电池(例如以聚酰亚胺或不锈钢为衬底)两大类。相对于玻璃衬底而言，柔性衬底具有重量轻、可折叠、不易破碎等优点，制备的柔性太阳电池具有高的功率重量比，特别适用于飞艇、平流层气球探测器等特殊用途。但是适用于工业生产的柔性衬底透光性能较差，同时高分子柔性衬底在太阳光辐照下容易发生老化，不适合用在太阳电池的迎光面。因此，柔性太阳电池的工业生产大多以柔性薄膜作为衬底，在其上依次制备背电极、光电转换层、和前电极。柔性薄膜太阳电池的通常结构示意图如图1所示，主要结构依次为：①柔性衬底，②背电极，③光电转换层，④前透明电极，⑤封装材料。柔性太阳电池首先制备背电极，背电极不但要能传导太阳电池生成的电流和反射未被光电转换层吸收的太阳光，而且需要将反射光进行散射，增大其光程。
研究证实，对于P-I-N结构的电池，若在电池的迎光面形成绒面结构，可以有效散射入射光，增大入射光的光程进而增大光电吸收层对于入射光的吸收效率，这通常被称为陷光效应。对于N-I-P结构的电池（前述柔性薄膜电池通常结构即为该结构），陷光效应往往通过制备具有绒面结构的背电极来实现。陷光效应的实现可有效提升薄膜太阳电池的光电转换效率，减小太阳电池光电吸收层的厚度，节约太阳电池的生产成本。
从已公开的专利情况来看，中国专利CN200610016182公开了一种柔性CIGS太阳电池的结构和制备方法，并公开了改进金属电极制备工艺对太阳电池整体性能的影响；中国专利CN200620039938公开了一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的结构；中国专利CN200810236695公开了一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的制备方法；CN201010549329公开了一种柔性CIGS太阳电池及其制备方法；中国专利CN201010202098公开了一种柔性衬底绒面ZnO的制备方法和太阳电池中的应用。已公开专利的内容多集中在柔性太阳电池结构和制备方案，没有关于陷光效应的专利公开，且已公开的研究工作中没有通过改进背电极制备方法实现背面陷光效应的报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性薄膜太阳电池金属背电极及其制备方法，在达到不低于现有技术制备的太阳能薄膜电池透光组件的输出电性能及透光性的同时，具有成本低、效率高、操作简单，耗时短等特点，解决背景技术存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种柔性薄膜太阳电池金属背电极的制备方法，直接在柔性衬底上制备表面具有绒面结构的金属背电极，包含如下工艺步骤：⑴在柔性衬底上形成凹凸起伏的绒面结构；⑵在已具有凹凸表面结构的衬底上沉积金属薄膜，作为柔性电池的金属背电极。
所说的凹凸起伏的绒面结构，清洗后的柔性衬底表面涂覆一层微颗粒，微颗粒直径在10nm~1μm之间，微颗粒的间距为0~10μm；通过调节微颗粒的尺寸以及微颗粒的间距来改变最终制备金属背电极的表面绒度。
获得绒面结构的方法包括旋涂、拉膜、吸附在薄膜表面获得微颗粒薄膜的物理方法，用来形成凹凸结构的材料可以是任何尺寸的微颗粒，例如TiO2、SiO2、高分子微球。
获得绒面结构的方法包括在薄膜上制备绒面结构或纳米阵列结构化学方法，形成绒面结构的可以是任何尺寸的微观结构，例如纳米线阵列、金字塔结构阵列以及纳米-微米坑洞结构。
所说的金属薄膜层通过溅射、蒸发方法制备在柔性衬底上，金属膜层包括铝、银、钼金属薄膜。
获得绒面结构的方法还可以是：a)溅射生长ZnO，通过湿化学法进行刻蚀，b)低压化学气相沉积硼掺杂氧化锌（ZnO:B），c)水热法制备纳米线阵列。
一种柔性薄膜太阳电池金属背电极，采用上述方法制备，金属背电极表面具有绒面结构，具有高绒度值，对入射光具有高反射率，所说的绒度值为漫反射率与总反射率的比值，绒度值为大于85%，对入射光的反射率大于60%。
本发明的积极效果：本发明获得的绒面金属背电极具有可调的绒度值（绒度值定义为漫反射率与总反射率的比值）和高的反射率，适合用于柔性薄膜太阳电池。使用本发明的绒面金属背电极制备柔性薄膜太阳电池具有以下优势：1)背电极的表面结构可以通过改变微颗粒尺寸和间距的方法进行调节，方便灵活，有利于实现工艺参数优化；2)金属背电极具有高反射率，可以提高太阳光利用率，提升电池效率；3)太阳光在电池中具有高光程，因此可以减小薄膜电池吸收层厚度，缩短生产节拍，降低生产成本，提高生产效率。
附图说明
图1是背景技术柔性薄膜太阳能电池结构示意图（以薄膜硅电池为例）
图2是本发明工艺流程示意图
图中：柔性衬底①，背电极②，光电转换层③，前透明电极④，封装材料⑤。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
首先使用超声清洗后的聚酰亚胺膜作为柔性衬底，使用旋涂的方法在聚酰亚胺膜上涂覆一层TiO2颗粒，TiO2颗粒的直径在10nm~1μm之间。然后使用磁控溅射的方法，在涂覆有微颗粒的聚酰亚胺膜上直接生长铝薄膜。
如上所述的沉积工艺，选取气体压强3-30mTorr，射频功率100-250W，通入氩气流量2-20sccm，沉积温度为室温，可通过调节沉积时间改变铝膜的厚度。
磁控溅射铝薄膜后即可得到具有绒面结构的金属薄膜，可作为背电极制备薄膜硅柔性电池。
实施例2
如实施例1所述铝薄膜制备方法，使用蒸发法制备铝膜，得到的铝薄膜也具有绒面结构。
实施例3
首先使用溅射法在聚酰亚胺衬底上制备ZnO薄膜。沉积工艺为：气体压强3-30mTorr，射频功率100-250W，通入氩气流量2-20sccm，沉积温度为室温-200℃。然后使用湿化学法对ZnO薄膜进行刻蚀，获得绒面结构。所用刻蚀液浓度为0.1-5wt%，可以为酸性或碱性溶液。最后如实施例1、2所述铝薄膜制备方法，获得绒面铝薄膜背电极。
实施例4
首先使用化学自组装的方法，在聚酰亚胺表面均匀生长一层SiO2纳米球。然后如实施例1、2所述铝薄膜制备方法，获得绒面铝薄膜背电极。
实施例5
首先使用水热法在薄膜表面制备ZnO纳米阵列结构，工艺为：在加热温度70-100℃下加热0.2-2mol/L醋酸锌和0.2-2mol/L六次甲基四胺(HMT)混合溶液，加热时间2-10小时。然后如实施例1、2所述铝薄膜制备方法，获得绒面铝薄膜背电极。
实施例6
改铝薄膜为银薄膜，同样可用作薄膜硅柔性电池背电极。
实施例7
改铝薄膜为钼薄膜，可用作CIGS柔性电池背电极。

Claims (6)

1.一种柔性薄膜太阳电池金属背电极的制备方法，其特征在于直接在柔性衬底上制备表面具有绒面结构的金属背电极，包含如下工艺步骤：⑴在柔性衬底上形成凹凸起伏的绒面结构；⑵在已具有凹凸表面结构的衬底上沉积金属薄膜，作为柔性电池的金属背电极。
2.根据权利要求1所述之一种柔性薄膜太阳电池金属背电极的制备方法，其特征在于：所说的凹凸起伏的绒面结构，清洗后的柔性衬底表面涂覆一层微颗粒，微颗粒直径在10nm~1μm之间，微颗粒的间距为0~10μm；通过调节微颗粒的尺寸以及微颗粒的间距来改变最终制备金属背电极的表面绒度。
3.根据权利要求1或2所述之一种柔性薄膜太阳电池金属背电极的制备方法，其特征在于：获得绒面结构的方法包括旋涂、拉膜、吸附在薄膜表面获得微颗粒薄膜的物理方法。
4.根据权利要求1或2所述之一种柔性薄膜太阳电池金属背电极的制备方法，其特征在于：获得绒面结构的方法包括在薄膜上制备绒面结构或纳米阵列结构化学方法。
5.根据权利要求1或2所述之一种柔性薄膜太阳电池金属背电极的制备方法，其特征在于：所说的金属薄膜层通过溅射、蒸发方法制备在柔性衬底上，金属膜层包括铝、银、钼金属薄膜。
6.一种柔性薄膜太阳电池金属背电极，其特征在于：采用权利要求1所限定的方法制备，金属背电极表面具有绒面结构，具有高绒度值，对入射光具有高反射率，所说的绒度值为漫反射率与总反射率的比值，绒度值为大于85%，对入射光的反射率大于60%。
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