CN102569433B - 薄膜太阳电池用复合背反射金属电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳电池用复合背反射金属电极，它是一种复合多层膜，在衬底上依次沉积过渡层金属、银膜和掺铝氧化锌。本发明还公开了该复合背反射金属电极的制备方法。本发明复合背反射金属电极由于过渡层金属与柔性衬底有优异的黏附力，使得所沉积的各层薄膜不易从衬底上脱落；同时，银膜具有明显的织构，形成陷光结构，增强了入射光的反射，使得入射光在电池吸收层中的吸收更充分，提高电池性能；掺铝氧化锌具有合适的厚度，不仅阻止银在电池制备过程中扩散进入电池，还可以起到覆盖银膜表面尖峰以及增强反射光的作用。因此，本发明提高了薄膜与衬底之间的结合力，显著提高电池性能和均匀性。

Description

薄膜太阳电池用复合背反射金属电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及光伏电池及其制备方法，更具体的讲，涉及一种薄膜太阳电池用复合背反射金属电极及其制备方法和应用。
背景技术
自从1976年美国RCA实验室制成世界上第一个非晶硅太阳电池以来，硅基薄膜太阳电池就以其独特的优势受到人们的普遍重视，发展迅速，具有广阔的应用前景。
硅基薄膜太阳电池的典型结构为依次堆垒的衬底/背电极/nip-Si/上电极/栅线。近年来，围绕提高电池性能，人们开展了许多制造方法、材料和器件结构方面的研究。而硅基薄膜电池的效率强烈依赖于衬底的金属化背反射器的质量，包括金属化背反射器与衬底之间的结合牢固度以及其织构化效果。但这两个问题一直未能得到有效解决，成为制约其进一步发展的因素之一。因此，研究在保证背反射器背反效果的前提下，最大限度的提高衬底与背反射器之间的粘附力，是制约其进一步发展的瓶颈，也是目前国内外广泛关注的问题。
发明内容
为了解决现有背反射器与衬底之间粘附力小、易脱落等问题，本发明的所要解决的技术问题在于提供一种复合背反射金属电极，并提供该复合背反射金属电极的制造方法及其应用。本发明复合背反射金属电极，由于在衬底与传统Ag/ZnO背反射器之间加入了过渡层金属镉或镍或铜或钛薄膜(Cd，Ni，Cu，Ti)，以及高低功率两步法沉积银膜，缓解了衬底与Ag/ZnO之间由于热膨胀系数等造成的界面应力，提高了背反射器与衬底之间的附着力，使其结合牢靠，不易脱落，大大提高了电池的性能和成品率。同时，采用高温银工艺，保证了背反射器的织构化效果。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种薄膜电池用复合背反射金属电极是一种复合多层膜，在衬底上依次沉积过渡层金属、银膜和掺铝氧化锌。
优选地，本发明上述过渡层金属为靶、镉、镍、铜或钛；上述银膜为织构化银膜。
本发明提供的薄膜电池用复合背反射金属电极的制造方法，包括如下步骤：
步骤一、衬底清洗：
衬底分别经丙酮和酒精溶液超声十五分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，再置于溅射设备真空腔室中，在400℃下烘烤60min去除吸附在薄膜内的气体后，采用氩(Ar)等离子体轰击清洗衬底表面，工艺参数为：工作气压为1-10Pa、气体流量为40-70sccm、溅射功率为80-120W、溅射时间为100s-140s；
步骤二、沉积过渡层金属：
在等离子处理后的衬底上，用金属靶(镍或镉或铜或钛)溅射沉积金属过渡层薄膜，厚度为20nm～30nm，工艺参数为：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为40-50W、衬底温度为150-200℃；
步骤三、沉积银膜：
在过渡层金属膜上，用银靶溅射沉积织构化银薄膜，工艺分为两步，即将溅射功率分为两步：
第一步：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为50-100W、时间为10-30min、衬底温度为300-400℃，低速生长致密、附着力强的银薄膜；
第二步：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为150-250W、时间为70-90min、衬底温度为300-400℃，快速生长织构化银膜；
Ag膜总厚度约为400-500nm；
步骤四、沉积氧化锌膜：
在织构化银膜上，用掺铝氧化锌靶溅射沉积氧化锌薄膜(nanostructuredcolumnarZnO:Al，简称nc-ZAO)，厚度为300nm左右，工艺参数为：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为40-250W、衬底温度为200-400℃，厚度约为400-500nm。
本发明上述复合背反射金属电极用于柔性衬底或刚性衬底薄膜太阳电池中，其中，柔性衬底材料为不锈钢箔、铝箔、钛箔或聚酰亚胺；刚性衬底材料为玻璃。
本发明还提供的硅基薄膜太阳电池或化合物薄膜太阳电池，均为单结电池或多结电池，并包含上述复合背反射金属电极。
相对于现有技术，本发明薄膜电池用复合背反射金属电极及其制造方法，由于采取上述的技术方案，由于在衬底与传统Ag/ZnO背反射器之间加入了过渡层金属镉或镍或铜或钛薄膜(Cd，Ni，Cu，Ti)，以及高低功率两步法沉积银膜，缓解了衬底与Ag/ZnO之间由于热膨胀系数等造成的界面应力，提高了背反射器与衬底之间的附着力，使其结合牢靠，不易脱落，大大提高了电池的性能和成品率。同时，采用高温银工艺，保证了背反射器的织构化效果。因此，本发明具有制备工艺简单，同时保证织构化效果和附着力两个要求等优点。
附图说明
图1是包含本发明复合背反射金属电极的单结硅基薄膜太阳电池的结构示意图；
图2是含有本发明复合背反射金属电极的单结硅基薄膜太阳电池的输出特性曲线图；
图3是包含本发明复合背反射金属电极的多结硅基薄膜太阳电池的结构示意图；
图4是含有本发明复合背反射金属电极的多结硅基薄膜太阳电池的输出特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
如图1所示：为包含本发明复合背反射金属电极的硅基薄膜太阳电池的结构示意图。如图1所示，该硅基薄膜太阳电池包括：依次堆垒的衬底10、过渡层金属11、Ag膜12、ZnO膜13、n型硅基薄膜14、i型硅基薄膜15、p型硅基薄膜16、透明导电膜17(包括氧化锌，二氧化锡或铟锡氧化物透明导电膜)、金属栅线18。
衬底分别经丙酮和酒精溶液超声十五分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，再置于溅射设备真空腔室中，在400℃下烘烤60min去除吸附在薄膜内的气体后，采用氩(Ar)等离子体轰击清洗衬底表面，工艺参数为：工作气压为1-10Pa、气体流量为40-70sccm、溅射功率为80-120W、溅射时间为100s-140s；在等离子处理后的衬底10上，用金属靶(镍或镉或铜或钛)溅射沉积金属过渡层薄膜11，厚度为20nm～30nm，工艺参数为：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为40-50W、衬底温度为150-200℃；在过渡层金属膜11上，采用两步法溅射沉积织构化银薄膜12，即先在0-1Pa工作气压、30-40sccm气体流量、50-100W溅射功率为、300-400℃温度下，低速生长致密、附着力强的银薄膜，再在0-1Pa工作气压、30-40sccm气体流量、150-250W溅射功率、300-400℃温度下，快速生长织构化银膜；在织构化银膜[12]上，用掺铝氧化锌靶溅射沉积氧化锌薄膜(nanostructuredcolumnarZnO:Al，简称nc-ZAO)13，厚度为300nm左右，工艺参数为：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为40-250W、衬底温度为200-400℃，厚度约为400-500nm；冷却后的衬底放入等离子增强化学气相沉积***中制备nip薄膜太阳电池主体14-16；降至室温后取出，在溅射***中制备透明导电膜17；最后制备金属栅线18。
实施例1：
图1给出了包含本发明复合背反射金属电极的单结硅基薄膜太阳电池的结构示意图，根据本发明，该太阳电池主体制备的主要步骤如下：
第一步：将制备好的包含金属过渡层(镍或镉或铜或钛)、织构化银膜、掺铝氧化锌阻挡层的衬底放入等离子体增强化学气相沉积***中，衬底在200℃下烘烤1小时；
第二步：在不同腔室中顺序沉积n、i、p三层硅基薄膜；
第三步：降至室温，取出样品；将制备了硅基薄膜的样品至于镀膜***中，制备掺铝氧化锌、二氧化锡或铟锡氧化物透明导电膜；
第四步；取出，采用丝网印刷、溅射等方法制备栅线。
图2：含有本发明复合背反射金属电极的单结硅基薄膜太阳电池的输出特性；
薄膜太阳电池主要技术指标有：短路电流Jsc、开路电压Voc、填充因子FF、转换效率Eff。利用太阳模拟器模拟一个AM1.5光谱，将电池至于光谱下测试电池输出的伏安特性，由伏安特性曲线计算出上述太阳电池的主要技术指标。
实施例2：
图3给出了包含本发明复合背反射金属电极的多结硅基薄膜太阳电池的结构示意图，根据本发明，该太阳电池主体制备的主要步骤如下：
第一步：将制备好的包含金属过渡层(镍或镉或铜或钛)、织构化银膜、掺铝氧化锌阻挡层的衬底放入等离子体增强化学气相沉积***中，衬底在200℃下烘烤1小时；；
第二步：在不同腔室中顺序沉积n、i、p三层硅基薄膜14-16；
第三步：在不同腔室中顺序沉积n、i、p三层硅基薄膜19-21；
第四步：降至室温，取出样品；将制备了硅基薄膜的样品至于镀膜***中，制备掺铝氧化锌、二氧化锡或铟锡氧化物透明导电膜；
第五步：取出，采用丝网印刷、溅射等方法制备栅线。
图4：含有本发明复合背反射金属电极的多结硅基薄膜太阳电池的输出特性。

Claims (5)

1.一种薄膜太阳电池用复合背反射金属电极，其特征在于，它是一种复合多层膜，在衬底上依次沉积过渡层金属、银膜和掺铝氧化锌；
所述的过渡层金属为镉、镍、铜或钛；所述的银膜为织构化银膜。
2.权利要求1所述的薄膜太阳电池用复合背反射金属电极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤一、衬底清洗：
衬底分别经丙酮和酒精溶液超声十五分钟，去离子水冲洗，氮气吹干，再置于溅射设备真空腔室中，在400℃下烘烤60min去除吸附在衬底内的气体后，采用氩等离子体轰击清洗衬底表面，工艺参数为：工作气压为1-10Pa、气体流量为40-70sccm、溅射功率为80-120W、溅射时间为100s-140s；
步骤二、沉积过渡层金属：
在等离子处理后的衬底[10]上，用金属镍、镉、铜或钛溅射沉积金属过渡层薄膜[11]，厚度为20nm～30nm，工艺参数为：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为40-50W、衬底温度为150-200℃；
步骤三、沉积银膜：
在过渡层金属膜[11]上，用银靶溅射沉积织构化银薄膜[12]，工艺分两步，第一步：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为50-100W、时间为10-30min、衬底温度为300-400℃，低速生长致密、附着力强的银薄膜；第二步：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为150-250W、时间为70-90min、衬底温度为300-400℃，快速生长织构化银膜；银膜总厚度为400-500nm；
步骤四、沉积氧化锌膜：
在织构化银膜[12]上，用掺铝氧化锌靶溅射沉积氧化锌薄膜[13]，厚度为300nm，工艺参数为：工作气压为0-1Pa、气体流量为30-40sccm、溅射功率为40-250W、衬底温度为200-400℃。
3.一种权利要求1所述的薄膜太阳电池用复合背反射金属电极的应用方法，其特征在于，所述复合背反射金属电极用于柔性衬底或刚性衬底薄膜太阳电池中，其中，柔性衬底材料为不锈钢箔、铝箔、钛箔或聚酰亚胺；刚性衬底材料为玻璃。
4.一种硅基薄膜太阳电池，其特征在于，其为单结电池或多结电池，并包含权利要求1所述复合背反射金属电极。
5.一种化合物薄膜太阳电池，其特征在于，其为单结电池或多结电池，并包含权利要求1所述复合背反射金属电极。
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