專利名稱：一種薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法，特別是適合薄膜太陽能電池應(yīng)用的雙結(jié)構(gòu)絨面透明電極，屬于透明導(dǎo)電氧化物薄膜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
全球氣候變暖、人類生態(tài)環(huán)境惡化、常規(guī)能源面臨短缺危險的形勢下，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略已被世界各國所接受。太陽能具有清潔、安全、資源充足、可再生等優(yōu)點(diǎn)，是二十一世紀(jì)最重要的新能源之一，受到了各國政府的重視和支持，光伏產(chǎn)業(yè)以連續(xù)五年近48%的速度向前發(fā)展，由此使得光伏市場急劇擴(kuò)大，光伏產(chǎn)品供不應(yīng)求。光伏產(chǎn)品種類繁多，以硅基電池、銅銦鎵硒電池和碲化鎘電池為主。硅基電池包括單晶硅、多晶硅和薄膜硅電池。其中， 薄膜硅太陽能電池具有弱光響應(yīng)好、高溫效應(yīng)好、受陰影影響小、年平均發(fā)電量高、能夠與建筑物完美結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，而且生產(chǎn)所需原材料豐富、原材料消耗少，能量回收期短、生產(chǎn)過程對環(huán)境影響小、適于大批量生產(chǎn)等，因此受到廣泛關(guān)注。薄膜硅電池中的非晶硅薄膜電池，帶隙為1. 7eV，光譜響應(yīng)范圍集中在可見光波段，紅外區(qū)域利用較少。為了提高光譜利用率、提高電池的轉(zhuǎn)換效率，將具有不同能帶寬度的材料重疊，可使電池具有更寬光譜范圍內(nèi)的吸收。以微晶硅為例，微晶硅材料帶隙為1.1&V，對近紅外光有較強(qiáng)的吸收和利用。通過將非晶硅和微晶硅結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)對可見光和紅外光的吸收和利用。未來高效率電池將開發(fā)全光譜多結(jié)薄膜電池，拓寬對太陽光譜的充分利用。薄膜太陽電池作為一個光學(xué)系統(tǒng)， 要提高其對太陽光的利用率從而提高轉(zhuǎn)換效率，需要對電池組件各層光學(xué)薄膜進(jìn)行合理設(shè)計。薄膜硅太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)一般包括前電極透明導(dǎo)電氧化物(TCO)薄膜、硅薄膜光電轉(zhuǎn)換層、背電極透明導(dǎo)電膜、背反射層等(圖1所示)。其中，前電極透明導(dǎo)電薄膜需要具備高光學(xué)透過率、高電導(dǎo)率以及對入射光有較強(qiáng)的散射能力，從而提高電池對光的吸收， 增大光生電流，提高電池轉(zhuǎn)換效率。采用具有絨面織構(gòu)的TCO薄膜作為薄膜硅太陽能電池的前電極，可以提高對入射光的散射能力(圖2所示)、延長光在本征吸收層中的光程，從而提高電池對光的吸收。經(jīng)驗(yàn)證明，具有較小特征尺寸的表面絨面織構(gòu)主要對可見光譜中的 400-700nm波段有較強(qiáng)的光散射作用。而具有較大特征尺寸的表面絨面織構(gòu)(如廣2 μ m)對光譜中的近紅外部分具有較強(qiáng)的光散射作用。要實(shí)現(xiàn)對整個光譜范圍的有效吸收，將具有較小和較大兩種絨面織構(gòu)相結(jié)合是一種比較理想的選擇。實(shí)現(xiàn)TCO薄膜的絨面織構(gòu)的方法有很多。主要是采用兩種方法，一種是采用沉積工藝直接生長出具有絨面織構(gòu)的薄膜，另一種是采用沉積工藝獲得平整的TCO薄膜再通過后處理(例如濕法刻蝕)的方法來獲得所需的絨面織構(gòu)。采用LPCVD工藝，通常以DEZ和水為原材料沉積出ZnO薄膜，表面絨面織構(gòu)在薄膜沉積過程中會自然形成，通常沉積的絨面織構(gòu)的尺寸較小，可以實(shí)現(xiàn)對可見光的散射。 通過調(diào)整工藝參數(shù)，例如延長沉積時間，可以獲得較大的絨面尺寸，來增強(qiáng)對近紅外光的散射。沉積加濕法刻蝕工藝中，利用磁控濺射可以獲得平整的TCO薄膜，再通過后續(xù)濕法刻蝕來制備絨面ZnO薄膜，此方法可以通過調(diào)整沉積或刻蝕工藝參數(shù)獲得不同的絨面尺寸，實(shí)現(xiàn)對不同波長光的散射。用上述兩種方法，雖然通過調(diào)整工藝參數(shù)可以改變TCO薄膜絨面
3尺度的大小，但是很難使薄膜同時具備兩種尺寸的絨面織構(gòu)，即雙結(jié)構(gòu)，從而無法同時實(shí)現(xiàn)對可見光和近紅外光的散射。因此，如何制備出雙結(jié)構(gòu)的絨面TCO薄膜，拓展TCO薄膜對不同波段光的散射能力，拓寬電池對太陽光譜的充分利用，是目前提高薄膜電池轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法， 拓寬電池對太陽光譜的利用，提高薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率，解決背景技術(shù)存在的上述問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種薄膜電池的雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜制備方法，包含如下工藝步驟①利用等離子體刻蝕的方式對玻璃基片進(jìn)行前處理轟擊，在玻璃表面形成絨面，通過改變等離子體的氣體電離電壓、離子聚焦電壓、等離子體束流以及等離子體轟擊真空度，在玻璃襯底上刻蝕出絨面織構(gòu)；②在絨面玻璃表面采用鍍膜技術(shù)制備TCO 透明導(dǎo)電薄膜，通過改變TCO沉積參數(shù)來獲得不同結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的TCO薄膜，此時TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構(gòu)；③對玻璃表面的TCO薄膜進(jìn)行濕法刻蝕，通過改變刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、刻蝕時間、TCO玻璃在溶液中運(yùn)動的速率，獲得相對應(yīng)的絨面織構(gòu)，該TCO薄膜表面刻蝕產(chǎn)生的絨面織構(gòu)與玻璃襯底的絨面織構(gòu)的特征尺寸范圍不同時， 使整個TCO薄膜具有雙結(jié)構(gòu)的絨面織構(gòu)。
所說的刻蝕溶液是酸、堿、醇等；通過改變刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、刻蝕時間、TCO 玻璃在溶液中運(yùn)動的速率等工藝參數(shù)，可以獲得具有所需形狀和特征尺寸的絨面織構(gòu)。薄膜太陽能電池為硅基系列薄膜電池、碲化鎘系列薄膜電池、銅銦鎵硒系列薄膜電池或有機(jī)化合物材料薄膜電池等。雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜為氧化鋅(ZnO)薄膜、硼(B)摻雜ZnO薄膜、鋁 (Al)摻雜ZnO薄膜、鎵(Ga)摻雜ZnO薄膜、其他金屬元素?fù)诫sZnO薄膜，也可以是金屬元素?fù)诫s的氧化錫薄膜等。通過等離子體刻蝕的方式獲得起伏絨面的玻璃襯底。所采用的鍍膜技術(shù)為低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、脈沖激光沉積技術(shù)、旋涂技術(shù)等其他技術(shù)，所沉積的TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構(gòu)。在上述具有雙結(jié)構(gòu)的絨面TCO薄膜上制備薄膜電池，步驟如下利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)沉積非晶硅p-i-n或非晶硅p-i-n/微晶硅p-i-n疊層或多結(jié)p_i-n 結(jié)構(gòu)或CdTe或CIGS等光電轉(zhuǎn)換層，利用磁控濺射或低壓化學(xué)氣相沉積或旋涂技術(shù)制備背電極ZnO或SiO/Al或SiO/Ag或Ag，通過電極焊接、弓丨線封裝等工藝后，獲得薄膜電池。本發(fā)明的積極效果1)本發(fā)明中雙結(jié)構(gòu)絨面的特征尺寸，可通過單獨(dú)改變等離子體的參數(shù)(例如等離子體的氣體電離電壓、離子聚焦電壓、等離子體束流以及等離子體轟擊真空度等)或單獨(dú)改變刻蝕工藝的參數(shù)(例如刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、刻蝕時間、襯底運(yùn)動速度等)或二者相結(jié)合的方式來獲得，方便靈活。2)本發(fā)明的工藝中無論是等離子體的參數(shù)還是刻蝕工藝的參數(shù)均可以在較大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得不同尺寸的雙結(jié)構(gòu)絨面，實(shí)現(xiàn)與不同種類薄膜太陽能電池相應(yīng)光譜響應(yīng)范圍的匹配。3)本發(fā)明中的雙結(jié)構(gòu)的絨面TCO薄膜，拓寬了光散射的光譜范圍，在此雙結(jié)構(gòu)的絨面TCO薄膜襯底上制備的薄膜電池提高了光吸收和利用率，從而可提高了太陽電池的轉(zhuǎn)化效率。


圖1給出了薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖(以薄膜硅電池為例)； 圖2是TCO前電極及其陷光作用的示意圖3是本發(fā)明具體實(shí)施方式
示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例
本發(fā)明提出的制備雙結(jié)構(gòu)絨面&ιΟ:αι透明導(dǎo)電薄膜的具體制造過程如下
1、首先采用等離子體對玻璃基片進(jìn)行轟擊，調(diào)節(jié)等離子體的氣體電離電壓、離子聚焦電壓、等離子體束流以及等離子體轟擊真空度等參數(shù)，在玻璃表面形成絨面；
2、在上述絨面玻璃基片上采用磁控濺射或低壓化學(xué)氣相沉積或旋涂等方法制備 Ζη0:Α1透明導(dǎo)電薄膜；
3、將制備好的&ι0:Α1透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行濕法刻蝕，調(diào)節(jié)刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、 刻蝕時間、襯底運(yùn)動速度等參數(shù)可以獲得具有所需形狀和特征尺寸的絨面織構(gòu)。本發(fā)明提出首先對玻璃襯底進(jìn)行處理獲得絨面結(jié)構(gòu)(絨面尺寸大小可調(diào)，例如較大尺寸的絨面)，然后沉積TCO薄膜，此時薄膜具備與玻璃襯底相近的絨面結(jié)構(gòu)，再通過濕法刻蝕獲得另外一種尺寸的絨面織構(gòu)(絨面尺寸大小可調(diào)，例如較小尺寸的絨面)，從而獲得雙結(jié)構(gòu)的絨面，實(shí)現(xiàn)對全光譜光的散射，提高薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法，其特征在于包含如下工藝步驟①利用等離子體刻蝕的方式對玻璃基片進(jìn)行前處理轟擊，在玻璃表面形成絨面，通過改變等離子體的氣體電離電壓、離子聚焦電壓、等離子體束流以及等離子體轟擊真空度， 在玻璃襯底上刻蝕出絨面織構(gòu)；②在絨面玻璃表面采用鍍膜技術(shù)制備TCO透明導(dǎo)電薄膜， 通過改變TCO沉積參數(shù)來獲得不同結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的TCO薄膜，此時TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構(gòu)；③對玻璃表面的TCO薄膜進(jìn)行濕法刻蝕，通過改變刻蝕溶液的種類、 濃度、溫度、刻蝕時間、TCO玻璃在溶液中運(yùn)動的速率，獲得相對應(yīng)的絨面織構(gòu)，該TCO薄膜表面刻蝕產(chǎn)生的絨面織構(gòu)與玻璃襯底的絨面織構(gòu)的特征尺寸范圍不同時，使整個TCO薄膜具有雙結(jié)構(gòu)的絨面織構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法，其特征在于所說的刻蝕溶液是酸、堿、醇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法， 其特征在于薄膜太陽能電池為硅基系列薄膜電池、碲化鎘系列薄膜電池、銅銦鎵硒系列薄膜電池或有機(jī)化合物材料薄膜電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法， 其特征在于雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜為氧化鋅(ZnO)薄膜、硼(B)摻雜ZnO薄膜、鋁 (Al)摻雜ZnO薄膜、鎵(Ga)摻雜ZnO薄膜、其他金屬元素?fù)诫sZnO薄膜，也可以是金屬元素?fù)诫s的氧化錫薄膜等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法， 其特征在于通過等離子體刻蝕的方式獲得起伏絨面的玻璃襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述之薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜的制備方法， 其特征在于所采用的鍍膜技術(shù)為低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)技術(shù)、磁控濺射技術(shù)、脈沖激光沉積技術(shù)、旋涂技術(shù)等其他技術(shù)，所沉積的TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜電池雙結(jié)構(gòu)絨面透明導(dǎo)電氧化物薄膜制備方法，特別是適合薄膜太陽能電池應(yīng)用的雙結(jié)構(gòu)絨面透明電極，屬于透明導(dǎo)電氧化物薄膜技術(shù)領(lǐng)域。技術(shù)方案是本發(fā)明提出首先對玻璃襯底進(jìn)行處理獲得絨面結(jié)構(gòu)(絨面尺寸大小可調(diào)，例如較大尺寸的絨面)，然后沉積TCO薄膜，此時薄膜具備與玻璃襯底相近的絨面結(jié)構(gòu)，再通過濕法刻蝕獲得另外一種尺寸的絨面織構(gòu)(絨面尺寸大小可調(diào)，例如較小尺寸的絨面)，從而獲得雙結(jié)構(gòu)的絨面TCO薄膜，拓展TCO薄膜對不同波段光的散射能力，拓寬電池對太陽光譜的利用，提高薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/20GK102368513SQ20111035672
公開日2012年3月7日 申請日期2011年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月11日
發(fā)明者馮燕, 張麗, 王輝, 賈海軍, 麥耀華 申請人:保定天威集團(tuán)有限公司