專利名稱：一種薄膜電池雙結構絨面透明導電氧化物薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜電池雙結構絨面透明導電氧化物薄膜的制備方法，特別是適合薄膜太陽能電池應用的雙結構絨面透明電極，屬于透明導電氧化物薄膜技術領域。
背景技術：
全球氣候變暖、人類生態環境惡化、常規能源面臨短缺危險的形勢下，可持續發展戰略已被世界各國所接受。太陽能具有清潔、安全、資源充足、可再生等優點，是二十一世紀最重要的新能源之一，受到了各國政府的重視和支持，光伏產業以連續五年近48%的速度向前發展，由此使得光伏市場急劇擴大，光伏產品供不應求。光伏產品種類繁多，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好、高溫效應好、受陰影影響小、年平均發電量高、能夠與建筑物完美結合等優點，而且生產所需原材料豐富、原材料消耗少，能量回收期短、生產過程對環境影響小、適于大批量生產等，因此受到廣泛關注。薄膜硅電池中的非晶硅薄膜電池，帶隙為1. 7eV，光譜響應范圍集中在可見光波段，紅外區域利用較少。為了提高光譜利用率、提高電池的轉換效率，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，對近紅外光有較強的吸收和利用。通過將非晶硅和微晶硅結合，從而實現對可見光和紅外光的吸收和利用。未來高效率電池將開發全光譜多結薄膜電池，拓寬對太陽光譜的充分利用。薄膜太陽電池作為一個光學系統， 要提高其對太陽光的利用率從而提高轉換效率，需要對電池組件各層光學薄膜進行合理設計。薄膜硅太陽能電池的基本結構一般包括前電極透明導電氧化物(TCO)薄膜、硅薄膜光電轉換層、背電極透明導電膜、背反射層等(圖1所示)。其中，前電極透明導電薄膜需要具備高光學透過率、高電導率以及對入射光有較強的散射能力，從而提高電池對光的吸收， 增大光生電流，提高電池轉換效率。采用具有絨面織構的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。經驗證明，具有較小特征尺寸的表面絨面織構主要對可見光譜中的 400-700nm波段有較強的光散射作用。而具有較大特征尺寸的表面絨面織構(如廣2 μ m)對光譜中的近紅外部分具有較強的光散射作用。要實現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相結合是一種比較理想的選擇。實現TCO薄膜的絨面織構的方法有很多。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。采用LPCVD工藝，通常以DEZ和水為原材料沉積出ZnO薄膜，表面絨面織構在薄膜沉積過程中會自然形成，通常沉積的絨面織構的尺寸較小，可以實現對可見光的散射。 通過調整工藝參數，例如延長沉積時間，可以獲得較大的絨面尺寸，來增強對近紅外光的散射。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，再通過后續濕法刻蝕來制備絨面ZnO薄膜，此方法可以通過調整沉積或刻蝕工藝參數獲得不同的絨面尺寸，實現對不同波長光的散射。用上述兩種方法，雖然通過調整工藝參數可以改變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，即雙結構，從而無法同時實現對可見光和近紅外光的散射。因此，如何制備出雙結構的絨面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換效率的關鍵技術之一。
發明內容
本發明的目的是提供一種薄膜電池雙結構絨面透明導電氧化物薄膜的制備方法， 拓寬電池對太陽光譜的利用，提高薄膜電池的轉換效率，解決背景技術存在的上述問題。本發明的技術方案是一種薄膜電池的雙結構絨面透明導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；②在絨面玻璃表面采用鍍膜技術制備TCO 透明導電薄膜，通過改變TCO沉積參數來獲得不同結構及電學性能的TCO薄膜，此時TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構；③對玻璃表面的TCO薄膜進行濕法刻蝕，通過改變刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、刻蝕時間、TCO玻璃在溶液中運動的速率，獲得相對應的絨面織構，該TCO薄膜表面刻蝕產生的絨面織構與玻璃襯底的絨面織構的特征尺寸范圍不同時， 使整個TCO薄膜具有雙結構的絨面織構。
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 玻璃在溶液中運動的速率等工藝參數，可以獲得具有所需形狀和特征尺寸的絨面織構。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化合物材料薄膜電池等。雙結構絨面透明導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、其他金屬元素摻雜ZnO薄膜，也可以是金屬元素摻雜的氧化錫薄膜等。通過等離子體刻蝕的方式獲得起伏絨面的玻璃襯底。所采用的鍍膜技術為低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術、磁控濺射技術、脈沖激光沉積技術、旋涂技術等其他技術，所沉積的TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構。在上述具有雙結構的絨面TCO薄膜上制備薄膜電池，步驟如下利用等離子體增強化學氣相沉積技術沉積非晶硅p-i-n或非晶硅p-i-n/微晶硅p-i-n疊層或多結p_i-n 結構或CdTe或CIGS等光電轉換層，利用磁控濺射或低壓化學氣相沉積或旋涂技術制備背電極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。本發明的積極效果1)本發明中雙結構絨面的特征尺寸，可通過單獨改變等離子體的參數(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)或單獨改變刻蝕工藝的參數(例如刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、刻蝕時間、襯底運動速度等)或二者相結合的方式來獲得，方便靈活。2)本發明的工藝中無論是等離子體的參數還是刻蝕工藝的參數均可以在較大的范圍內進行調節，從而獲得不同尺寸的雙結構絨面，實現與不同種類薄膜太陽能電池相應光譜響應范圍的匹配。3)本發明中的雙結構的絨面TCO薄膜，拓寬了光散射的光譜范圍，在此雙結構的絨面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化效率。
圖1給出了薄膜太陽能電池結構示意圖(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是本發明具體實施方式
示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，通過實施例對本發明做進一步說明。實施例
本發明提出的制備雙結構絨面&ιΟ:αι透明導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行轟擊，調節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，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氣相沉積或旋涂等方法制備 Ζη0:Α1透明導電薄膜；
3、將制備好的&ι0:Α1透明導電薄膜進行濕法刻蝕，調節刻蝕溶液的種類、濃度、溫度、 刻蝕時間、襯底運動速度等參數可以獲得具有所需形狀和特征尺寸的絨面織構。本發明提出首先對玻璃襯底進行處理獲得絨面結構(絨面尺寸大小可調，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構，再通過濕法刻蝕獲得另外一種尺寸的絨面織構(絨面尺寸大小可調，例如較小尺寸的絨面)，從而獲得雙結構的絨面，實現對全光譜光的散射，提高薄膜電池的轉換效率。
權利要求
1.一種薄膜電池雙結構絨面透明導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；②在絨面玻璃表面采用鍍膜技術制備TCO透明導電薄膜， 通過改變TCO沉積參數來獲得不同結構及電學性能的TCO薄膜，此時TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構；③對玻璃表面的TCO薄膜進行濕法刻蝕，通過改變刻蝕溶液的種類、 濃度、溫度、刻蝕時間、TCO玻璃在溶液中運動的速率，獲得相對應的絨面織構，該TCO薄膜表面刻蝕產生的絨面織構與玻璃襯底的絨面織構的特征尺寸范圍不同時，使整個TCO薄膜具有雙結構的絨面織構。
2.根據權利要求1所述之薄膜電池雙結構絨面透明導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.根據權利要求1或2所述之薄膜電池雙結構絨面透明導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化合物材料薄膜電池。
4.根據權利要求1或2所述之薄膜電池雙結構絨面透明導電氧化物薄膜的制備方法， 其特征在于雙結構絨面透明導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、其他金屬元素摻雜ZnO薄膜，也可以是金屬元素摻雜的氧化錫薄膜等。
5.根據權利要求1或2所述之薄膜電池雙結構絨面透明導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.根據權利要求1或2所述之薄膜電池雙結構絨面透明導電氧化物薄膜的制備方法， 其特征在于所采用的鍍膜技術為低壓化學氣相沉積(LPCVD)技術、磁控濺射技術、脈沖激光沉積技術、旋涂技術等其他技術，所沉積的TCO薄膜具有與玻璃襯底相似的絨面織構。
全文摘要
本發明涉及一種薄膜電池雙結構絨面透明導電氧化物薄膜制備方法，特別是適合薄膜太陽能電池應用的雙結構絨面透明電極，屬于透明導電氧化物薄膜技術領域。技術方案是本發明提出首先對玻璃襯底進行處理獲得絨面結構(絨面尺寸大小可調，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構，再通過濕法刻蝕獲得另外一種尺寸的絨面織構(絨面尺寸大小可調，例如較小尺寸的絨面)，從而獲得雙結構的絨面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 優先權日2011年11月11日
發明者馮燕, 張麗, 王輝, 賈海軍, 麥耀華 申請人:保定天威集團有限公司