專利名稱：制造襯底的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可用于制造高效太陽能電池、特別是用于制造敏化太陽能電池的太陽能電池襯底。所述太陽能電池襯底由玻璃制造并且包含在玻璃襯底之中或之上的金屬粒子。所述金屬粒子優(yōu)選為銀、金或銅粒子。本發(fā)明還涉及用于制造這類太陽能電池襯底的設(shè)備。
背景技術(shù)：
薄膜太陽能電池在低成本光電器件中起到重要的作用，但與基于晶片的電池相比是以降低效率為代價(jià)的。然而，通過利用次波長金屬納米粒子的光學(xué)性質(zhì)，可以改善薄膜太陽能電池(也稱為光伏(PV)電池)的效率。次波長金屬粒子支持稱為表面等離子體的表面模式。等離子體是載流子的密度波。局域化的表面等離子體共振與產(chǎn)生等離子體的粒子附近的空間區(qū)域中的場(chǎng)振幅的優(yōu)異改善有關(guān)。局部場(chǎng)的提高可以導(dǎo)致改善的光學(xué)性質(zhì)。因而，表面等離子體致使金屬粒子強(qiáng)烈地將光散射到下面的襯底之中，由此提高陽光吸收到太陽能電池中。適合的金屬包括金、銀和銅。通過使用慢蒸發(fā)法、熱蒸發(fā)法和光催化沉積在基于玻璃和硅的太陽能電池襯底的表面上產(chǎn)生了表面等離子體。然而，這些生產(chǎn)方法均不能以這樣的速度來產(chǎn)生表面等離子體，即，使得所述生產(chǎn)能夠被整合到當(dāng)前薄膜太陽能電池生產(chǎn)線中，其中襯底在所述生產(chǎn)線中以l_20m/分鐘的速度移動(dòng)。因而，需要一種用于制造包含次波長金屬粒子的太陽能電池襯底的方法。

發(fā)明內(nèi)容
完成專利FI98832 (Liekki Oy, 1997年3月16日)描述了一種利用液體火焰噴涂(liquid flame spraying, LFS)方法來制備貴金屬粒子如鉬、銀和金粒子的方法。在LFS方法中，使金屬鹽溶解在合適的溶劑如水或醇中并且將液體進(jìn)料到液體火焰噴槍中。在所述槍中，液體首先霧化成細(xì)微的小滴并且將所述小滴基本上快速地進(jìn)料到熱反應(yīng)器中，通常進(jìn)料到火焰中。液體和金屬在火焰中蒸發(fā)。然后蒸發(fā)的金屬經(jīng)由熟知的氣體-粒子路線形成納米粒子。粒子的尺寸取決于例如質(zhì)量進(jìn)料速率，并且平均粒度通常為10至200nm。本發(fā)明的基本特征在于通過控制與襯底進(jìn)料速率可比的進(jìn)入到液體火焰噴涂設(shè)備中的質(zhì)量進(jìn)料速率，能夠?qū)⒋尾ㄩL金屬粒子沉積到襯底上，使得平均粒子直徑為30nm至150nm、優(yōu)選SOnm至120nm并且在襯底表面上的次波長粒子之間的平均距離等于或小于平均粒子直徑的4倍。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，這通過利用氣流來使液體火焰噴涂設(shè)備中產(chǎn)生的粒子流急冷(quench)來實(shí)現(xiàn),所述氣流使粒子流冷卻下來并寬化。



下文中，將參照所附原理圖更為詳細(xì)地描述本發(fā)明，在附圖中圖I為通過本發(fā)明制造的襯底的示意圖；和
圖2為本發(fā)明方法的示意圖。為清楚起見，附圖僅僅示出對(duì)于理解本發(fā)明而言所必需的細(xì)節(jié)。附圖中已經(jīng)省略了對(duì)于理解本發(fā)明來說不必要的和對(duì)本領(lǐng)域任一技術(shù)人員而言顯見的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)以著重強(qiáng)調(diào)本發(fā)明的特性。
具體實(shí)施例方式對(duì)于高效太陽能電池來說，最重要的是最大部分的陽光吸收在發(fā)生光電轉(zhuǎn)化的電池層上。通過利用由次波長金屬粒子產(chǎn)生的等離子體共振可以改善所述吸收。等離子體共振粒子優(yōu)選沉積在薄膜太陽能電池制造所需的襯底上。有利的是，在例如制造透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層的過程中沉積這類金屬粒子，這是因?yàn)樘柲茈姵匦枰辽僖粋€(gè)這樣的TCO層用于電流流動(dòng)。通常，這樣的TCO層通過濺射或通過熱解工藝來產(chǎn)生。在熱解工藝中，在550-700°C下以l_20m/分鐘在玻璃襯底上制造TCO膜。
圖I示出由本發(fā)明制造的襯底I的示意圖。平坦的玻璃襯底2的厚度為2mm-6mm。平均直徑為約IOOnm的銀粒子3沉積在玻璃襯底2上。銀粒子之間的距離(標(biāo)記為“距離”)優(yōu)選小于所述平均直徑的四(4)倍(即，400nm)，更優(yōu)選小于所述平均直徑的2. 5倍(即，250nm)。采用這樣的短平均距離，等離子體共振頻率移向較高波長(紅移)并且太陽能電池的太陽輻射吸收得以異常地提高。銀粒子可以是團(tuán)聚的(標(biāo)記為“團(tuán)聚”)，優(yōu)選作為鏈狀團(tuán)聚體。在所述團(tuán)聚體中，單獨(dú)的金屬粒子通過基本上弱的力如通過范德華力保持在一起。在最佳實(shí)施方案中，這類團(tuán)聚體通過使液體火焰噴涂工藝的粒子流急冷形成。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。在完成專利FI98832中描述的液體火焰噴涂設(shè)備100用來制造所需的銀粒子3，其中將44g硝酸銀(AgNO3)溶解在IOOcm3水(H2O)中。溶液的流量為15cm3/分鐘。通過導(dǎo)管7以IOOdm3/分鐘的流量供應(yīng)氫氣(H2)并且通過導(dǎo)管8以50dm3/分鐘的流量供應(yīng)氧氣(O2)。將氫氣流進(jìn)料到雙流體霧化器10中，在霧化器10中氣流使液體流霧化成小滴11。小滴11的平均直徑優(yōu)選小于10微米。小滴11，包括它們所含有的銀金屬在內(nèi)，基本上在通過點(diǎn)燃?xì)錃?氧氣混合物而產(chǎn)生的火焰20中蒸發(fā)。至少部分的金屬蒸氣成核并且另外金屬在核上冷凝，從而形成納米級(jí)金屬粒子3。通過導(dǎo)管5以200dm3/分鐘的流量將氮?dú)?N2)進(jìn)料到液體火焰噴涂設(shè)備100中。將氮?dú)膺M(jìn)一步導(dǎo)向氣體噴嘴40，從噴嘴40逸出的氮?dú)庥行У厥菇饘倭Ｗ恿骷崩?，從而使粒?的進(jìn)一步生長停止。本發(fā)明的一個(gè)基本特征為控制硝酸銀的質(zhì)量流動(dòng)、噴嘴40的位置和氮?dú)獾馁|(zhì)量流動(dòng)，并且以此方式可以將粒子3的平均直徑設(shè)置為30-150nm、優(yōu)選80_120nm的值。金屬粒子3沉積在襯底2上，從而形成太陽能電池襯底I。至少一部分的粒子3可以作為團(tuán)聚體沉積。當(dāng)使用玻璃作為襯底2時(shí)，襯底2的溫度優(yōu)選為530°C至700°C。在不同的溫度下，金屬粒子沉積在襯底2上或至少部分地沉積在襯底2中。這具有調(diào)節(jié)所需的等離子體共振頻率的作用。在玻璃襯底2為基本上4mm厚的平玻璃板、所述板的外部尺寸為1400mmX IlOOmm并且襯底2在玻璃涂布線上以5m/分鐘的速度移動(dòng)的一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)利用圖2的三(3)液體火焰噴涂設(shè)備來進(jìn)行涂布時(shí)，銀粒子可以沉積在襯底2上，其中所述三(3)液體火焰噴涂設(shè)備以50m/分鐘的速度在基本上垂直于玻璃涂布線的方向上橫跨襯底2。所述橫跨優(yōu)選通過使所述設(shè)備重復(fù)地往返掃過玻璃涂布線的寬度來實(shí)現(xiàn)。通過調(diào)節(jié)液體火焰噴涂設(shè)備的移動(dòng)速度(traversing speed),可以控制粒子(3)之間的平均距離(距離)。通過 以不同方式組合以上給出的結(jié)合本發(fā)明的不同實(shí)施方案而公開的方式，可以產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的精神的多個(gè)實(shí)施方案。因此，上述實(shí)例不應(yīng)解釋為限制本發(fā)明，相反本發(fā)明的實(shí)施方案可以在權(quán)利要求中給出的本發(fā)明特征的范圍內(nèi)自由地進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
1.一種用于制造太陽能電池襯底⑴的方法，其中金屬粒子⑶沉積在襯底⑵的表面上，所述方法包括 a.通過液體火焰噴涂方法產(chǎn)生金屬粒子(3)； b.將所述粒子的平均直徑調(diào)節(jié)為30nm至150nm;以及 c.控制沉積過程以使得所述粒子(3)之間的平均距離(距離)不超過所述粒子(3)的平均直徑四⑷倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，包括通過氣體流使由所述液體火焰噴涂方法產(chǎn)生的所述金屬粒子(3)流急冷，以調(diào)節(jié)所述粒子(3)的平均直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的方法，包括控制用以由所述液體火焰噴涂方法產(chǎn)生所述金屬粒子(3)的前體的質(zhì)量進(jìn)料速率，以調(diào)節(jié)所述粒子(3)的平均直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的方法，其中所述金屬粒子(3)的平均直徑為SOnm至120nm。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述金屬粒子(3)包括銀、金或銅。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中所述金屬粒子是至少部分團(tuán)聚的。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，其中襯底2基本上是玻璃并且使金屬粒子(3)至少部分地沉積在玻璃襯底2中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中在粒子(3)的沉積過程中襯底2的溫度為530°C至700。。。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法，包括調(diào)整液體火焰噴涂設(shè)備的移動(dòng)速度以控制粒子(3)之間的平均距離。
10.一種用于制造太陽能電池襯底(I)的設(shè)備，所述設(shè)備包括 a.液體火焰噴涂設(shè)備(100)； b.用于將液體原料供應(yīng)到火焰(20)中的裝置(10)； c.用于形成所述火焰(20)的裝置(20);和 d.用于基本上朝向在所述火焰(20)中產(chǎn)生的所述金屬粒子(3)供應(yīng)急冷氣體的供氣噴嘴(40)。
全文摘要
公開了用于制造太陽能電池襯底(1)的方法，其中金屬粒子(3)沉積在襯底(2)的表面上。金屬粒子(3)通過液體火焰噴涂方法以使得所述粒子的平均直徑為30nm至150nm這樣的方式來產(chǎn)生，并且控制沉積方法以使得粒子(3)之間的平均距離(距離)不超過粒子(3)的平均直徑的四(4)倍。
文檔編號(hào)C23C4/12GK102666905SQ201080056616
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月15日
發(fā)明者亞爾莫·斯卡爾普, 托米·瓦伊尼奧 申請(qǐng)人:Beneq有限公司