專利名稱：柔性襯底薄膜太陽電池阻擋層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及柔性襯底半導(dǎo)體薄膜器件制備的方法，更具體地講，涉及柔性襯底薄膜太陽電池的阻擋層及其制備方法。
背景技術(shù)：
太陽電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的器件，其中應(yīng)用較多的是硅基薄膜太陽電池。通常，硅基薄膜太陽電池在玻璃襯底上按P-I-N順序沉積。以柔性材料為襯底的太陽電池生產(chǎn)成本低，容易實(shí)現(xiàn)超大面積生產(chǎn)，使用中不受面積形狀的限制。聚合物重量輕，作為電池襯底可得到很高的功率-重量比，而且可以任意彎曲。這些優(yōu)點(diǎn)有利于太陽電池在衛(wèi)星、航天器、空間站、空間定位氣球等各種特殊場合應(yīng)用。
與硬質(zhì)襯底硅基薄膜太陽電池相比，柔性襯底硅基薄膜太陽電池可顯著提高功率-重量比。由于改變襯底導(dǎo)致制備工藝的改變引入了很多問題，其中背電極金屬鋁原子熱擴(kuò)散問題尤為突出。因金屬鋁較活潑，在制備多層硅基薄膜時(shí)，金屬鋁會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入電池主體，導(dǎo)致電池輸出較差或無輸出。通常解決的方法是在金屬背電極鋁與N型硅基薄膜之間加入一層阻擋層(Lr)，一般該阻擋層采用透明導(dǎo)電材料氧化鋅薄膜。但因氧化鋅材料與柔性襯底材料應(yīng)力匹配不理想，導(dǎo)致了薄膜太陽電池局部出現(xiàn)龜裂甚至脫落，影響了電池的輸出特性和均勻性。
選擇氧化鋅阻擋層替代材料的原則是在阻止背電極金屬鋁擴(kuò)散的同時(shí)不能影響背電極金屬鋁起到引出電流的作用。阻止背電極金屬鋁擴(kuò)散要選擇性能穩(wěn)定結(jié)構(gòu)致密的材料，而且應(yīng)選擇功函數(shù)與金屬鋁接近的材料，這樣可以減小接觸勢(shì)壘利于載流子輸運(yùn)。在理論分析的同時(shí)還應(yīng)考慮操作實(shí)現(xiàn)的可能性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種柔性襯底薄膜太陽電池的阻擋層及其制備方法，可以防止背電極金屬鋁在制備電池的過程中擴(kuò)散進(jìn)入電池主體，在背電極與電池硅基薄膜之間制備一層阻擋層，不影響入射光的反射，增加其在電池中吸收層中的光程的作用，還可以保證電池良好的輸出特性和均勻性。
本發(fā)明的目的還在于提供一種柔性襯底薄膜太陽電池。
本發(fā)明提供的柔性襯底薄膜太陽電池的阻擋層是金屬鎳層或金屬鈦層，阻擋層的厚度為30-50nm。
本發(fā)明提供的柔性襯底薄膜太陽電池主要結(jié)構(gòu)包括柔性襯底、金屬背電極鋁、金屬鎳層或金屬鈦層阻擋層、N型硅基薄膜、I型硅基薄膜、P型硅基薄膜和透明導(dǎo)電氧化物薄膜。
所述的N型硅基薄膜包括N型氫化微晶硅或N型氫化非晶硅；
所述的I型硅基薄膜包括I型氫化微晶硅、I型氫化非晶硅或I型氫化硅鍺合金；所述的P型硅基薄膜包括P型氫化微晶硅，P型氫化非晶硅或P型氫化硅碳合金；所述的透明導(dǎo)電氧化物薄膜包括摻鋁氧化鋅、二氧化錫或銦錫氧化物透明導(dǎo)電膜；所述的柔性襯底材料包括不銹鋼箔、聚酰亞胺或其它有機(jī)聚合物材料。
本發(fā)明柔性襯底薄膜太陽電池阻擋層的制備方法是1)將清洗烘干后的柔性襯底放入鍍膜機(jī)中，抽真空至1.0×10-3Pa，打開掛鋁絲電極的電源，緩慢提高變壓器輸出電壓至150伏，此時(shí)鋁絲熔化蒸發(fā)，三分鐘后將變壓器調(diào)至零，關(guān)閉電源，制備出背電極金屬鋁；2)鍍膜機(jī)抽真空至1.0×10-3Pa，打開掛鎳絲電極或鈦絲電極的電源，緩慢提高變壓器輸出電壓至175伏，此時(shí)鎳絲熔化蒸發(fā)或鈦絲部分升華，三十秒后將變壓器調(diào)至零，關(guān)閉電源，冷卻后取出。
本發(fā)明所述的柔性襯底薄膜太陽電池的制備方法是采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)、甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(VHF-PECVD)、熱絲化學(xué)氣相沉積(HW-CVD)或催化+甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Cat+VHF-PECVD)等方法，在相應(yīng)的系統(tǒng)中分解硅烷、磷烷、鍺烷、硼烷、甲烷和氫氣，按照N-I-P的順序沉積硅基薄膜太陽電池主體。
本發(fā)明柔性襯底薄膜太陽電池的阻擋層也可用于硬質(zhì)透明襯底硅基薄膜太陽電池或化合物薄膜太陽電池中。
本發(fā)明是在金屬背電極鋁與N型硅基薄膜間沉積一層金屬鎳或鈦薄膜，取代氧化鋅薄膜作為阻擋層，該阻擋層可阻止金屬背電極鋁擴(kuò)散進(jìn)入電池主體，同時(shí)不影響背電極對(duì)入射光的反射，增加其在電池吸收層中光程的作用。采用熱蒸發(fā)法制備阻擋層金屬鎳或鈦，在制備金屬背電極鋁之后在同一鍍膜機(jī)中制備，可避免空氣氧化和雜質(zhì)污染。
硬質(zhì)透明襯底硅基薄膜太陽電池的背電極和化合物薄膜太陽電池的柵線引出極也采用金屬鋁材料，同樣存在鋁擴(kuò)散的問題。該發(fā)明也適用于硬質(zhì)透明襯底硅基薄膜太陽電池和化合物薄膜太陽電池，在制備上述金屬鋁電極之前先制備一層阻擋層金屬鎳或鈦。
本發(fā)明提供的柔性襯底太陽電池阻擋層，可以防止背電極金屬鋁在制備電池的過程中擴(kuò)散進(jìn)入電池主體，在背電極與電池硅基薄膜之間制備一層阻擋層，不影響入射光的反射，增加其在電池吸收層中的光程的作用，還可以保證電池性能，顯著提高柔性襯底倒結(jié)構(gòu)薄膜太陽電池的輸出特性和均勻性。


圖1包含本發(fā)明阻擋層的柔性襯底硅基薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2本發(fā)明用于硬質(zhì)襯底硅基薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3氧化鋅作為阻擋層柔性襯底硅基薄膜太陽電池的輸出特性。
圖4金屬鎳作為阻擋層柔性襯底硅基薄膜太陽電池的輸出特性。
圖5金屬鈦?zhàn)鳛樽钃鯇尤嵝砸r底硅基薄膜太陽電池的輸出特性。
具體實(shí)施例方式
參照附圖描述如下如圖所示，1.襯底，包括柔性襯底聚酰亞胺、不銹鋼箔和硬質(zhì)透明襯底玻璃；2.金屬電極鋁；3.阻擋層；4.N型硅基薄膜層；5.I型硅基薄膜層；6.P型硅基薄膜層；7.透明導(dǎo)電薄膜，包括氧化鋅，二氧化錫或銦錫氧化物透明導(dǎo)電膜。
按常規(guī)的清洗方法如加熱、超聲、蹭拭等方法清洗柔性襯底。將清洗、烘干后的柔性襯底(聚酰亞胺、50微米)放入鍍膜機(jī)(DM-300B型，北京儀器廠生產(chǎn))中，該鍍膜機(jī)配備兩組鎢絲電極，中間用擋板隔離，避免相互污染。在其中一組鎢絲上掛鋁絲0.368克，在另一組鎢絲上掛鎳絲0.034克或鈦絲0.066克。抽真空至1.0×10-3Pa，打開掛鋁絲電極的電源，緩慢提高變壓器輸出電壓至150伏，此時(shí)鋁絲熔化蒸發(fā)。三分鐘后將變壓器調(diào)至零，關(guān)閉電源。抽真空至1.0×10-3Pa，打開掛鎳絲或鈦絲電極的電源，緩慢提高變壓器輸出電壓至175伏，此時(shí)鎳絲熔化蒸發(fā)或鈦絲部分升華。三十秒后將變壓器調(diào)至零，關(guān)閉電源，待襯底降溫后取出，阻擋層的厚度為30-50nm。冷卻后的襯底放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)系統(tǒng)中制備N-I-P薄膜太陽電池主體。
所述的鎢絲為螺旋狀摻鋁，直徑為1.5毫米。所述的鋁絲純度99.995％，重量為0.368克。所述的鎳絲純度99.995％，重量為0.034克。所述的鈦絲純度99.999％，重量為0.066克，且多次重復(fù)使用。
阻擋層的厚度用臺(tái)階儀進(jìn)行測試，厚度為30-50nm。
實(shí)施例1柔性襯底薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)如圖1，電池主體制備的主要步驟如下將制備好的具有金屬鋁電極、金屬鎳(鎳層厚度約為40nm)或金屬鈦?zhàn)钃鯇拥木埘啺啡嵝砸r底放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，對(duì)該襯底加熱至160-180℃，并恒溫2小時(shí)；分別在不同的三個(gè)反應(yīng)室沉積N、I、P三層硅基薄膜。其中N室反應(yīng)氣體為硅烷、磷烷和氫氣，反應(yīng)功率為28W，膜厚約30nm；I室反應(yīng)氣體為硅烷、鍺烷和氫氣，反應(yīng)功率為8W，膜厚約500nm；P室反應(yīng)氣體為硅烷、硼烷、甲烷和氫氣，反應(yīng)功率為30W，膜厚約20nm。三層硅基薄膜沉積完畢后，溫度降至室溫將太陽電池從等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中取出，制備摻鋁氧化鋅、二氧化錫或銦錫氧化物透明導(dǎo)電膜。
圖4金屬鎳作為阻擋層柔性襯底硅基薄膜太陽電池的輸出特性。
圖5金屬鈦?zhàn)鳛樽钃鯇尤嵝砸r底硅基薄膜太陽電池的輸出特性。
薄膜太陽電池主要技術(shù)指標(biāo)有短路電流Jsc、開路電壓Voc、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率Eft。利用太陽光模擬器模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽的輻射量對(duì)薄膜太陽電池進(jìn)行有效照射，測試薄膜太陽電池輸出的伏安特性，由伏安特性曲線計(jì)算出上述太陽電池主要技術(shù)指標(biāo)。
實(shí)施例2透明硬質(zhì)襯底薄膜太陽電池結(jié)構(gòu)如圖2，電池主體制備的主要步驟如下將具有透明導(dǎo)電薄膜的硬質(zhì)透明襯底放入等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中，分別沉積P、I、N三層硅基薄膜，實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1。降溫至室溫后將太陽電池從等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)中取出，放入鍍膜機(jī)中沉積金屬鎳或金屬鈦?zhàn)钃鯇?，隨后沉積金屬鋁，實(shí)驗(yàn)條件同實(shí)施例1，不同之處是先沉積金屬鎳或鈦?zhàn)钃鯇釉俪练e金屬鋁。待降溫后取出，阻擋層的厚度約為45nm。
權(quán)利要求
1.一種柔性襯底薄膜太陽電池的阻擋層，其特征在于它是金屬鎳層或金屬鈦層，阻擋層的厚度為30-50nm。
2.一種包含權(quán)利要求1所述的阻擋層的薄膜太陽電池，其特征在于它主要包括柔性襯底、金屬背電極鋁、金屬鎳層或金屬鈦層阻擋層、N型硅基薄膜、I型硅基薄膜、P型硅基薄膜和透明導(dǎo)電氧化物薄膜，上述薄膜按熱蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法依次疊加制備；所述的N型硅基薄膜是N型氫化微晶硅或N型氫化非晶硅；所述的I型硅基薄膜是I型氫化微晶硅、I型氫化非晶硅或I型氫化硅鍺合金；所述的P型硅基薄膜是P型氫化微晶硅，P型氫化非晶硅或P型氫化硅碳合金；所述的透明導(dǎo)電氧化物薄膜是摻鋁氧化鋅、二氧化錫或銦錫氧化物透明導(dǎo)電膜；所述的柔性襯底材料是不銹鋼箔、聚酰亞胺或其它有機(jī)聚合物材料。
3.權(quán)利要求1所述的阻擋層的制備方法，其特征在于經(jīng)過下述步驟1)將清洗烘干后的柔性襯底放入鍍膜機(jī)中，抽真空至1.0×10-3Pa，打開掛鋁絲電極的電源，緩慢提高變壓器輸出電壓至150伏，此時(shí)鋁絲熔化蒸發(fā)，三分鐘后將變壓器調(diào)至零，關(guān)閉電源，制備出背電極金屬鋁；2)鍍膜機(jī)抽真空至1.0×10-3Pa，打開掛鎳絲電極或鈦絲電極的電源，緩慢提高變壓器輸出電壓至175伏，此時(shí)鎳絲熔化蒸發(fā)或鈦絲部分升華，三十秒后將變壓器調(diào)至零，關(guān)閉電源，冷卻后取出。
4.權(quán)利要求2所述的薄膜太陽電池的制備方法，其特征在于它是經(jīng)過射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)、甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(VHF-PECVD)、熱絲化學(xué)氣相沉積(HW-CVD)或催化+甚高頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(Cat+VHF-PECVD)方法在相應(yīng)的系統(tǒng)中分解硅烷、磷烷、鍺烷、硼烷、甲烷和氫氣，按照N-I-P的順序沉積硅基薄膜太陽電池主體。
5.權(quán)利要求1所述的阻擋層的應(yīng)用，其特征在于用于柔性襯底薄膜太陽電池、硬質(zhì)透明襯底硅基薄膜太陽電池或化合物薄膜太陽電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及柔性襯底薄膜太陽電池阻擋層及其制備方法，它是金屬鎳層或金屬鈦層，阻擋層的厚度為30－50nm。柔性襯底薄膜太陽電池阻擋層可以防止背電極金屬鋁在制備電池的過程中擴(kuò)散進(jìn)入電池主體，在背電極與電池硅基薄膜之間制備一層阻擋層，不影響入射光的反射，增加其在電池吸收層中的光程的作用，還可以保證電池性能，顯著提高柔性襯底倒結(jié)構(gòu)薄膜太陽電池的輸出特性和均勻性。
文檔編號(hào)H01L31/042GK1819274SQ200510122529
公開日2006年8月16日 申請(qǐng)日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月22日
發(fā)明者張德賢, 蔡宏琨, 馮凱, 齊龍茵, 張曉 , 趙飛, 李勝林 申請(qǐng)人:南開大學(xué)