CN103966565A - 一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法，属薄膜太阳电池领域。这种表面涂层的制备方法主要是：以不同掺杂浓度的ZnO:B陶瓷靶为原料，利用磁控溅射镀膜系统在平板玻璃上溅射制备ZnO:B薄膜，通过控制溅射条件，可得到不同厚度的ZnO:B薄膜；结合N₂气氛中进行快速退火处理，控制退火条件，可得到不同晶粒尺寸、晶化率等微纳结构的ZnO:B薄膜。不同掺杂浓度、厚度、晶粒尺寸及晶化率的ZnO:B薄膜，其折射率、反射率等光学参数发生改变，用作薄膜太阳电池的透明导电氧化膜，可在电池表面呈现出不同色彩，从而制备出彩色薄膜太阳电池。本发明的优点为：可赋予薄膜电池表面不同色彩，达到彩色薄膜太阳电池的效果；可起到表面钝化作用，延长器件寿命，可形成反射层，增加薄膜电池吸收层对太阳光的吸收。

Description

一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法，属薄膜太阳电池领域。

背景技术

太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源。在能源危机、环境污染以及建筑能耗不断增大的背景下，太阳能光伏技术得到了人们的重视，获得了快速发展，其应用领域逐渐扩大。在光伏建筑一体化、城市路灯照明、城市景观以及交通信号灯、广告牌等方面得到广泛应用。但目前太阳电池的颜色非灰即黑、色彩单调，与建筑结合时将影响建筑物的外观，因此，需要不同色彩的太阳电池，即彩色太阳电池。另外，在一些要求个性化设计的场合—广告板、路标及自动化宣传栏等方面，彩色太阳电池也具有独特的优势，因此彩色太阳电池的研发具有重要的意义。它可拓宽太阳能光伏技术的应用范围，是太阳电池未来发展的趋势之一。

ZnO是一种宽带隙II-VI族氧化物半导体，室温下带隙为3.37ev，折射率1.8~2.0。具有激活能大、热电导高等优点。通常，未掺杂的ZnO薄膜电阻率为10-1Ω.cm量级，为了使ZnO满足太阳电池透明电极的要求，需要进一步提升其电导性。通过掺入Al、Ga、In、Si、Se、Ti等杂质，可使ZnO呈现出良好的导电性能、高的可见光透过率，达到太阳电池透明电极的要求。B与Al、Ga、In同属于第IIIA元素，掺硼氧化锌（ZnO:B）也具备透明导电氧化物的光电性能，且在近红外区域的透过率高于ZnO:Al、热稳定性优于ZnO:Al、ZnO:Ga，能有效展宽太阳电池的吸收谱范围、延长器件的使用寿命。通过退火处理，可使ZnO:B的形态结构发生改变，进而提高ZnO:B的光学性能。研究表明：不同掺杂比、厚度、晶粒尺寸及晶相比的ZnO:B薄膜具有不同的折射率、反射率等光学参数，随着晶粒尺寸及晶化率的提高，ZnO:B的折射率逐渐增加趋近单晶；随掺杂浓度的增加，ZnO:B薄膜折射率则逐渐降低。ZnO:B折射率、反射率改变后，用作薄膜太阳电池的透明导电膜时，可赋予薄膜太阳电池表面不同的色彩，制备出彩色薄膜太阳电池。

近年来，人们对彩色太阳电池做了较系统的研究，专利(申请号：CN201010212937.7)利用半导体量子点制造彩色太阳电池的方法，包括：玻璃盖板、乙烯-醋酸乙烯脂共聚物、电池片下方保护材料，乙烯-醋酸乙烯脂共聚物表面涂上由半导体量子点分散在有机溶剂中形成的墨水，有机溶剂挥发后形成半导体量子层，通过光子的激发，使得量子点发光，呈现出不同的色彩；专利(申请号：CN200920238621.8)一种彩色太阳能光伏组件，包括由上而下设置的透明面板、彩色太阳电池、底板层，彩色太阳电池包括彩色太阳电池芯片级基板。安装到建筑物的墙面、顶面更加方便、美观。相比之下，不同掺杂浓度、厚度、晶粒尺寸及晶化率的ZnO:B作为薄膜太阳电池的导电氧化物，既可对硅表面起到钝化的作用，而且由于折射率比硅材料小，又可形成反射层，增加硅（吸收层）对太阳光的吸收。

发明内容：

针对背景技术提出的问题，本发明提供了一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法。利用射频磁控溅射镀膜系统，以不同掺杂浓度的ZnO:B陶瓷靶为原料，溅射制备不同掺杂浓度的ZnO:B薄膜；通过控制溅射条件，可得到不同厚度的ZnO:B薄膜；结合N2气氛中快速退火处理，控制退火条件，可得到不同晶粒尺寸、晶化率等微纳结构的ZnO:B薄膜。不同掺杂浓度、厚度、晶粒尺寸及晶化率的ZnO:B薄膜，其折射率、反射率等光学参数发生改变，用于薄膜太阳电池作为透明导电氧化膜，可在电池表面呈现出不同色彩，从而制备出彩色太阳电池。

原理：ZnO:B薄膜的光学、电学性能可以达到薄膜太阳电池透明导电氧化膜的要求，在薄膜太阳电池结构中充当前电极，还可以起到钝化层、减反层的效果。不同掺杂浓度、厚度及经过快速退火后呈现不同晶粒尺寸和晶化率的Zn:B薄膜，光学参数不同，使其对不同波长入射光的吸收、反射及光程等都会发生相应改变，进而使薄膜太阳电池表面呈现不同色彩。

本发明按以下步骤实施：

A) 以平板玻璃片为衬底，依次利用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10~15min，并用N2吹干；

B) 以不同掺杂浓度的ZnO:B为靶材，本底真空为4.0×10-4-pa~6.0×10-4pa、衬底温度为室温~300℃，通入纯度为99.999%的Ar气作为溅射气体，其流量为10sccm~20sccm；

C) 工作压强为0.5pa~1.5pa，功率为80w~140w（0.4~1.2A，66~300V），溅射时间为5min~30min，制备出ZnO:B薄膜；

D) 利用快速退火炉将ZnO:B薄膜在N2气氛中200℃~500℃退火5min~60min，使其具有不同的形态结构和光学特性。

本发明与公知技术相比具有的优点及积极效果：

1、不同掺杂浓度、晶粒尺寸、晶相比的ZnO:B薄膜，折射率、反射率等光学参数不同，用做薄膜太阳电池的透明导电氧化膜可赋予电池表面不同色彩，达到彩色薄膜太阳电池的效果；

2、ZnO:B薄膜热稳定性好，可以通过退火工艺调控其形态结构、晶相比和光学参数，用作太阳电池的透明导电氧化物时可起到钝化作用，延长器件寿命，且折射率比硅材料小，可形成反射层，增加硅（吸收层）对太阳光的吸收。

附图说明：

图一为本发明提出的一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法的电池结构图；

图二为本发明提出的一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法工艺流程图。

具体实施方式：

实施例1

本实施例按以下步骤：

依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水分别对平板玻璃衬底进行超声清洗10min~15min，用无水乙醇冲洗干净，并用N2吹干；

采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜系统，以掺杂浓度为2%~13%ZnO:B陶瓷靶为原料，溅射气体为纯度99.99%的Ar气；

衬底温度为室温~300℃，本底真空为4.0×10-5pa~ 6.0×10-5pa，通入Ar气流量为10sccm~22 sccm，调节溅射压强为0.5pa~1.5pa，功率为80w~140w（0.4~1.2A，

66~300V），溅射时间为5min~30min，在衬底上溅射制备ZnO:B薄膜；

将ZnO:B膜样品放入RTP-500光热快速退火炉中，在N2气氛下以200℃~500℃的温度进行快速退火5min~60min，晶化率达到30℅～85℅，晶粒尺寸达到5nm~40nm，折射率为1.47~2.12，透过率≥85%；

利用PECVD系统在ZnO:B薄膜表面依次制备P/I/N硅薄膜，再用磁控溅射镀膜系统制作背电极封装后成形，太阳光下薄膜太阳电池表面呈现红棕色—红褐色—紫黑。

实施例2

本实施例按以下步骤：

依次使用丙酮、无水乙醇和去离子水分别对平板玻璃衬底进行超声清洗10min~15min，用无水乙醇冲洗干净，N2吹干；

采用JCP-450三靶磁控溅射镀膜系统，以掺杂浓度为5%~25%的ZnO:B陶瓷靶为原料，溅射气体为纯度99.99%的Ar气；

衬底温度从室温~300℃，本底真空为4.0×10-5pa~ 6.0×10-5pa，通入纯度为99.999%的Ar气，气流量为10sccm~30sccm，调节溅射压强为0.5pa~1.5pa，功率为80w~140w（0.4~1.2A，66~300V），溅射时间为10min~30min，在衬底上溅射制备ZnO:B薄膜；

将ZnO:B膜放入RTP-500光热快速退火炉中，在N2气氛下以350℃~500℃的温度进行快速退火5min~60min，晶化率达到50℅～94℅，晶粒尺寸达到10nm~80nm，折射率为1.9~1.45，透过率≥85%；

利用PECVD系统在ZnO:B薄膜表面依次制备P/I/N硅薄膜，制作背电极封装后成形，太阳光下薄膜太阳电池表面呈现呈现赭石色—墨蓝—紫黑。

Claims (1)

1.一种用于彩色薄膜太阳电池表面涂层的制备方法，其特征是：“采用不同掺杂浓度的ZnO:B靶材为原料，利用磁控溅射镀膜系统在衬底温度为室温~300℃的平板玻璃上以不同的本底真空、气体流量、溅射气压、溅射功率及溅射时间制备出不同掺杂浓度、不同厚度的ZnO:B薄膜；结合N₂气氛中进行快速退火处理；通过控制退火温度、时间、升温降温速率，可制备出不同晶粒尺寸、晶化率的ZnO:B薄膜；ZnO:B薄膜的掺杂浓度、厚度、晶粒尺寸及晶化率改变后，其折射率、反射率等光学参数会改变，用于薄膜太阳电池作为透明导电氧化膜可赋予薄膜太阳电池表面不同色彩，从而制备出彩色薄膜太阳电池。