一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法技术

本公开提供一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法，包括：步骤A：在玻璃衬底上生长金属氧化物薄膜，制成主模；步骤B：将步骤A所生长的金属氧化物薄膜的表面形貌转移到聚二甲基硅氧烷模板的表面；步骤C：将步骤B所制成的聚二甲基硅氧烷模板上带有金属氧化物薄膜表面形貌的图案转移到玻璃衬底上，制成图案化玻璃衬底；步骤D：在步骤C后得到的图案化玻璃衬底的表面制备透明导电薄膜；以及步骤E：对步骤D所完成覆有导电薄膜的玻璃衬底进行热处理，完成衬底的制备；所述透明导电衬底具有29.5Ω/sq的薄膜电阻、高于85％的可见光透过率、平坦的表面和光散射功能，同时降低薄膜太阳电池的非辐射复合损耗和光学损耗而提高电池的光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】
一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法
本公开涉及光电子领域，尤其涉及一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法，所述透明导电衬底可应用于薄膜太阳能电池、光探测器、有机光电二极管等光电子器件。
技术介绍
作为第二代光伏发电技术的薄膜太阳能电池是第一代晶硅太阳能电池的有力竞争者。薄膜太阳能电池具有轻的重量，可加工成柔性组件和大面积的发电面板和多彩的外表等优势。这些特点有助于降低光伏组件的安装成本和拓展薄膜太阳能电池的应用范围。但是，薄膜太阳能电池的缺点是短路电流密度比较小。这是由于它们的光吸收层厚度通常只具有几百纳米，导致入射光一次通过时无法被充分吸收，由于美观(推广光伏建筑一体化)、提高稳定性(减弱非晶硅的Staebler–Wronski效应)和保护生态(减少大面积的太阳能发电站对光伏面板下生物的影响)等方面的日趋强烈的需求，薄膜太阳能电池的光吸收层厚度通常不能大于300nm。因此，提高薄膜太阳能电池的光吸收成为一个非常重要的课题。光路管理是一种被广泛利用的增加薄膜太阳能电池光吸收的策略。背反射层或接触、织构化或粗糙化的表面、介质光栅、光子晶体和等离子激元纳米颗粒等各种各样的结构被提出用来控制光路和增强电池内的陷光效应。这些结构大部分都是通过形成粗糙的表面或界面产生对入射光的散射，使其偏离垂直入射方向而增加在吸收层内光路径，增加其被吸收的概率。但是，这种形成的粗糙的表面同时会影响光吸收层的生长。研究表明在相邻的两个尖锐的凸起的中间位置会形成微裂纹缺陷。这些缺陷会增加电池内部的非辐射复合损耗，导致开路电压和填充因子的下降。这些结构是光学粗糙(optically-rough，OR)且电学粗糙的。它们是以损失器件电学性能为代价来提高电池的光吸收，即采用传统的结构不能实现同时减小非辐射复合损耗和光学损耗，难以进一步提高薄膜太阳能电池的效率，对薄膜太阳能电池的效率提升设置了一个瓶颈。光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底有望突破这种效率提升的瓶颈。目前国际上已开发出的光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底主要有三种，分别是日本大阪大学Y.Sobajima等人提出的Type-T型衬底、瑞士洛桑联邦理工学院K.等人提出的flatlight-scattering衬底和日本AIST研究所H.Sai等人提出的FLiSS衬底。这些光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底仅仅是作为背散射电极应用于Substrate型薄膜太阳能电池。公开内容(一)要解决的技术问题综上所述，现有的增加薄膜太阳能电池内光吸收的技术，在形成粗糙的表面同时会影响光吸收层材料的生长，增加电池内部的非辐射复合损耗，导致开路电压和填充因子的下降，不能实现同时减小非辐射复合损耗和光学损耗，难以进一步提高薄膜太阳能电池的效率等技术问题。(二)技术方案本公开提供一种新颖的光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法，包括：步骤A：在玻璃衬底上生长金属氧化物薄膜，制成主模；步骤B：将步骤A所生长的金属氧化物薄膜的表面形貌转移到聚二甲基硅氧烷模板的表面；步骤C：将步骤B所制成的聚二甲基硅氧烷模板上带有金属氧化物薄膜表面形貌的图案转移到玻璃衬底上，制成图案化的玻璃衬底；步骤D：在步骤C后得到的图案化的玻璃衬底的表面制备透明导电薄膜；以及步骤E：对步骤D所完成覆有导电薄膜的玻璃衬底进行热处理，完成光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备。在本公开实施例中，所述步骤C包括：步骤C1：取氢倍半硅氧烷溶液涂覆在玻璃衬底上；步骤C2：等待预定时间让步骤C1中所涂覆的氢倍半硅氧烷溶液发生轻微固化；步骤C3：将所述步骤B所制成的聚二甲基硅氧烷模板带有图案面向下，缓慢均匀地压到步骤C2制备好的涂覆有氢倍半硅氧烷溶液的玻璃衬底的表面；步骤C4：对压到玻璃衬底表面的聚二甲基硅氧烷模板施加4.3kPa的压力，保持预定时间；步骤C5：步骤C4完成后将聚二甲基硅氧烷缓慢取下完成脱模；步骤C6：对步骤C5脱模后的玻璃衬底干燥处理；以及步骤C7：对步骤C6干燥处理后的玻璃衬底进行热处理，制成图案化的玻璃衬底。在本公开实施例中，步骤E中所述热处理包括：E1：氮气气氛热处理；以及E2：氮气与氢气合成气体气氛热处理。在本公开实施例中，步骤A中所述的金属氧化物薄膜包括：ZnO薄膜或SnO2薄膜。在本公开实施例中，步骤D中所述透明导电薄膜包括：铝掺杂氧化锌薄膜、铝掺杂氧化锌镁薄膜或锡掺杂氧化铟薄膜。在本公开实施例中，步骤C6所述的干燥处理为将衬底依次放在三个预先分别设定有80℃、150℃、200℃的电热板上面各干燥一分钟。在本公开实施例中，步骤C7所述的热处理为：将步骤C6干燥处理后的玻璃衬底放入一石英管式炉内在氮气气氛下650℃保持30min。在本公开实施例中，步骤E2中所述氮气与氢气合成气体中氮气占比97％，氢气占比3％。在本公开实施例中，步骤B中所述金属氧化物薄膜的表面形貌为无规则排列的类金字塔形状的粗糙形貌，其均方根表面粗糙度高于90nm；在400-1000nm的波长范围内具有大于50％的光学雾度。在本公开实施例中，所制备的光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底作为透明电极应用于薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池包括：非晶硅单结薄膜太阳能电池、钙钛矿薄膜太阳能电池或有机薄膜太阳能电池。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)所制备的透明导电衬底在增加薄膜太阳能电池内的光吸收的同时不影响吸收层材料的生长；(2)所制备的透明导电衬底一方面利用玻璃与Al掺杂ZnO(ZnO:Al)之间的类金字塔形貌的衍射行为增强光吸收，另一方面利用ZnO:Al平坦的表面进行高质量的材料生长，可同时降低薄膜太阳能电池的非辐射复合损耗和光学损耗，进一步提高薄膜太阳能电池的光电转化效率；(3)所制备的透明导电衬底具有在电池前端和后端都能形成粗糙的界面的独特优势，可实现更强的陷光效应；(4)所制备的透明导电衬底不仅可以应用于非晶硅、钙钛矿或有机等薄膜太阳能电池，还可以应用于光探测器和有机光电二极管等光电子器件领域。附图说明图1为本公开实施例光学粗糙且电学平坦型透明导电(OR-EF)衬底的制备方法流程图。图2为本公开实施例MOCVD法生长的ZnO薄膜的表面形貌图片及光学雾度曲线图。图3为本公开实施例纳米压印图案化玻璃衬底的表面SEM图片。图4为本公开实施例OR-EF衬底的横截面SEM图片。图5为本公开实施例主模(x轴上“1”)、PDMS模板(x轴上“2”)、图案化玻璃衬底(x轴上“3”)和OR-EF衬底(x轴上“4”)的表面粗糙度变化趋势示意图。图6为本公开实施例EF衬底和OR-EF衬底的X-ray衍射谱图。图7为本公开实施例EF衬底和OR-EF衬底的紫外-可见-近红外的透过率曲线图。图8为本公开实施图案化玻璃衬底、EF衬底和OR-EF衬底的光学雾度曲线图。图9为本公开实施例采用EF和OR-EF衬底作为阳电极制作的非晶硅单结薄膜太阳能电池的电流密度-电压曲线图。图10为本公开实施例采用EF和OR-EF衬底作为阳电极制作的非晶硅单结薄膜太阳能电池的外部量子效率曲线图。具体实施方式光学粗糙且电学平坦(optically-roughandel本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法，包括：步骤A：在玻璃衬底上生长金属氧化物薄膜，制成主模；步骤B：将步骤A所生长的金属氧化物薄膜的表面形貌转移到聚二甲基硅氧烷模板的表面；步骤C：将步骤B所制成的聚二甲基硅氧烷模板上带有金属氧化物薄膜表面形貌的图案转移到玻璃衬底上，制成图案化的玻璃衬底；步骤D：在步骤C后得到的图案化的玻璃衬底的表面制备透明导电薄膜；以及步骤E：对步骤D所完成覆有导电薄膜的玻璃衬底进行热处理，完成光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备。

【技术特征摘要】
1.一种光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备方法，包括：步骤A：在玻璃衬底上生长金属氧化物薄膜，制成主模；步骤B：将步骤A所生长的金属氧化物薄膜的表面形貌转移到聚二甲基硅氧烷模板的表面；步骤C：将步骤B所制成的聚二甲基硅氧烷模板上带有金属氧化物薄膜表面形貌的图案转移到玻璃衬底上，制成图案化的玻璃衬底；步骤D：在步骤C后得到的图案化的玻璃衬底的表面制备透明导电薄膜；以及步骤E：对步骤D所完成覆有导电薄膜的玻璃衬底进行热处理，完成光学粗糙且电学平坦型透明导电衬底的制备。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述步骤C包括：步骤C1：取氢倍半硅氧烷溶液涂覆在玻璃衬底上；步骤C2：等待预定时间让步骤C1中所涂覆的氢倍半硅氧烷溶液发生轻微固化；步骤C3：将所述步骤B所制成的聚二甲基硅氧烷模板带有图案面向下，缓慢均匀地压到步骤C2制备好的涂覆有氢倍半硅氧烷溶液的玻璃衬底的表面；步骤C4：对压到玻璃衬底表面的聚二甲基硅氧烷模板施加4.3kPa的压力，保持预定时间；步骤C5：步骤C4完成后将聚二甲基硅氧烷缓慢取下完成脱模；步骤C6：对步骤C5脱模后的玻璃衬底干燥处理；以及步骤C7：对步骤C6干燥处理后的玻璃衬底进行热处理，制成图案化的玻璃衬底。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中步骤E中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟磊，杨涛，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11