宽光谱陷光氧化锌透明导电薄膜及其制备方法技术

一种薄膜太阳电池用宽光谱陷光氧化锌透明导电薄膜及其制备方法。该方法利用对沉积薄膜工艺过程的有效调控，实现宽光谱陷光ZnO薄膜的制备。首先在衬底上沉积ZnO薄膜，经过湿法腐蚀工艺处理后得到具有对长波光起陷光作用的大“弹坑状”的陷光绒面层；随后在其上再次生长ZnO薄膜，再经过湿法腐蚀工艺处理后得到对短波光起陷光作用的兼有小“弹坑状”的陷光绒面层，最后形成具有宽光谱陷光的氧化锌透明导电薄膜材料。本发明专利技术所述氧化锌为掺杂半导体，如ZnO：Al、ZnO：Ga、ZnO：B、ZnO：Mo、ZnO：W，n型半导体材料，可应用于非晶硅基、微晶硅基、纳米硅基薄膜的单结及多结太阳电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于透明导电薄膜制备工艺
，尤其是一种适用于薄膜太阳电池的具有良好陷光结构的宽光谱陷光氧化锌透明导电薄膜的制备方法。
技术介绍
光伏作为未来能源主力，必须大幅提高效率、降低成本才能得以生存。透明导电薄膜作为太阳电池的重要组成部分，其绒度特性对电池的性能影响至关重要。当前薄膜电池中应用最为广泛的TCO薄膜是F掺杂SnO2薄膜(SnO2 = F)和Sn掺杂In2O3薄膜(In2O3:Sn)。F掺杂SnO2薄膜通常是利用常压CVD (APCVD)技术制备，生长温度较高Γ500 )，具有一定的绒面结构，但此种类型TCO不利于低温沉积和强H等离子体环境中生长的薄膜电池材料而言，限制了其进一步应用。而Sn掺杂In2O3薄膜，其薄膜组成中的In元素稀有且成本较高，且不容易获得粗糙的表面形貌，在强H等离子体环境中性能容易恶化，也限制了其在薄膜太阳电池中的广泛应用。相比于In2O3和SnO2薄膜材料，ZnO薄膜具有源材料丰富，无毒且相对生长温度低和在强H等离子体环境中性能稳定等特点获得了广泛研究和应用。研究表明对于Si基薄膜太阳电池(非晶硅电池、微晶硅电池以及非晶/微晶叠层电池)来说，TCO薄膜的陷光作用对器件性能尤为重要。陷光的结构可以提高光散射能力，增加入射光的光程。因此，陷光结构的应用可以有效增强本征层的光学吸收，提高短路电流密度，从而提高电池效率，而且更为重要的是陷光的引入，可以减薄电池有源层的厚度，这对降低成本是非常重要的。目前制备带有陷光结构的透明导电薄膜的方法主要是对溅射产生的掺杂ZnO(ZnO :A1、ZnO :Ga、ZnO :B、ZnO :H、ZnO Mo或ZnO ff)薄膜进行湿法腐蚀处理得到“弹坑状”的陷光结构，从而提高对入射光的散射，增加有源层对光的吸收。但传统的溅射后经湿法腐蚀处理的薄膜虽然可以形成“弹坑状”的陷光结构，对入射光起到一定的散射作用，增加了入射光在硅基薄膜电池中的光程，达到了提高光利用率，提高电池效率的目的。但是，一次腐蚀形成的大的“弹坑状”陷光结构虽然增加了对入射的长波长光的散射，电池的长波响应得到了提高，起到了对入射的长波长光的陷光效果，但是不利于对入射的短波长光的陷光，导致电池对短波长光的吸收损失比较大。因此，该工艺导致电池的长波长响应提高，但短波长光响应降低
技术实现思路
本专利技术目的是为克服现有技术的上述不足，提供一种有利于提高薄膜太阳电池性能的具有宽光谱陷光的氧化锌透明导电薄膜及其制备方法。该方法中的宽光谱陷光氧化锌薄膜能够实现良好的陷光效果，增加入射光在硅基薄膜电池中的光程，以达到提高光利用率，进而提高电池效率的目的，而且最为重要的是通过控制制备工艺可同时实现对短波、长波长光进行高效利用的功能。本专利技术为实现上述目的，设计了一种能够提高薄膜太阳电池性能的具有宽光谱陷光的氧化锌透明导电薄膜及其制备方法，其基本思想是利用对衬底上沉积的薄膜首先进行湿法腐蚀处理，得到具有对入射的长波长光起陷光作用的大“弹坑状”的陷光绒面层，然后在此带有大“弹坑状”的陷光结构的ZnO薄膜上再次沉积ZnO薄膜并对其进行二次湿法腐蚀处理得到对入射的短波长光起陷光作用的小“弹坑状”薄膜。本专利技术提供的薄膜太阳电池用宽光谱陷光氧化锌透明导电薄膜，依次包括衬底层、对入射的长波长光起陷光作用的大“弹坑状”的陷光绒面层简称长波长陷光绒面层，以 及对入射的短波长光起陷光作用的小“弹坑状”的陷光绒面层简称短波长陷光绒面层；长波长陷光绒面层是在衬底层上一次沉积和一次湿法腐蚀处理后得到的具有大“弹坑状”的陷光ZnO薄膜，所述的大“弹坑状”为微米级尺寸；短波长陷光绒面层是在大“弹坑状”的散射层上二次沉积和二次湿法腐蚀处理后得到的小“弹坑状”的陷光ZnO薄膜，所述的小“弹坑状”为纳米级尺寸。所述的衬底层为硬质衬底如玻璃、不锈钢等，或柔性衬底材料如聚合物材料。所述的宽光谱陷光的薄膜太阳电池用ZnO透明导电薄膜为掺杂氧化锌材料，具体为ZnO Al,ZnO :Ga、ZnO :B、ZnO :H、ZnO Mo或ZnO ff等中的至少一种，η型半导体材料；所述的长波长陷光绒面层和短波长陷光绒面层的厚度分别为O. 5-1. 5μπι之间。所述的宽光谱陷光薄膜太阳电池用透明导电薄膜表面均方根粗糙度在70-250nm之间。本专利技术提供的宽光谱陷光的薄膜太阳电池用透明导电薄膜可作为薄膜太阳电池的前电极，随后在其上制备薄膜太阳电池。所述的薄膜太阳电池为非晶硅基、微晶硅基、纳米硅基薄膜太阳电池及多结叠层硅基薄膜太阳电池中的至少一种。本专利技术提供的薄膜太阳电池用宽光谱陷光氧化锌透明导电薄膜的制备方法的步骤是第一、在清洁处理后的衬底上制备ZnO薄膜，厚度为O. 5-1. 5 μ m之间；第二、长波长陷光绒面层的制备对第一步所述ZnO薄膜进行湿法腐蚀处理获得对入射的长波长光起陷光作用的大“弹坑状”陷光绒面层ZnO薄膜，所述的湿法腐蚀制绒处理采用质量浓度为O. 1%-5%的稀盐酸，腐蚀时间为20-150S之间；第三、短波长陷光绒面层的制备在第二步制备的长波长陷光绒面层的ZnO薄膜上再沉积一层ZnO薄膜，厚度为O.5-1. 5 μ m之间；然后将已具有大“弹坑状”陷光绒面层的ZnO薄膜再次进行湿法腐蚀处理，所述的湿法腐蚀制绒处理采用质量浓度为O. 1%_5%的稀盐酸，腐蚀时间为10-70S之间。其中，第一步和第三步中所述的ZnO薄膜采用电子束蒸发、磁控溅射、分子束外延或脉冲激光沉积中的至少一种方法制得；所述的宽光谱陷光的ZnO薄膜为掺杂氧化锌材料，具体为ZnO Α1,Ζη0 :Ga、ZnO :B、ZnO :H、ZnO :Mo或ZnO :W等中的至少一种，η型半导体材料。 本专利技术的优点和积极效果本专利技术利用对沉积的ZnO薄膜进行二次沉积和二次湿法腐蚀处理，分别实现兼有对入射的长波长光和短波长光起陷光作用的大“弹坑状”和小“弹坑状”组合的透明导电薄膜的制备。该方法可以实现宽光谱陷光的ZnO薄膜的制备。将本宽光谱陷光的ZnO薄膜材料应用于PIN型微晶娃(μ c-Si)薄膜太阳电池(电池结构glass/ZnO/pin μ c-Si/ZnO/Ag/Al )，较传统的一次腐蚀的ZnO薄膜作为电极制备的相同条件的电池短路电流密度提高了 8. 62%，转换效率提高了 6. 58%。附图说明图I为本专利技术的宽光谱陷光氧化锌透明导电薄膜的结构示意图；其中，A为衬底层，Z为对制备的ZnO薄膜经一次腐蚀后制备的对入射的长波长光起陷光作用的大“弹坑状”的陷光绒面层，O为在经一次腐蚀后制备的大“弹坑状”陷光结构的陷光绒面层上再次沉积的ZnO薄膜经二次腐蚀后，形成的对入射的短波长光起陷光作用的小“弹坑状”的陷光续面层； 图2为传统的采用磁控溅射法制备得到的ZnO薄膜经湿法腐蚀后形成的带有“弹坑状”陷光结构的ZnO薄膜形貌图；图3为本专利技术采用磁控溅射法制备得到的在经一次湿法腐蚀处理得到的大“弹坑状”陷光结构的绒面层上再次沉积ZnO薄膜经二次湿法腐蚀后形成的在大“弹坑状”陷光结构的绒面层上同时具有小“弹坑状”陷光结构的形貌图；图4为本专利技术采用磁控溅射法制备后经二次湿法腐蚀得到的宽光谱陷光的ZnO薄膜与传统的经一次湿法腐蚀得到的带有“弹坑状”陷光结构的ZnO薄膜应用于微晶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓丹，王延峰，赵颖，黄茜，魏长春，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：