專利名稱：用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板的制作方法
用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，尤其是在透明基板上沉積透明導(dǎo)電性薄膜的太陽能電池用透明導(dǎo)電J41。背景纟支術(shù)太陽能是由太陽的氫經(jīng)過核聚變而成的一種能源。在它的表面所釋放出的 能量如果換算成電能則大約為3.8xl02GMW。到達(dá)地球的能量中約30%反射到 宇宙，剩下的70%的能量被地球接收。太陽照射地球一個(gè)小時(shí)的能量相當(dāng)于世 界一年的總消費(fèi)能量。而太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)，可以維持幾十億至上百 億年的時(shí)間，對于人類來說幾乎可以認(rèn)為是取之不盡用之不竭的能源。另外， 太陽能不含有害物質(zhì)，不會(huì)排出二氧化碳?？梢娞柲芫哂心芰烤薮蟆⒎强萁?、 清潔的特點(diǎn)，作為未來的能源是一種非常理想的清潔能源。太陽能的利用形式有多種多樣，如熱利用、照明、電力等。熱利用就是將 太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，供熱水器、冷熱空調(diào)系統(tǒng)等使用；利用太陽光給室內(nèi)照明， 或通過光導(dǎo)纖維將太陽光引入地下室等進(jìn)行照明；在電力方面的應(yīng)用主要是利 用太陽的熱能和光能。伴隨著世界能源需求的日益增大，利用可再生的太陽能， 實(shí)現(xiàn)無污染、無公害的干凈的能源世界，這對于目前世界上大多數(shù)國家來說都 具有非常大的吸引力。通過轉(zhuǎn)換裝置把太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能利用的技術(shù)稱為 太陽能光發(fā)電技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換裝置通常是利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進(jìn)行 光電轉(zhuǎn)換的，因此又稱太陽能光伏技術(shù)。太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太 陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，為了最大限度地使用太陽 輻射，必須最大可能地提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。硅基薄膜太陽能電池，主要包括非晶硅(oc-Si: H)電池，微晶硅(jLic-Si: H)電池以及非晶/微晶疊層(micromorph)電池。對于薄膜太陽能電池來說， 增加光在電池中的利用率即提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是最重要的一點(diǎn)， 這就要求增加光在太陽能電池功能層的光程。oc-Si: H的光學(xué)帶寬為1.7eV左右，其吸收系數(shù)在短波方向較高；而uc-Si: H的光學(xué)帶寬約為l.leV,其吸收 系數(shù)在長波方向較高，在300nm 1200nm的波長范圍內(nèi)，能吸收到紅外長波區(qū) 域，這就使太陽光諉能得到更好利用。此外，在太陽能電池中作為透明電極使用的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基 板可以通過在透光性良好的基板上沉積透明導(dǎo)電性薄膜來得到，通?？梢赃x用 透光性良好的材料例如玻璃作為透明基板。作為用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基 板不僅需要具有良好的導(dǎo)電性能，更需要為了提高太陽光的轉(zhuǎn)換效率而增多到 達(dá)光電轉(zhuǎn)換層的光量，這就需要透明導(dǎo)電薄膜材料具有很高的透光率。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，有必要提供一種提高透光率的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電差水。一種用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，包括透明基底及依次疊加在所述透 明基底上的氧化硅層、摻氟的氧化錫層和優(yōu)化透光率的金屬氧化物層。通過在氧化錫層中摻雜氟并在之上沉積優(yōu)化透光率的金屬氧化物層，金屬 氧化物層利用薄膜的各種光學(xué)干涉效應(yīng)，在太陽能吸收和反射之間達(dá)到一種平 衡，從而優(yōu)化透光率，可以使用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板具有良好的導(dǎo)電 性能的同時(shí)優(yōu)化薄膜的透光率。優(yōu)選地，所述摻氟的氧化錫層為從鄰接所述氧化硅層的一側(cè)梯次增量地?fù)?雜氟。優(yōu)選地，所述摻氟的氧化錫層中與所述透明基底相反一側(cè)的表面氟濃度相 對氧化錫為2 mol %~4 mol %;或所述摻氟的氧化錫層的厚度為400nm~ 599nm;或摻氟的氧化錫層面電阻為7Q/口 ~ 15Q/口。優(yōu)選地，所述摻氟的氧化錫層中與所述透明基底相反一側(cè)的表面氟濃度相 對氧化錫為2.5mol%~3 mol %;或所述摻氟的氧化錫層的厚度為500nm~ 599nm;或摻氟的氧化錫層面電阻為9Q/口 ~ 11Q/口。優(yōu)選地，所述摻氟的氧化錫層在300nm~ 1200nm的波長范圍內(nèi)的透光率> 81%;或霧度為10% ~30%。優(yōu)選地，所述摻氟的氧化錫層的摻氟濃度在鄰接氧化硅層一側(cè)為lmol°/0。優(yōu)選地，所述優(yōu)化透光率的金屬氧化物層的折射率大于2.0。 優(yōu)選地，所述金屬氧化物為氧化鈦、氧化銦和氧化鋅中的一種或兩種以上。 優(yōu)選地，所述優(yōu)化透光率的金屬氧化物層的厚度為21 ~40nm。 優(yōu)選地，所述優(yōu)化透光率的金屬氧化物層與所述摻氟的氧化錫層相反一側(cè) 的表面為凹凸的絨面結(jié)構(gòu)。
圖1為一實(shí)施例的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板的截面示意圖。
具體實(shí)施方式以下實(shí)施方式中的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，包括透明基底及依次 疊加在所述透明基底上的氧化硅層、摻氟的氧化錫層和優(yōu)化透光率的金屬氧化 物層。其中，摻氟的氧化錫層中為從鄰接氧化硅一側(cè)梯次增量地?fù)诫s氟。在摻 雜氟的氧化錫層上沉積有優(yōu)化透光率的金屬氧化物層。通過在氧化錫層中摻雜 氟并在之上沉積優(yōu)化透光率的金屬氧化物層，可以使用于太陽能電池的透明導(dǎo) 電基板具有良好的導(dǎo)電性能的同時(shí)優(yōu)化薄膜的透光率。如圖1所示，其為一實(shí)施例的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板的截面圖。 用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板包括依次疊加的透明基底10、氧化硅層20、摻 氟的氧化錫層30及優(yōu)化透光率的金屬氧化物層40。透明基底10通常采用透光性良好的玻璃。在300nm~ 1200nrn的波長范圍 內(nèi)，玻璃的折射率通常為1.5 ~ 1.7。本實(shí)施例中，采用折射率為1.52的鈉鈣玻 璃作為太陽能電池透明導(dǎo)電基板透明基底。氧化硅的折射率為1.45 ~ 1.65,這跟用玻璃作為透明基底10的折射率很接 近，如果直接在透明基底10上沉積摻氟的氧化錫層30作為透明導(dǎo)電性電極， 則會(huì)因?yàn)檠趸a的折射率為1.8-2.5相對透明基底IO要大而引起入射的太陽光 的反射干擾色的不規(guī)則性的發(fā)生。因此，在梯次增量摻氟氧化錫層30和透明基 底10之間設(shè)有氧化硅層20，氧化硅層20作為透明薄膜以抑制反射干擾色出現(xiàn) 的虹彩現(xiàn)象的發(fā)生。氧化硅層20還可以與摻氟的氧化錫層30形成梯度涂層的形式存在。氧化硅層20的存在可以進(jìn)一步抑制透明基底10上堿金屬陽離子向 梯次增量摻氟的氧化錫層30擴(kuò)散。氧化硅層20的厚度為10nm~50nm,優(yōu)選為 30 ~ 40亂在摻氟的氧化錫層30中，如果膜層厚度較大且氟為均勻摻雜，則摻氟的氧 化錫層30對近紅外光的吸收會(huì)增大，顯然這不適合作為太陽能電池用透明導(dǎo)電 基板使用的透明導(dǎo)電性薄膜來使用。所以采用梯次增量摻氟的方案來制備薄膜， 將梯次增量摻氟的氧化錫層30通過改變摻雜氟的濃度來減少膜層對近紅外光的 吸收，同時(shí)要盡量消除薄膜沉積時(shí)的殘留應(yīng)力，增加附著力，梯次增量摻氟的 氧化錫層30的厚度也不能太大。另外，為了得到充分的光散射效果，使沉積在 梯次增量摻氟的氧化錫層30上的優(yōu)化透光率的金屬氣化物層40具有優(yōu)質(zhì)的絨 面凹凸結(jié)構(gòu)，得到高的霧度值，梯次增量摻氟的氧化錫層30的厚度不能太小， 所以摻氟的氧化錫層30的厚度控制比較嚴(yán)格。而由于在薄膜的沉積過程中，氟 的比例濃度是梯次增加的，這就要求具有至少兩個(gè)鍍膜頭，所以薄膜的厚度可 以得到保障。經(jīng)過理論分析及多次實(shí)驗(yàn)，摻氟的氧化錫層30的厚度控制在 400畫~ 599nm的范圍較佳，厚度在500nrn ~ 599nm則更好。對于在梯次增量摻氟的氧化錫層中的摻雜量，必須具有合適的值才能對提 高電導(dǎo)率和透光率產(chǎn)生效果，過多或過少的摻雜都會(huì)使薄膜的電阻增大或透光 性減小而且性能不穩(wěn)定?？紤]到摻雜氟的氧化錫層40,即摻氟氧化錫(FTO) 薄膜為多晶結(jié)構(gòu)，保持著非摻雜氧化錫薄膜的金紅石結(jié)構(gòu)，摻氟通常不會(huì)引起 晶格常數(shù)的變化。在摻氟氧化錫薄膜中氟原子以替位離子的形式占據(jù)氧離子位 置，由于不符合化學(xué)計(jì)量，產(chǎn)生多余的電子，這種電子受到的束縛作用很弱， 能夠在晶體中自由運(yùn)動(dòng)，形成自由載流子。用氟對氧化錫進(jìn)行摻雜，摻雜劑氟 的作用是取代氧化錫薄膜結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中部分氧的位置，形成n型摻雜，氟摻雜量 的多少會(huì)直接影響著薄膜的結(jié)構(gòu)和性能。在較大錫氟比下(即氟摻雜量較小)， 每個(gè)摻雜的氟都能提供一個(gè)載流子，薄膜電阻率隨著氟摻雜量的增加而減小； 隨著氟摻雜量的不斷增加，高濃度摻雜使氧化錫費(fèi)米能級進(jìn)入導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電 率很高的簡并半導(dǎo)體；但是當(dāng)摻雜的氟量繼續(xù)增加后，部分摻雜離子不再以替 代形式取代晶格中氧的位子，而是出現(xiàn)在了晶格間隙位子，這部分摻雜離子不提供載流子，另一方面由于摻雜離子本身也是一種晶格缺陷，對載流子有較強(qiáng) 的散射作用，濃度過高，會(huì)嚴(yán)重影響電子的遷移率，惡化導(dǎo)電性。但是，對氧化錫進(jìn)行氟摻雜后，鍍膜玻璃的透光率隨薄膜中氟含量的增加 而減小。這是由于隨薄膜中氟的增加，薄膜的自由載流子濃度增加，使得光子 的自由載流子吸收增加，導(dǎo)致透光率減小。另外，薄膜中氟的增加使得薄膜表面更粗糙，也是引起透光率減小的一個(gè)重要的原因。所以，對于FTO薄膜，采 用梯次增量摻氟的結(jié)構(gòu)來得到薄膜效果更佳。從氧化錫薄膜的晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，建立晶體結(jié)構(gòu)原子配位數(shù)和摻雜原子含量 模型，可以在理論上推導(dǎo)出FTO薄膜中具有最佳導(dǎo)電性能的氟摻雜含量的表達(dá) 式。理論計(jì)算FTO中氟的最佳摻雜含量為2.5mol%,考慮到實(shí)驗(yàn)條件的影響， 在產(chǎn)品中對所述摻氟的氧化錫層30中與透明基底IO相反一側(cè)的FTO膜表面的 氟濃度相對氧化錫為2mo1 % ~ 4 mol %。優(yōu)選2.5mol°/。 ~ 3 mol %。在這個(gè)氟濃 度內(nèi)，摻氟的氧化錫層面電阻較低，可達(dá)到7Q/口 15D/口，更好能達(dá)到9D/ 口 llQ/口。而且在這個(gè)氟濃度下梯次增量摻氟的氧化錫層30的微晶尺寸較 大，使得在其上沉積的優(yōu)化透光率的金屬氧化物層40的表面凹凸程度也較大， 從而薄膜具有大的霧度，從值上表現(xiàn)霧度值大于10%,最好在10% ~30%之間。 梯次增量摻氟的氧化錫層30在300nrn ~ 1200nm的波長范圍內(nèi)的透光率> 81 % ， 優(yōu)選地，透光率>85%。而從鄰接氧化硅層20開始的FTO膜層，其摻氟的含量 為梯次增加?？紤]到氟離子濃度在FTO各層中的不同而產(chǎn)生的滲透現(xiàn)象以及為 了保證FTO膜與基底相反一側(cè)表面的氟濃度，在鄰接氧化硅層20的摻氟的氧化 錫層30中氟的濃度不易過低，本實(shí)施例中所述的梯次增量摻氟濃度在鄰接氧化 硅層20—側(cè)約為lmol%。從該側(cè)開始摻氟濃度梯次增加。優(yōu)化透光率的金屬氧化物層40采用折射率大于2.0的高折射率透明金屬氧 化物，例如可以為氧化鈦、氧化銦和氧化鋅中的一種或兩種以上。優(yōu)化透光率 的金屬氧化物層40可以是上述某種金屬氧化物的單層結(jié)構(gòu)，也可以是上述多種 氧化物混合形成的單層結(jié)構(gòu)，還可以是多個(gè)不同的金屬氧化物子層層疊形成的 優(yōu)化透光率的金屬氧化物層40。優(yōu)化透光率的金屬氧化物層40不必太厚，通常 的厚度為10nm~50nm,優(yōu)選為21nm~40nm。高折射率的優(yōu)化透光率的金屬氧化物層40與摻氟的氧化錫層30相反的一側(cè)優(yōu)選為絨面凹凸結(jié)構(gòu)，采用該絨面 凹凸結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步地增加太陽光到達(dá)光電轉(zhuǎn)換層的光量。對于優(yōu)質(zhì)的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，具有高電導(dǎo)率且對太陽輻射 具有高透明度的結(jié)構(gòu)是其必要的特點(diǎn)。通過在氧化錫中摻雜氟來提高薄膜的導(dǎo) 電性能，而通過依次疊加在透明基底10上的氧化硅層20及梯次增量摻氟的氧 化錫層30,在所述的梯次增量摻氟的氧化錫層30上沉積有優(yōu)化透光率的金屬氧 化物層40來提高薄膜的透光性能，使得到達(dá)光電轉(zhuǎn)換層的光量有所增加，并且 會(huì)抑制光從透明基體IO上反射或透射產(chǎn)生的虹彩現(xiàn)象。優(yōu)化透光率的金屬氧化 物層40利用薄膜的各種光學(xué)干涉效應(yīng)，在太陽能吸收和反射之間達(dá)到一種平衡， 從而優(yōu)化透光率。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施例，其描述較為具體和詳細(xì)， 但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附 權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，包括透明基底，其特征在于，所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板還包括依次疊加在所述透明基底上的氧化硅層、摻氟的氧化錫層及優(yōu)化透光率的金屬氧化物層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特征在于， 所述摻氟的氧化錫層為從鄰接所述氧化硅層的一側(cè)梯次增量地?fù)诫s氟。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特征在 于，所述摻氟的氧化錫層中與所述透明基底相反一側(cè)的表面氟濃度相對氧化錫 為2 mol % ~ 4 mol %;或所述摻氟的氧化錫層的厚度為400nrn ~ 599nm;或摻氟 的氧化錫層面電阻為7Q/口 ~ 15Q/口。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特征在 于，所述摻氟的氧化錫層中與所述透明基底相反一側(cè)的表面氟濃度相對氧化錫 為2.5mol%~3 mol %;或所述摻氟的氧化錫層的厚度為500nrn ~ 599nm;或摻 氟的氧化錫層面電阻為9Q/口 ~ 11Q/口。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特征在于， 所述摻氟的氧化錫層在300nrn ~ 1200nm的波長范圍內(nèi)的透光率〉81 %;或霧度 為10% ~30%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特征在 于，所述摻氟的氧化錫層的摻氟濃度在鄰接氧化硅層一側(cè)為lmol%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特征在于， 所述優(yōu)化透光率的金屬氧化物層的折射率大于2.0。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或7所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特 征在于，所述金屬氧化物為氧化鈦、氧化銦和氧化鋅中的一種或兩種以上。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或7所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，其特 征在于，所述優(yōu)化透光率的金屬氧化物層的厚度為21 40nm。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基fel，其特征在于， 所述優(yōu)化透光率的金屬氧化物層與所述摻氟的氧化錫層相反一側(cè)的表面為凹凸 的絨面結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板，包括透明基底及依次疊加在所述透明基底上的氧化硅層、摻氟的氧化錫層和優(yōu)化透光率的金屬氧化物層。通過在氧化錫層中摻雜氟并在之上沉積優(yōu)化透光率的金屬氧化物層，金屬氧化物層利用薄膜的各種光學(xué)干涉效應(yīng)，在太陽能吸收和反射之間達(dá)到一種平衡，從而優(yōu)化透光率，可以使用于太陽能電池的透明導(dǎo)電基板具有良好的導(dǎo)電性能的同時(shí)優(yōu)化薄膜的透光率。
文檔編號H01L31/18GK101567396SQ200910107738
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者王杏娟, 白京華 申請人:中國南玻集團(tuán)股份有限公司