一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜的方法

摘要

本发明属于新型透明导电材料领域，具体涉及一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜的方法。本发明的方法是以未引入电极的太阳能电池片为基片，清洗后送入磁控溅射反应室，以纯Al为靶材进行磁控溅射得到20-300nm厚的Al薄膜，然后将基片置于气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH

说明书

技术领域

本发明属于新型透明导电材料领域，具体涉及一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜的方法。

背景技术                                     

随着社会发展和科学技术的突飞猛进，人类对功能材料的需求日益增加，新型功能材料已成为新技术和新兴工业发展的关键，随着太阳能、平板显示和半导体照明等产业的发展，一种新的功能材料——透明导电材料随之产生、发展起来。

太阳能电池是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流，传统的太阳能电池的电极制作是通过丝网印刷，导电金属粉浆穿透光栅减反层，与半导体太阳能电池片形成欧姆接触来形成电极的， 所以沉积金属电极是制造太阳能电池中的最后一个环节,也是极为重要的一个环节,因为它直接影响到太阳能电池的转换效率、生产成本以及生命周期。但是，尽管金属电极的导电性能比较好，但是其存在的问题也很多，最大问题就是由于金属电极本身不透明，有很大一部分光被反射不能吸收，在进行光电转换时，其对光的吸收利用率很低，目前工业生产的太阳能电池对光的转换效率一般在14-19%之间，因此，开发新型透明导电材料，替代传统的金属电极，提高太阳能电池的效率成为了最关键的热点研究问题。

而ZnO薄膜是一种新型的宽禁带化合物半导体材料，原料易得廉价，而且具有更高的熔点、激子束缚能以及良好的机电耦合性和较低的电子诱生缺陷，此外,薄膜的外延生长温度较低，有利于降低设备成本，抑制固相外扩散，提高薄膜质量，也易于实现掺杂，其中用ZnO/Al复合背电极替代传统的铝电极可以使光吸收增强，从而增大短路电流，提高太阳能电池的转化效率，改善电池的稳定性，目前国内关于复合背电极材料的研究还很少，其制备方法也不成熟，如化学溶胶凝胶法，其存在的问题是薄膜厚度及掺杂均匀性难以控制，如分子束外延发，存在的问题是材料结晶度和掺杂粒子浓度难以控制。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，本发明提供一种在未引入电极的太阳能电池片上制备ZnO/Al薄膜的方法，目的是通过化学气相沉积与磁控溅射相结合的方式，在未引入电极的太阳能电池片上沉积制备ZnO/Al透明导电薄膜，作为太阳能电池的透明导电TCO电极，替代传统的铝金属电极，使太阳光从分照射到电池表面，不受传统电极的挡光影响，进一步提高了太阳能电池的转化效率。

实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：

（1）以未引入电极的太阳能电池片为基片，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片，用氮气吹干基片，送入磁控溅射反应室；

（2）将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10^-4 Pa后，将基片加热至100℃，并调整氩气流量使气压达到6Pa，以纯Al为靶材进行磁控溅射，控制溅射功率为100-200W，溅射时间1-8min，在基片上得到20-300nm厚的Al薄膜；

（3）用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片，然后将基片置于气相沉积室内加热到200℃，向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH₂CH₃)₂的氩气，其中氩气和氧气流量之比为1:（100-120），控制微波功率为650W，在有Al薄膜的基片上沉积得到50~600nm 厚的ZnO薄膜，然后用高纯氮气清洗气相沉积室，取出载有ZnO和Al薄膜的基片；

（4）在氧气气氛下，于400-600℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30min，得到ZnO/Al薄膜。

所述的未引入背电极的太阳能电池片是普通工业用的单晶硅或多晶硅基片。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

本发明是通过等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统与磁控溅射系统相结合的方式在未引入电极的太阳能电池片上沉积制备ZnO/Al透明导电薄膜，对薄膜在氧气的气氛下进行退火处理，得到ZnO/Al/未引入背电极太阳能电池片的太阳能电池结构。

ZnO具有良好的光电性能，而Al具有低电阻率的特点，形成的ZnO/Al/太阳能电池片结构，由于Al的掺入，载流子浓度增加，薄膜的导电性能得到了很大的提高，同时可保持透光率达到85%以上，由于采用有机物化学气相沉积和磁控溅射相结合的方法制备，薄膜质量极好。

本发明的制备工艺简单，沉积过程易于控制，透明导电薄膜的均匀性好，光电性能优异，以此作为太阳能电池的背电极，替代传统的铝金属电极，在太阳能电池材料上沉积制备出透明的ZnO/Al薄膜作为导电TCO电极，使太阳光从分照射到电池表面，不受传统电极的挡光影响，进一步提高了太阳能电池的转化效率。

附图说明

图1是本发明方法制备得到的以ZnO/Al薄膜为背电极的ZnO/Al/未引入背电极的太阳能电池片结构示意图；

其中：1：未引入背电极的太阳能电池片；2 ：Al薄膜；3 ：ZnO薄膜；

图2是本发明实施例1沉积后的ZnO/Al薄膜的TEM图；

图3是本发明实施例1制备的经退火处理的ZnO/Al薄膜的SEM图。

具体实施方式

本发明中所述的等离子增强电子回旋共振有机物化学气相沉积系统即ECR-PEMOCVP系统，已经在申请号为201210247144.8的申请中公开；所述的磁控溅射控制系统是JPGD—450磁控溅射台。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

以未引入电极的太阳能电池片为基片，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片，用氮气吹干基片，送入磁控溅射反应室；

将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10^-4 Pa后，将基片加热至100℃，并调整氩气流量使气压达到6Pa，以纯Al为靶材进行磁控溅射，控制溅射功率为100W，溅射时间4min，在基片上得到258nm厚的Al薄膜；

用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片，然后将基片置于气相沉积室内加热到200℃，向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH₂CH₃)₂的氩气，其中氩气和氧气流量之比为1: 100，控制微波功率为650W，在有Al薄膜的基片上沉积得到500nm 厚的ZnO薄膜，然后用高纯氮气清洗气相沉积室，取出基片，此时的薄膜的TEM图如图2所示，可以看出薄膜厚度均匀，为纳米级；

在氧气气氛下，于400℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30min，得到ZnO/Al薄膜，其SEM图如图3所示，可以看出薄膜均匀致密，且具有空穴结构，透光率达85%以上。

实施例2

以未引入电极的太阳能电池片为基片，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片，用氮气吹干基片，送入磁控溅射反应室；

将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10^-4 Pa后，将基片加热至100℃，并调整氩气流量使气压达到6Pa，以纯Al为靶材进行磁控溅射，控制溅射功率为120W，溅射时间1min，在基片上得到20nm厚的Al薄膜；

用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片，然后将基片置于气相沉积室内加热到200℃，向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH₂CH₃)₂的氩气，其中氩气和氧气流量之比为1: 100，控制微波功率为650W，在有Al薄膜的基片上沉积得到50nm 厚的ZnO薄膜，然后用高纯氮气清洗气相沉积室，取出基片；

在氧气气氛下，于500℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30min，得到ZnO/Al薄膜，其透光率达85%以上。

实施例3

以未引入电极的太阳能电池片为基片，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片，用氮气吹干基片，送入磁控溅射反应室；

将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10^-4 Pa后，将基片加热至100℃，并调整氩气流量使气压达到6Pa，以纯Al为靶材进行磁控溅射，控制溅射功率为150W，溅射时间5min，在基片上得到50nm厚的Al薄膜；

用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片，然后将基片置于气相沉积室内加热到200℃，向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH₂CH₃)₂的氩气，其中氩气和氧气流量之比为1: 105，在有Al薄膜的基片上沉积得到100nm 厚的ZnO薄膜，然后用高纯氮气清洗气相沉积室，取出基片；

在氧气气氛下，于600℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30min，得到ZnO/Al薄膜，其透光率达85%以上。

实施例4

以未引入电极的太阳能电池片为基片，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片，用氮气吹干基片，送入磁控溅射反应室；

将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10^-4 Pa后，将基片加热至100℃，并调整氩气流量使气压达到6Pa，以纯Al为靶材进行磁控溅射，控制溅射功率为180W，溅射时间7min，在基片上得到300nm厚的Al薄膜；

用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片，然后将基片置于气相沉积室内加热到200℃，向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH₂CH₃)₂的氩气，其中氩气和氧气流量之比为1: 110，控制微波功率为650W，在有Al薄膜的基片上沉积得到400nm 厚的ZnO薄膜，然后用高纯氮气清洗气相沉积室，取出基片；

在氧气气氛下，于450℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30min，得到ZnO/Al薄膜，其透光率达85%以上。

实施例5

以未引入电极的太阳能电池片为基片，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声波清洗基片，用氮气吹干基片，送入磁控溅射反应室；

将磁控溅射反应室抽真空至9.0×10^-4 Pa后，将基片加热至100℃，并调整氩气流量使气压达到6Pa，以纯Al为靶材进行磁控溅射，控制溅射功率为100W，溅射时间1min，在基片上得到100nm厚的Al薄膜；

用去离子水清洗上述溅射有Al薄膜的基片，然后将基片置于气相沉积室内加热到200℃，向气相沉积室内同时通入氧气和携带有Zn(CH₂CH₃)₂的氩气，其中氩气和氧气流量之比为1: 100，控制微波功率为650W,在有Al薄膜的基片上沉积得到600nm 厚的ZnO薄膜，然后用高纯氮气清洗气相沉积室，取出基片；

在氧气气氛下，于400℃对载有ZnO和Al薄膜的基片退火处理30min，得到ZnO/Al薄膜，其透光率达85%以上。