CN102222704A - 一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为硅片表面的二氧化硅薄膜，厚度为20～30nm，折射率为1.15～1.25；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜，厚度为80～90nm，折射率为1.30～1.45；第三层为纳米二氧化钛薄膜，厚度为50～60nm，折射率为2.12～2.28。第一层二氧化硅薄膜采用热氧化法制备，第二层复合薄膜和第三层纳米二氧化钛薄膜都采用溶胶凝胶涂覆法制备。本发明采用三层减反射膜，降低了电池表面对光的反射，提高了太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池制造技术，特别涉及一种晶体硅太阳能电池减反射膜及其制备方法。
背景技术
为了提高晶体硅太阳能电池的光电转换效率，应减少电池表面光的反射损失，增加光的透射。减反射膜的制作直接影响着太阳能电池对入射光的反射率，对太阳能电池效率的提高起着非常重要的作用。目前已大规模产业化的是采用高温气相化学沉积PECVD设备直接在扩散完成后的硅片表面上进行氮化硅沉积，氮化硅薄膜具有较低的减反射效果，然而氮化硅减反射膜硅太阳能电池的反射率还不是很低，其它常规单层减反射膜材料都很难达到很好的减反射效果，因此现有的太阳能电池的光电转换效率还是很低，如何进一步降低反射率成为一大难题。
发明内容
本发明的目的就是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种降低电池表面对光的反射，提高太阳能电池的光电转换效率的晶体硅太阳能电池三层减反射膜及其制备方法。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅表面的二氧化硅薄膜，厚度为20～30nm，折射率为1.15～1.25；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜，厚度为80～90nm，折射率为1.30～1.45；第三层为纳米二氧化钛薄膜，厚度为50～60nm，折射率为2.12～2.28。
上述所述晶体硅太阳能电池三层减反射膜的制备方法，其是对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除晶体硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅片镀减反射膜，其包括以下步骤：
1、在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为20～30nm，折射率为1.15～1.25的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为5～20L/min，氧气O2流量为2～3L/min，温度为800～900℃，反应时间为10～30min；
2、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤1的二氧化硅薄膜表面形成厚度为80～90nm，折射率为1.30～1.45的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜；
3、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤2的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为50～60nm，折射率为2.12～2.28的二氧化钛薄膜。
本发明的三层减反射膜的制备方法中，所述的步骤2包括以下步骤：
A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.1～0.2∶6～12的比例在混合容器中混合，加热至20～100℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；
B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理30～60min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为20～30nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶15～20；
C、在晶体硅经步骤1形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度300-350℃的空气进行热处理1-2min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
本发明的三层减反射膜的制备方法中，所述的步骤3包括以下步骤：
A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.01-0.02∶1∶0.004-0.02；
B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理30～60min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为20～30nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶15～20；
C、在步骤2形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度400-450℃的空气进行热处理1-2min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
由于本发明采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：(1)本发明方法中的三层减反射膜可以明显降低电池表面对光的反射，晶体硅片表面对光子吸收的几率增加，提高了太阳能电池的光电转化效率。在太阳能电池晶体硅片表面，选择三层减反射膜进行膜系组合，并采用最佳的膜层厚度，以使得电池在所工作的光谱范围内获得最佳的减反射效果，三层减反射膜的设计可以进一步降低入射光在电池表面的反射，与现有氮化硅减反射膜相比，在光谱范围300nm-1200nm之间的反射率降低20％以上，光电转换效率提高0.1％左右。(2)本发明的三层减反射膜，第二层的复合薄膜有助于缓解第一层薄膜和第三层薄膜折射率突变使得相邻薄膜结合力弱的缺陷。(3)本发明采用的溶胶凝胶法是一种广泛应用于薄膜沉积的方法，其具有设备简单，对样品的尺寸没有要求，不需要特殊的高压或真空的环境，且制备得到的薄膜均匀性好的优点。(4)本发明的制备方法简单，适合规模化生产。
附图说明
图1为本发明三层减反射膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本法明做进一步的描述。
实施例1，如图1所示，一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅5表面的二氧化硅薄膜4，厚度为20nm，折射率为1.15；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜3，厚度为80nm，折射率为1.30；第三层为纳米二氧化钛薄膜2，厚度为50nm，折射率为2.12。1为栅线。
对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅片镀减反射膜，其包括以下步骤：
1、在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为20nm，折射率为1.15的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为5L/min，氧气O2流量为3L/min，温度为850℃，反应时间为25min。
2、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤1的二氧化硅薄膜表面形成厚度为80nm，折射率为1.30的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜。其包括以下步骤：A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.1∶6的比例在混合容器中混合，加热至100℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理30min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为20nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶15；C、在晶体硅经步骤1形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度300℃的空气进行热处理1min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
3、采用溶胶凝胶涂覆发在步骤2的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为50nm，折射率为2.12的二氧化钛薄膜。其包括以下步骤：A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.01∶1∶0.004；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理30min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为20nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶15；C、在步骤2形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度400℃的空气进行热处理1min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
实施例2，如图1所示，一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅5表面的二氧化硅薄膜4，厚度为30nm，折射率为1.25；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜3，厚度为90nm，折射率为1.45；第三层为纳米二氧化钛薄膜2，厚度为60nm，折射率为2.28。1为栅线。
对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除晶体硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅片镀减反射膜，其包括以下步骤：
1、在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为30nm，折射率为1.25的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为20L/min，氧气02流量为2L/min，温度为800℃，反应时间为30min。
2、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤1的二氧化硅薄膜表面形成厚度为90nm，折射率为1.45的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜。其包括以下步骤：A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.2∶12的比例在混合容器中混合，加热至50℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理60min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为30nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶20；C、在晶体硅经步骤1形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度350℃的空气进行热处理2min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
3、采用溶胶凝胶涂覆发在步骤2的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为60nm，折射率为2.28的二氧化钛薄膜。其包括以下步骤：A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.02∶1∶0.02；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理60min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为30nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶20；C、在步骤2形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度450℃的空气进行热处理2min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
实施例3，如图1所示，一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅5表面的二氧化硅薄膜4，厚度为23nm，折射率为1.18；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜3，厚度为85nm，折射率为1.4；第三层为纳米二氧化钛薄膜2，厚度为55nm，折射率为2.15。1为栅线。
对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅片镀减反射膜，其包括以下步骤：
1、在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为23nm，折射率为1.18的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为10L/min，氧气02流量为2.5L/min，温度为900℃，反应时间为10min。
2、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤1的二氧化硅薄膜表面形成厚度为85nm，折射率为1.4的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜。其包括以下步骤：A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.15∶9的比例在混合容器中混合，加热至20℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理50min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为25nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶18；C、在晶体硅经步骤1形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度320℃的空气进行热处理1.5min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
3、采用溶胶凝胶涂覆发在步骤2的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为55nm，折射率为2.15的二氧化钛薄膜。其包括以下步骤：A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.015∶1∶0.008；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理50min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为25nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶18；C、在步骤2形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度420℃的空气进行热处理1.5min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
实施例4，如图1所示，一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅5表面的二氧化硅薄膜4，厚度为25nm，折射率为1.20；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜3，厚度为82nm，折射率为1.35；第三层为纳米二氧化钛薄膜2，厚度为58nm，折射率为2.20。1为栅线。
对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅片镀减反射膜，其包括以下步骤：
1、在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为25nm，折射率为1.20的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为15L/min，氧气02流量为2.8L/min，温度为820℃，反应时间为20min。
2、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤1的二氧化硅薄膜表面形成厚度为82nm，折射率为1.35的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜。其包括以下步骤：A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.13∶10的比例在混合容器中混合，加热至75℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理40min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为23nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶19；C、在晶体硅经步骤1形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度330℃的空气进行热处理1.75min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
3、采用溶胶凝胶涂覆发在步骤2的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为58nm，折射率为2.20的二氧化钛薄膜。其包括以下步骤：A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.013∶1∶0.01；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理40min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为23nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶19；C、在步骤2形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度430℃的空气进行热处理1.75min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
实施例5，一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅5表面的二氧化硅薄膜4，厚度为28nm，折射率为1.22；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜3，厚度为88nm，折射率为1.38；第三层为纳米二氧化钛薄膜2，厚度为53nm，折射率为2.25。1为栅线。
对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的硅片镀减反射膜，其包括以下步骤：
1、在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为28nm，折射率为1.22的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为13L/min，氧气02流量为2.3L/min，温度为880℃，反应时间为15min。
2、采用溶胶凝胶涂覆法在步骤1的二氧化硅薄膜表面形成厚度为88nm，折射率为1.38的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜。其包括以下步骤：A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.18∶8的比例在混合容器中混合，加热至35℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理45min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为28nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶16；C、在晶体硅经步骤1形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度340℃的空气进行热处理1.35min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
3、采用溶胶凝胶涂覆发在步骤2的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为53nm，折射率为2.25的二氧化钛薄膜。其包括以下步骤：A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.018∶1∶0.015；B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理45min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为28nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶16；C、在步骤2形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度440℃的空气进行热处理1.35min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
Claims (4)
1.一种晶体硅太阳能电池三层减反射膜，其特征在于：其是由三层膜构成，第一层为太阳能电池晶体硅表面的二氧化硅薄膜，厚度为20～30nm，折射率为1.15～1.25；第二层为二氧化钛和二氧化硅复合薄膜，厚度为80～90nm，折射率为1.30～1.45；第三层为纳米二氧化钛薄膜，厚度为50～60nm，折射率为2.12～2.28。
2.一种权利要求1所述的晶体硅太阳能电池三层减反射膜的制备方法，其是对经过清洗制绒，扩散制备PN结，刻蚀去除晶体硅片四周的PN结，清洗去除磷硅玻璃的处理步骤后的晶体硅片镀减反射膜，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)在扩散炉内采用热氧化法在晶体硅的表面生长一层厚度为20～30nm，折射率为1.15～1.25的二氧化硅薄膜，其中通入的氮气N2流量为5～20L/min，氧气02流量为2～3L/min，温度为800～900℃，反应时间为10～30min；
(2)采用溶胶凝胶涂覆法在步骤(1)的二氧化硅薄膜表面形成厚度为80～90nm，折射率为1.30～1.45的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜；
(3)采用溶胶凝胶涂覆法在步骤(2)的二氧化硅和二氧化钛复合薄膜上再沉积厚度为50～60nm，折射率为2.12～2.28的二氧化钛薄膜。
3.根据权利要求2所述的三层减反射膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)包括以下步骤：
A、将正硅酸四乙酯、无水乙醇和盐酸按照摩尔比为1∶0.1～0.2∶6～12的比例在混合容器中混合，加热至20～100℃，搅拌得到溶胶，陈化三天备用；
B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理30～60min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为20～30nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶15～20；
C、在晶体硅片衬底经步骤(1)形成的二氧化硅薄膜表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度300-350℃的空气进行热处理1-2min，在二氧化硅薄膜表面再形成一层二氧化钛和二氧化硅复合薄膜。
4.根据权利要求2或者3所述的三层减反射膜的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)包括以下步骤：
A、将钛酸正丁酯与无水乙醇在混合容器中混合，搅拌形成透明溶液，再滴加蒸馏水，搅拌得到淡黄色溶胶，陈化三天备用，钛酸正丁酯、无水乙醇与蒸馏水的摩尔比为0.01-0.02∶1∶0.004-0.02；
B、将二氧化钛纳米粒子加入上述溶胶中，超声分散处理30～60min，形成二氧化钛粒子充分分散的涂覆浆体，二氧化钛纳米粒子粒径为20～30nm，二氧化钛粒子与溶胶重量比为1∶15～20；
C、在步骤(2)形成的二氧化钛和二氧化硅复合薄膜的表面采用丝网印刷方法印刷一层上述浆体，随后将印刷好浆体的产品置入烧结炉中，用温度400-450℃的空气进行热处理1-2min，在二氧化钛和二氧化硅复合薄膜表面再形成一层二氧化钛薄膜。
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