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沉积在太阳能电池上的TiO2防反射薄膜的制备与特性
发表于:2012-04-21 16:59:49
来源:www.solarbe.com作者:solarbe
沉积在太阳能电池上的TiO2防反射薄膜的制备与特性
王贺权,巴德纯,沈辉,闻立时
摘要
非晶或微晶的TiO2薄膜由于在可见光与近红外光波段的不同折射率与透光性、高介电常数、宽带隙、高耐磨性与稳定性等性能,使其应用于多个领域,近年来已经引起极大的关注。本篇专门研究TiO2薄膜在用于硅太阳能电池时的防反射性能。

TiO2薄膜通过Ti靶材直流反应溅射制成。薄膜的反射率由UV


3101PC测量,折射率与消光系数由n&k Analyzer 1200测量,涂层与未涂层的太阳能电池的I-V 曲线I-V测量系统测量。

1、介绍
TiO2薄膜由于在可见光与近红外光波段的高折射率与高透光性、高介电常数、宽带隙、高耐磨性与稳定性等性能,近年来已经引起极大的关注。这些性能使其适用于太阳能电池、防反射薄膜、污水的光污染祛除、电化学装置、自清晰与抗结雾薄膜等领域。目前已有很多制膜技术,如:sol-gel、高温分解溅射、化学汽相沉积(CVD)、物理汽相沉积(PVD)。
但是溅射与sol-gel制备TiO2的方法容易引起膜厚不均匀,且涉及到持续生产的问题。化学汽相沉积的薄膜与基材结合强度低,容易剥离。直流反应溅射具有良好的薄膜结合性、大范围内厚度均匀等良好的特性。直流反应溅射具有更多的优点,如:(1)能够生产可控计量的复合薄膜、高沉积速率、可大规模生产。(2)所用靶材一般具有高纯度,所以可以制备出高纯度的薄膜。(3)金属靶材具有高的导电性,适用直流电即可。所以可以避免使用复杂昂贵的射频(RF)系统。(4)所用靶材易于加工和bond。(5)金属靶材容易导热,可以使散热效果更佳,所以可以加宽输入功率的范围,不必担心出现裂缝。(6)300℃以下即可成膜。
本篇希望通过直流反应溅射制备用于硅太阳能电池时的TiO2薄膜,并研究薄膜的反射系数(r)、折射率(n)与消光系数(k)。
2、实验
TiO2薄膜通过图1所示的直流反应溅射设备制成。每次沉积之前,使用串联的扩散泵与机械泵将不锈钢仓抽真空至低于10-3Pa。所用靶材为纯度3N的方形Ti靶,溅射环境为纯度4N的Ar与纯度4N的O2,O2/Ar的气流量比例由调节器控制。溅射前,太阳能电池分别浸入酒精与丙酮超声波清洗,Ti靶材进行10分钟的预溅射以便清除表面的氧化物。设计上使基座旋转,以便得到同性能的TiO2薄膜。

为了使硅片上的TiO2薄膜获得更低的反射率,我们选择O2/Ar的气流量比例保持在1/4,靶材距基座6cm,把电流固定为5A,环境气体压力为0.2Pa左右,溅射时间为120℃条件下1小时。薄膜的反射率由UV


3101PC测量,折射率(n)与消光系数(k)由n&k Analyzer 1200测量,涂层与未涂层的太阳能电池的I-V 曲线I-V测量系统测量。

1:实验设备原理图
3、结果与讨论
3.1 TiO2制作中的滞后现象
在直流反应溅射中,在负电极表面与基材间存在的氧气,不但引起与基材上的冷凝材料的强相互作用,也引起与负电极表面的强相互作用。随着氧气流量的增加,绝缘化合物会包裹负电极表面,即所谓的靶中毒。在Ar与O2混合气体中使用的Ti靶材会导致众所周知的等离子阻抗滞的后现象。图2显示了我们的TiO2溅射过程的滞后现象
2:TiO2溅射过程的滞后现象。
根据氧流量的不同,经常采用两种特定的靶材方式:金属方式(低氧分压,高溅射速率)与反应方式(高氧分压,低溅射速率)。综合考虑希望得到的计量与适当的特性,只有在两种方式的过渡区内才可以得到适度性溅射速率。
直流反应溅射TiO2中的滞后现象与文献中广泛描述的不同。在转换点,负电极电压增加,可能原因为TiO2(0.96)的溅射系数高于Ti(0.58)。所以,TiO2的溅射速率高于Ti,然后我们扣除TiO2可能具有的比Ti低的二次电子发射系数。由于反应舱内二次电子减少,则负电极电压增加以保持放电。
3.2 硅电池上的TiO2薄膜的光学特性
3为太阳光AM1.5的光谱分布。此范围内最大的辐射强度在495nm至685nm,为得到好的防反射特性,此范围的反射率应该较低。
3:太阳光AM1.5的光谱分布。

4显示了由UV


3101PC测量的裸露的硅电池与涂上TiO2薄膜的硅电池的反射率曲线。在波长350nm至800nm范围内,裸露的硅电池的平均反射率Ra为31.5%,在波长770nm至800nm范围内最低值R为25.8%。在波长350nm至800nm范围内,涂上TiO2薄膜的硅电池的平均反射率Ra为11.18%,在波长520nm至540nm范围内最低值R为1.9%。最大的辐射强度的495nm至685nm范围内平均反射率Ra为4.8%。通过以上反射率的对比可知,涂上TiO2薄膜的硅电池的抗反射性能极佳。

4:由UV


3101PC测量的反射率曲线

此外,薄膜还经n&k Analyzer 1200测量。n&k Analyzer是一种基于“n&k Method”专利的新型薄膜测量系统,n&k Analyzer可以测量半导体、电介质、透明导体、光阻材料、聚合物、滤光片与超薄金属膜的厚度(d)、折射率(n)、消光系数(k)、能带宽度(Eg)与内表面粗糙度(s)。折射率(n)与消光系数(k)与光的波长(λ)有关(如:n=n(λ) and k=kλ))。折射率n(λ)描述了光如何被材料衍射。高折射率的材料与低折射率的材料相比更容易使光衍射。n(λ)随材料密度而改变。消光系数(k)与光的吸收有关。高消光系数的材料比低消光系数的材料吸收更多的光。透明材料在可见光范围内消光系数为零。
5 显示了TiO2薄膜的n&k曲线。TiO2薄膜的折射率(n)基本保持不变。TiO2薄膜的消光系数(k)非常低,且在400nm至800nm范围内等于零,说明TiO2薄膜在400nm至800nm范围内吸收很少的光甚至不吸收。综上所述,由于具有低反射率以及接近零的消光系数(k),TiO2薄膜是一种很好的防反射材料,可广泛用于太阳能电池领域。
5:TiO2薄膜的n&k曲线
6显示了由AM1.5阳光模拟光源测量的裸露的太阳能电池与涂上TiO2薄膜的太阳能电池的IV曲线。可以看出当太阳能电池涂上TiO2薄膜后,所有的性能都被提高了。太阳能电池的效率提高了12%。
6:裸露的硅电池与涂上TiO2薄膜的硅电池的IV曲线
4、结论
本文讨论了通过直流反应溅射制备的用于硅太阳能电池时的TiO2薄膜的光学性能。涂上TiO2薄膜的硅太阳能电池在可见光范围内具有更低的反射率。TiO2薄膜的消光系数(k)非常低,且在400nm至800nm范围内等于零,说明TiO2薄膜在可见光范围内吸收很少的光甚至不吸收,且太阳能电池的效率提高了12%。总体来说,以上提到的光学性能证明TiO2薄膜是太阳能电池防反射层的优良材料。待进一步验证。
5、感谢
感谢SUNYAT-SEN大学的Ing shenhui教授/博士。本项目有中国国家自然科学基金会赞助,补助号码:50376067。
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关键词: 太阳能电池
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