專利名稱：用于制造光電池的帶金屬膜襯底的制作方法
用于制造光電池的帶金屬膜襯底本發(fā)明涉及一種用于制造光電池的帶金屬膜襯底，所述金屬膜的第一面用于設(shè)置光電(photovoltaik)吸收層。本發(fā)明還涉及一種包含這種襯底的光電池。高效光電器件如太陽能電池包括由例如IB、IIIA和VIA族元素(例如銅與銦和/或鎵的合金，或者鋁與硒和/或硫的合金)形成的吸收層。上述元素的常規(guī)組合是銅-銦-鎵-聯(lián)硒化物(CIGS)，由此制成的器件常被稱作CIGS太陽能電池。CIGS吸收層可沉積在襯底上。最好在鋁膜襯底上制造這種吸收層，因?yàn)殇X膜相對(duì)便宜，重量輕且柔性好。由US 2007/0000537A1已知一種具有在鋁膜上形成的CIGS吸收層的太陽能電池。在最高達(dá)600° C的溫度下對(duì)這種涂覆在鋁膜上的吸收層進(jìn)行數(shù)分鐘的退火處理。在將基于溶液的吸收材料涂布或印刷到襯底上以及隨后在升高的溫度下進(jìn)行固化的這兩個(gè)過程，鋁膜都會(huì)受到蒸汽和氣體形態(tài)的化學(xué)物質(zhì)的腐蝕。鋁固有的氧化物層和電解產(chǎn)生的氧化物層的耐化學(xué)性不好，或者說對(duì)腐蝕性化學(xué)品的耐蝕能力不佳。另外，鋁膜在高溫的作用下變 軟，因此機(jī)械強(qiáng)度下降。本發(fā)明的目的是提供一種前述類型的襯底，其與現(xiàn)有技術(shù)中的襯底相比具有更好的耐化學(xué)性，或者說對(duì)于制造光電池所使用的化學(xué)試劑具有更好的耐受力。此外，本發(fā)明所提供的襯底易于制造，成本低廉。本發(fā)明用來達(dá)成上述目的解決方案為在金屬膜的第二面設(shè)置由硅基溶膠-凝膠涂層形成的保護(hù)層，以便改善升高的溫度下的耐化學(xué)性和耐蝕性。優(yōu)選地，所述金屬膜至少在所述第一面上經(jīng)高光澤輥壓和/或電解拋光處理，以便獲得Ra〈100nm (納米),優(yōu)選Ra〈50nm的表面粗糙度。優(yōu)選地，所述保護(hù)層在干燥或固化的狀態(tài)下的厚度優(yōu)選介于約O. 5μπι與4μπι之間。所述金屬膜優(yōu)選是由鋁或一種鋁合金形成的膜。由溶膠-凝膠涂層形成的保護(hù)層除耐化學(xué)性以外還具有其他優(yōu)點(diǎn)，其能夠支撐在高溫的作用下變軟的鋁膜，賦予其更好的機(jī)械穩(wěn)定性。直接在所述金屬膜(特別是由鋁或鋁合金形成的薄膜)上實(shí)現(xiàn)的保護(hù)層是溶膠-凝膠涂層，該溶膠-凝膠涂層來自于直接涂在金屬膜上的溶膠-凝膠體系。形狀穩(wěn)定、容易變形且富含液體的分散體系被稱為凝膠，由固定的不規(guī)則三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和液體構(gòu)成。溶膠-凝膠體系在此理解為這樣一種由溶膠-凝膠工藝制成的溶膠-凝膠涂層，其在按照具體產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的施用與固化后會(huì)形成一個(gè)與襯底(在此是一種金屬膜)固定連接的固化保護(hù)層。該層優(yōu)選是透明固化的溶膠-凝膠涂層，其能顯露出襯底基色。透明固化的溶膠-凝膠涂層理解為特別是清澈無色的透明層。襯底干凈表面上的涂覆層優(yōu)選溶膠-凝膠涂層，特別是由聚硅氧烷形成的溶膠-凝膠涂層，優(yōu)選由硅烷醇溶液(特別是烷氧基硅烷溶液)和水性膠體硅酸溶液制成的聚硅氧烷形成的溶膠-凝膠涂層。聚硅氧烷是由交聯(lián)硅氧烷構(gòu)成的聚合物。聚硅氧烷特別通過經(jīng)水解的可交聯(lián)硅烷(特別是烷氧基硅烷)與膠體硅酸之間的縮合反應(yīng)而產(chǎn)生。經(jīng)水解的硅烷(特別是烷氧基硅烷)之間的縮合反應(yīng)以及水解硅烷(特別是烷氧基硅烷)與膠體硅酸之間的縮合反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聚硅氧烷的無機(jī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，有機(jī)基團(tuán)，特別是烷基(或低級(jí)烷基)通過碳鍵被納入該無機(jī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。但是，有機(jī)基團(tuán)或烷基不直接參與聚合反應(yīng)或硅氧烷的交聯(lián)過程，即，這些有機(jī)基團(tuán)不用于形成有機(jī)聚合物體系，而僅僅用于官能化。其官能化作用為有機(jī)基團(tuán)(特別是烷基)在溶膠-凝膠過程中附著于聚硅氧烷外側(cè)，由此形成對(duì)外疏水層，該疏水層會(huì)賦予溶膠-凝膠涂層突出的疏水性。如前所述，上述溶膠-凝膠法可以通過選擇性水解以及硅的醇鹽與硅酸之間的縮合反應(yīng)產(chǎn)生由無機(jī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以及結(jié)合在其中的烷基所構(gòu)成的溶膠-凝膠涂料。因此，由此而獲得的聚硅氧烷確切而言應(yīng)該屬于無機(jī)聚合物。在制備作為保護(hù)層的溶膠-凝膠涂層的一種優(yōu)選實(shí)施方案中，合適的是從兩種基礎(chǔ)溶液A和B開始制備。溶液A是一種或多種不同烷氧基硅烷的醇溶液，其中，所述烷氧基硅烷以非水解形態(tài)存在于不含水介質(zhì)中。醇適合用作溶劑，例如甲醇、乙醇、丙醇或丁醇，優(yōu)選使用異丙 醇。烷氧基硅烷可由通式XnSi (OR) 4_n描述，其中，“R”是低級(jí)烷基，優(yōu)選選自甲基、乙基、丙基和丁基。“X”同樣合適為燒基，優(yōu)選選自甲基、乙基、丙基和丁基。合適的燒氧基娃烷例如為四甲氧基硅烷(TMOS )，優(yōu)選四乙氧基硅烷(TEOS )和甲基三甲氧基硅烷(MTMOS )及其他燒氧基娃燒。在特別優(yōu)選實(shí)施方案中，所述溶液A是以甲醇、乙醇或丙醇為溶劑，特別是以異丙醇為溶劑用四乙氧基硅烷(TEOS)和/或甲基三甲氧基硅烷(MTMOS)制備而成。溶液A例如可包含25-35wt% (重量百分比)、特別是30wt%的TEOS以及15_25wt%、特別是20wt%的MTMOS, 二者溶解于40-60wt%、特別是50wt%的異丙醇中。溶液B含有溶解在水中的膠體硅酸。在合適的實(shí)施方案中，使用酸，優(yōu)選用硝酸(HNO3)將溶液B的pH值調(diào)節(jié)至2. 0-4，優(yōu)選2. 5-3. 0，特別是2. 5。合適的是，所用硅酸是在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定的硅酸，其中硅酸的pH值有利地為2-4。該娃酸盡量不含堿。該娃酸的堿含量(Na2O)優(yōu)選低于O. 04wt%。溶液B例如包含70_80wt%、特別是75wt%的水作為溶劑和20_30wt%、特別是25wt%的膠體硅酸。合適的是，用硝酸(HNO3)將溶液B的pH值調(diào)節(jié)至2. 0-3. 5，優(yōu)選2. 5-3. 0，特別是2. 5。在存在硝酸的情況下，將A和B兩份基礎(chǔ)溶液合并混合后，在溶液B中所含的水和溶液A中所含的烷氧基硅烷之間發(fā)生水解反應(yīng)。水解反應(yīng)Si(OR) η+ηΗ20 — Si (OH) n+nR (OH)同時(shí)發(fā)生縮合反應(yīng)，在該過程中，每?jī)蓚€(gè)Si-OH基團(tuán)之間脫水形成一個(gè)硅氧烷鍵(Si-O-Si)0通過進(jìn)一步的聚合反應(yīng)過程形成結(jié)合有烷基的聚硅氧烷網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。新產(chǎn)生的混合溶液呈凝膠狀。溶液A和B優(yōu)選以7 3的重量比混合。合適的是將凝膠狀的溶膠-凝膠涂層涂覆或沉積到所述襯底或相應(yīng)表面上，并隨后干燥或固化。干燥過程是移除溶膠-凝膠涂層中殘留的水和醇，借此使該溶膠-凝膠涂層固化并在金屬膜表面形成耐蝕且能耐受化學(xué)物質(zhì)的保護(hù)層。涂膜通過例如涂覆、旋涂或噴涂等方法進(jìn)行，合適的是以連續(xù)方法進(jìn)行，這適用于處理帶狀金屬膜。特別有利的涂膜方法是噴淋、噴涂、浸潰和浸涂。特別適合用來形成保護(hù)層的溶膠-凝膠體系是Akzo Nobel公司的商品名為CERAPAINT 的產(chǎn)品。通過施用溶膠-凝膠體系而產(chǎn)生的保護(hù)層(溶膠-凝膠涂層)，也即使用溶膠-凝膠體系在金屬膜襯底上產(chǎn)生的涂層，需要經(jīng)過固化或干燥處理才能最終制成，在該過程中，溶膠-凝膠體系轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的溶膠-凝膠涂層。合適的是，涂布溶膠-凝膠涂層的襯底通過輻射(例如紫外線輻射、電子輻射、激光輻射)、熱輻射(例如紅外輻射)或?qū)α骷訜峄蛘呱鲜龈稍锘蚬袒椒ǖ慕M合進(jìn)行干燥或固化。合適的是，對(duì)流加熱可通過施加加熱的氣體如空氣、氮?dú)狻⑾∮袣怏w或其混合物來實(shí)現(xiàn)。凝膠涂層優(yōu)選在連續(xù)爐中干燥或固化。 本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、特征和技術(shù)細(xì)節(jié)可由下述對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的描述并根據(jù)附圖
明顯看出。附圖中圖I為帶有保護(hù)層的襯底截面圖；圖2為在圖I所示襯底上制成的光電池截面圖。圖I所示的襯底10具有厚度例如為150 μ m的鋁膜12。制造該膜所使用的鋁的純度例如為Al 99. 85。該膜經(jīng)高光澤輥壓且任選地至少在之后用于形成光電吸收層的這一面還進(jìn)行了電解拋光處理，以便獲得盡可能光滑的表面。鋁膜12的兩面均僅存在厚度只有幾納米的固有氧化物層14。對(duì)鋁膜12的隨后會(huì)成為光電池背面的那一面設(shè)置一厚度例如為I μ m-2 μ m的由溶膠-凝膠涂層構(gòu)成的保護(hù)層16。輥壓后，通過浸潰或噴霧方法使用酸或堿溶液使高光澤輥壓鋁膜脫除氧化物膜和表面污染物。得到的表面質(zhì)量足以在脫除后的鋁表面直接涂布溶膠-凝膠涂層，也足以直接形成吸收層。所述溶膠-凝膠層也可以施用在例如單面經(jīng)陽極化處理的帶上。圖I所示的襯底10在形式上是一個(gè)設(shè)有溶膠-凝膠涂層的鋁膜12，以此為基礎(chǔ)，吸收層18直接形成在鋁膜的光滑的、與由溶膠-凝膠涂層所形成的保護(hù)層16相對(duì)的一面上，并且構(gòu)成圖2所示光電池30的背面觸點(diǎn)點(diǎn)層。固有氧化物層14厚度較小，因而可以將吸收層18直接形成在該氧化物層上，而不需要增設(shè)接觸層。吸收層18上設(shè)有由透明材料構(gòu)成的前觸點(diǎn)層20，這個(gè)前觸點(diǎn)層被由透明塑料構(gòu)成的保護(hù)層22覆蓋。由溶膠-凝膠涂層形成的保護(hù)層16可以防止鋁膜12受到化學(xué)腐蝕，或受到在制造和固化吸收層18時(shí)所遇到的蒸氣和氣體的腐蝕。此外，由溶膠-凝膠涂層構(gòu)成的保護(hù)層16還有助于提高長(zhǎng)時(shí)間暴露于高溫而變軟的鋁膜12的機(jī)械穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種用于制造光電池(30)的帶金屬膜(12)襯底，所述金屬膜(12)的第一面用于設(shè)置光電吸收層(18)，其特征在于，在所述金屬膜(12)的第二面設(shè)置由硅基溶膠-凝膠涂層形成的保護(hù)層(16)，以改善在升高的溫度下的耐化學(xué)性和耐蝕性。
2.如權(quán)利要求I所述的襯底，其特征在于，所述金屬膜(12)至少在所述第一面上經(jīng)高光澤輥壓和/或電解拋光處理，以獲得Ra〈100nm (納米)，優(yōu)選Ra〈50nm的表面粗糙度。
3.如權(quán)利要求I或2所述的襯底，其特征在于，所述保護(hù)層(16)的厚度介于0.5 y m與4 y m之間。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項(xiàng)所述的襯底，其特征在于，所述金屬膜(12)是由鋁或鋁合金形成的膜。
5.一種光電池(30),包含有如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的襯底(10)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造光電池(30)的帶金屬膜(12)襯底(10)，其中金屬膜(12)的第一面用于設(shè)置光電吸收層(18)。在所述金屬膜(12)的第二面設(shè)置由硅基溶膠-凝膠涂層形成的保護(hù)層(16)，以便改善升高溫度下的耐化學(xué)性和耐蝕性。
文檔編號(hào)H01L31/0392GK102714232SQ201080053587
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者A·阿夫塞斯, J·斯塔蒂, R·普拉特, S·安托萬, V·吉利希 申請(qǐng)人:肯聯(lián)鋁業(yè)瑞士股份有限公司