1.本发明涉及柔性透明电极材料制备技术领域，更具体地说，涉及一种光伏电池透明电极薄膜制备装置及方法。


背景技术：

2.柔性光伏电池作为太阳能电池领域的一个新兴种类，一直受到研究机构及企业的广泛关注。目前商用的光伏电池多是采用ito电极的硬质平板式单晶硅、玻璃衬底薄膜电池，这种硬质电池易破碎、运输携带不便，在一些特殊的场合无法使用，柔性光伏电池能够克服其现存缺点及扩展了光伏电池的应用场合，包括航天器，飞机，建筑物的表面。柔性光伏电池生产过程可以采用卷对卷工艺及便于运输携带可以有效降低光伏电池的使用成本。
3.ito电极因为同时具有较高的光透过率和较低的电阻而成为目前最广泛使用的透明电极薄膜。但ito电极材料也存在很多缺点，例如由于原材料的短缺电极成本越来越高，并且ito电极很脆，不能满足需要进行弯折的柔性电子器件。因此，需要开发一种成本相对低廉的柔性透明电极薄膜材料，该电极需要同时拥有优异的光学、电学及机械性能。目前，出现的制造柔性透明电极薄膜的方法主要由石墨烯、碳纳米管、金属网格、金属纳米线等导电材料来制备。其中，由银纳米线为材料制备的柔性透明电极薄膜性能较为优异，它具有良好的透光性和导电性，优异的耐弯折性能，但银纳米线有较高的接触电阻、表面粗糙度高限制了其实用性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于，提供一种光伏电池透明电极薄膜制备装置及方法，通过在电极基底上以热蒸发分层沉积及变掺杂浓度沉积形成透明电极薄膜材料，其不仅表面粗糙度低、透光率高、电导率高，而且采用分层变掺杂浓度沉积的电极更利于载流子向水平方向运动。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光伏电池透明电极薄膜制备装置，包括控制系统、金属蒸发源、扫描滑动装置、光编码系统和激光耦合修复系统和用于透明电极薄膜生长的反应腔体，所述反应腔体内设有石英托盘，所述石英托盘上面放置用于电极制备的透明衬底，所述反应腔体上部设置有扫描滑动装置，红外飞秒激光与可见光激光耦合在同一光路，激光发射头安装在扫描滑动装置上，激光透过石英窗口及石英托盘测量透明电极薄膜的透过率，所述反应腔体内部设有可见光检测器，所述可见光检测器将测量结果反馈给控制系统，所述控制系统通过可见光检测器测量的结果调节红外飞秒激光的波长以及功率实时修复透明电极薄膜；所述控制系统控制扫描滑动装置的移动和石英托盘的转动，所述控制系统控制光编码系统。
6.按上述方案，激光耦合修复系统包括红外飞秒激光、可见光激光、光纤光路及可见光检测器，红外飞秒激光与可见光激光通过光纤光路耦合输出。
7.按上述方案，所述可见光激光波长为460nm或550nm。
8.本发明还提供了一种利用权利要求1所述的光伏电池透明电极薄膜制备装置的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤一，将透明衬底放置在反应腔体的石英托盘上，通过反应腔体的氩气进气口与真空泵抽气口使反应腔体内压强低于10毫帕斯卡，然后在透明衬底上沉积基底层，基底层厚度为1～2nm，基底层材料为铝掺杂银薄膜，铝掺杂组分范围为5％～20％；
10.步骤二，在基底层上沉积过渡层，过渡层厚度为2～4nm，过渡层材料为铝铜共掺杂银薄膜，过渡层铝铜共掺杂银薄膜中铝组分由底部10％～20％逐渐减小到顶部1％～5％，铜组分由底部1％～5％逐渐增大到顶部10～20％；薄膜沉积过程中通过激光耦合修复系统实时扫描并修复透明电极薄膜；
11.步骤三，在过渡层上继续沉积导电层，导电层厚度为3～5nm，导电层材料为铜掺杂银薄膜，铜掺杂组分范围为10％～20％，沉积期间实时测量薄膜透过率；
12.步骤四，在导电层上继续沉积渐变层，渐变层厚度为2～4nm，渐变层材料底部为铜掺杂银薄膜逐渐过渡到钛或者镍，铜组分由底部10％～20％逐渐减小到顶部0％，银组分由底部80％～90％逐渐减小到顶部5～10％；钛或者镍组分由底部0％逐渐减增大到顶部90％～95％；薄膜沉积过程中通过激光耦合修复系统实时扫描并修复透明电极薄膜；
13.步骤五，在渐变层上继续沉积接触层，接触层厚度为1～3nm，接触层材料为银掺杂钛或者银掺杂镍金属，银掺杂组分范围为5％～10％；
14.步骤六，通过反应腔体的氩气进气口充入氩气，反应腔体内压强升高到80千帕～100千帕；让透明电极薄膜在氩气氛围下进行自然冷却。
15.按上述方案，在所述步骤二和步骤四中，所述可见光检测器实时测量透明电极薄膜的透过率，反馈控制红外飞秒激光的功率；当检测到透明电极薄膜的透过率降低实时提高红外飞秒激光功率，从而实现透明电极薄膜的实时修复保证其平整性。
16.按上述方案，所述步骤二过渡层沉积过程中银靶功率保持不变，铝靶功率逐步降低，铜靶功率逐步增大；所述步骤四渐变层沉积过程中银靶和铜靶功率分别逐渐降低，钛或镍靶功率逐渐增大。
17.按上述方案，沉积温度为20℃～200℃，沉积时反应腔体内沉积压强小于10毫帕斯卡。
18.按上述方案，所述步骤六，电极冷却时反应腔体内压强为80千帕～100千帕。
19.实施本发明的光伏电池透明电极薄膜制备装置及方法，具有以下有益效果：
20.1、本发明开发了一种基于热蒸发工艺的多层变掺杂浓度的柔性透明电极薄膜，该电极光透过率高，方块电阻低，可任意弯折。这些优点使其可以在柔性光伏电池及柔性屏领域得到广泛应用。
21.2、本发明透明电极薄膜各功能层依次采用不同金属变掺杂浓度沉积，使得电极更利于载流子向水平方向运动，减少载流子垂直方向的损失；本发明的制备装置在透明电极的制备过程中通过激光耦合修复系统实时扫描并修复透明电极薄膜保证其平整性，从而使透明电极薄膜同时具备优异的光透过性及导电性。
附图说明
22.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
23.图1：光伏电池透明电极薄膜结构图；
24.图2：光伏电池透明电极薄膜制造流程图；
25.图3：光伏电池透明电极薄膜制备装置的剖面结构示意图；
26.其中：101-反应腔体；102-石英托盘；103-放样和取样窗口；104-银靶；105-铝靶；106-可见光检测器；107-真空泵接口；108-铜靶；109-镍或钛靶；110-氩气入口；111-石英窗口；112-扫描滑动装置；113-激光发射头；200-计算机总控制系统；201-检测器反馈系统；202-电机控制系统；203-激光耦合修复系统。
具体实施方式
27.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
28.如图1所示，本发明制备的光伏电池透明电极薄膜包括接触层、渐变层、导电层、过渡层、基底层和透明衬底。
29.本发明光伏电池透明电极薄膜制备装置包括用于透明电极薄膜生长的反应腔体、金属蒸发源、扫描滑动装置、光编码系统以及激光耦合修复系统，反应腔体内设有石英托盘，石英托盘上面放置用于电极制备的透明衬底，反应腔体上部设置有扫描滑动装置，红外飞秒激光与可见光激光耦合在同一光路，激光发射头安装在扫描滑动装置上，激光透过石英窗口及石英托盘测量透明电极薄膜的透过率，反应腔体内部可见光检测器将测量结果反馈给控制器。装置还包括控制系统，通过可见光检测器测量的结果调节红外飞秒激光的波长以及功率实时修复保证透明电极薄膜的平整性；控制扫描滑动装置的移动和石英托盘的转动保证对电极全方位的测量修复；以及控制光编码系统。
30.本发明还提供一种光伏电池透明电极薄膜制备方法，包括以下步骤：
31.步骤一，将透明衬底放置在反应腔体的石英托盘上，通过反应腔体的氩气进气口与真空泵抽气口使反应腔体内压强低于10毫帕斯卡，然后在透明衬底上沉积基底层，基底层厚度为1～2nm，基底层材料为铝掺杂银薄膜，铝掺杂组分范围为5％～20％。
32.步骤二，在基底层上沉积过渡层，过渡层厚度为2～4nm，过渡层材料为铝铜共掺杂银薄膜，过渡层铝铜共掺杂银薄膜中铝组分由底部10％～20％逐渐减小到顶部1％～5％，铜组分由底部1％～5％逐渐增大到顶部10～20％。薄膜沉积过程中通过激光耦合修复系统实时扫描并修复透明电极薄膜。
33.步骤三，在过渡层上继续沉积导电层，导电层厚度为3～5nm，导电层材料为铜掺杂银薄膜，铜掺杂组分范围为10％～20％，沉积期间实时测量薄膜透过率。
34.步骤四，在导电层上继续沉积渐变层，渐变层厚度为2～4nm，渐变层材料底部为铜掺杂银薄膜逐渐过渡到钛或者镍，铜组分由底部10％～20％逐渐减小到顶部0％，银组分由底部80％～90％逐渐减小到顶部5～10％。钛或者镍组分由底部0％逐渐减增大到顶部90％～95％。薄膜沉积过程中通过激光耦合修复系统实时扫描并修复透明电极薄膜。
35.步骤五，在渐变层上继续沉积接触层，接触层厚度为1～3nm，接触层材料为银掺杂钛或者银掺杂镍金属，银掺杂组分范围为5％～10％。
36.步骤六，通过反应腔体的氩气进气口充入氩气，反应腔体内压强升高到80千帕～100千帕。让透明电极薄膜在氩气氛围下进行自然冷却。
37.优选的，所述步骤二、步骤三、步骤四中，为避免环境光对测量的影响对可见光光源进行编码，实时扫描测量薄膜透过率，并通过实时测量的透过率反馈控制飞秒激光功率，对透过率较差处进行照射减薄，保证薄膜的均匀性。
38.优选的，所述步骤中沉积温度为20℃～200℃，沉积时反应腔体内沉积压强小于10毫帕斯卡，所述步骤六，电极冷却时反应腔体内压强为80千帕～100千帕。
39.本发明的较佳实施例中，如图2-3所示，本发明光伏电池透明电极薄膜制备工艺方法，将透明衬底放置在本发明所设计装置的石英托盘上，通过真空泵抽出反应腔体内气体，使其达到要求的真空度，在透明衬底上首先沉积基底层为铝掺杂银薄膜，薄膜层厚度为1～2nm；随后在基底层上继续沉积过渡层为银铝铜合金，薄膜层厚度为2～4nm,银按固定功率沉积，铝的功率逐渐减小，铜的功率逐渐增大，形成变掺杂浓度合金，在沉积过程中实时扫描检测修复保证薄膜平整性；在过渡层上继续沉积导电层为银铜合金，薄膜层厚度为3～5nm；随后在导电层上继续沉积渐变层为银铜合金渐变为钛或镍薄膜，薄膜层厚度为2～4nm,银铜沉积功率逐渐减小，钛或镍的蒸发功率逐渐增加，使银铜的含量逐渐减小到0，钛或镍的含量逐渐增加到100％，在沉积过程中实时扫描检测薄膜透过率；通过透过率反馈控制飞秒激光对透过率较差的点照射减薄，保证薄膜的平整性。如图3所示，本发明实例提供一种光伏电池透明电极薄膜制备装置，该装置可以用于实施上述方法。包括用于透明电极沉积的反应腔体101，用于放置透明衬底的石英托盘102；用于放样和取样的窗口103；提供沉积源的银蒸发源104，铝蒸发源105，铜蒸发源108，镍或钛蒸发源109；用于扫描测量透过率的可见光检测器106和扫描滑动装置112；抽真空的真空泵接口107，氩气入口110；石英窗口111，激光发射头113；计算机总控制系统200；检测器反馈系统201；电机控制系统202；激光耦合修复系统203。
40.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。