[发明专利]用于薄膜光伏电池的阻挡膜

说明书

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2009年8月24日提交的美国临时专利申请序列号61/236,177的权益，该专利申请序列号以引用方式全文并入本文。

发明领域

一种前片，所述前片具有通过原子层沉积方法制成的透明的非晶态阻挡层。当应用于薄膜光伏电池时，它是尤其有用的。

发明背景

O₂和H₂O蒸气容易穿过聚合物膜。为了减小用于包装应用的渗透性，用无机薄膜涂覆聚合物。常见的是铝涂覆的聚酯。在包装中也使用光学透明的阻挡物，主要是通过物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)制成的SiO_x或AlO_y。后一种膜可商购获得，并且在工业中被称为“玻璃涂覆的”阻挡膜。它们提供约10x的对大气气体渗透的改善，从而将穿过聚酯膜的传输速率减小至约1.0cc O₂/m²/天和1.0mL H₂O/m²/天(M.Izu，B.Dotter和S.R.Ovshinsky，J.的Photopolymer Science and Technology.，第8卷，1995第195-204页)。尽管这种适度的改善对于很多高容量包装应用来讲在性能和成本之间作出了合理的折衷，但该性能远远没有达到电子器件的包装要求。然而，常见的CVD和PVD沉积方法需要在离散的成核位点处进行引发和膜生长。PVD方法尤其易于制备具有边界的柱状微观结构，沿所述边界容易发生气体渗透。电子包装通常需要具有比例如饮料容器要长至少一个数量级的所期望的使用期。例如，基于制造在柔性聚酯基板上的有机发光聚合物(OLED)的柔性显示器需要具有估算的10⁵-10⁶x的阻挡改善以便隔绝大气气体。此类气体能够严重地劣化发光聚合物和水敏金属阴极，所述阴极在很多情况下可为钙或钡。预计具有较长使用期(～25年)的薄膜光伏电池需要具有10⁴-10⁶x的阻挡改善。

由于它们具有固有的自由体积分数，因此一般来讲聚合物的内在渗透性太高，所高出的因数为10⁴-10⁶，从而不能够获得电子应用诸如柔性OLED显示器或光伏电池所需的防护水平。仅具有基本上为零的渗透性的无机材料才可提供足够的阻挡防护。理想的是，无缺陷的连续无机物薄膜涂层应当是大气气体所不可渗透的。然而，实际情况是薄膜具有缺陷诸如源自涂覆方法或基板瑕疵的针孔，所述缺陷会降低阻隔性能。甚至膜中的砂目边界也可能为容易发生的渗透提供途径。为了具有最佳阻隔性能，应当将薄膜在清洁的环境中沉积到清洁的无缺陷基板上。膜结构应当为非晶态的。所述沉积方法应当为非定向的，并且用以获得无特征的微观结构的生长机理将理想地为逐层式的以避免发生具有颗粒状微观结构的柱状生长。

原子层沉积(ALD)为一种膜生长方法，其满足了很多这些针对制备低渗透膜的规范。对原子层沉积方法的描述可见于Tuomo Suntola的“Atomic Layer Epitaxy”，见Thin Solid Films，第216卷(1992)第84-89页。如其名称所暗示的那样，通过ALD生长的膜是用逐层方法来形成的。ALD与通过常见的CVD和PVD方法的生长形成对比，其中在基板表面上的有限数目的成核位点引发并生长。后一种技术可导致柱状微观结构，所述柱状微观结构在各柱之间具有边界，气体渗透可容易地沿所述边界发生。ALD可产生具有极低气体渗透性的极薄的膜，使得此类薄膜作为阻挡层很受青睐，所述阻挡层用于包装敏感的电子装置和建立在塑料基板上的组件。

将太阳辐射或光转化为电的光伏(PV)电池需要在恶劣的室外条件下全年运行。为了确保25年或更长的保质期，太阳能电池需要具有牢靠的包装。为了将太阳能电池整合到建筑材料诸如屋顶膜中，也期望PV电池为卷筒形式的柔性产品。

可在金属箔或柔性基板上将薄膜PV电池制造为卷筒产品。用于柔性PV电池的主要用以收集太阳辐射的顶片或前片应当为光学透明的、耐候且耐脏污的，具有对湿气和其它大气气体的低渗透性。当PV电池被制造在部分地透明的电池基板上时，具有防潮层的透明底片也可通过收集反射光来改善电池性能，同时所述防湿层保护PV电池以免湿气侵入。