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Abstract

本发明涉及一种高效叠层太阳能电池及其制备方法，可以极大提高对太阳能的利用效率和太阳能电池的光电转换效率，属于太阳能电池及其制备技术领域。由顶层太阳能电池和底层太阳能电池的透明电极用密封胶黏结而成，或者顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个终端结构的叠层太阳能电池。实现对太阳能电池的最佳匹配，极大的提高太阳能电池的光电转换效率，提高太阳能电池的质量和性能。本发明高效叠层太阳能电池有效地改善单个太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，有效地提高了太阳能电池对光谱的吸收效率，提高了光电转换效率，其光电转换效率可高达25％～30％。

Description

一种高效叠层太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效叠层太阳能电池及其制备方法，可以极大提高对太阳能的利用效率和太阳能电池的光电转换效率，属于太阳能电池及其制备技术领域。
背景技术
太阳电池是直接将光能转换成电能的元件，其基本构造是运用半导体材料构成P-N，光照射在太阳电池上，使半导体内部产生空穴一电子对，经P-N结电场的作用后，积累在P-N结两侧的电子(空穴)经过电极引出后形成电流。
由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收能量比其能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。为了提高对太阳能的利用效率，人们提出了叠层太阳能电池的概念。将太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，用能带宽度与这些部分有最好匹配的材料做成电池，并按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长最短的光被最外边的宽隙材料电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，这样的电池结构就是叠层电池，可以大大提高性能和稳定性。叠层太阳能电池的制备通常可以通过两种方式得到。一种是机械堆叠法，先制备出两个独立的太阳能电池，一个是高带宽的，一个则是低带宽的。然后把高带宽的堆叠在低带宽的电池上面；另一种是一体化的方法，先制备出一个完整的太阳能电池，再在该电池上生长或直接沉积在第二层电池。根据相关理论计算，对于叠层太阳能电池，最佳的顶、底层太阳能电池的光吸收层的能隙分别为1.7eV和1.0eV。
铜铟镓硒Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池，其光吸收效率高、户外性能稳定，是目前国际上太阳电池的研究重点，实验室单个电池转换效率高达20％。铜铟硒化合物具有性能长期稳定，抗辐射能力强，制备的电池不存在光致衰退，被一致认为是硅材料的最佳替代者及下一代空间电源的候选者。CIS薄膜的一个重要特性是具有承受标准配比(I，III和VI族成分的比例)变化的能力，具有可改变合金成分所带来的设计上的灵活性，其能隙可通过用Ga和Al部分取代In，或用S部分取代Se来进行调节。CIGS能隙的可调节性还可用来研制多节、叠层太阳能电池。通过调节Ga的成分比率，CIGS薄膜能隙可调至1eV，低能隙的CIGS太阳能电池是叠层太阳能电池的底电池的最佳候选者。
由于传统的一体化的叠层太阳能电池是先制备出一个完整的太阳能电池，再在该电池上直接沉积在第而层电池。在已制备完毕的电池上再开始制备另一太阳能电池的各功能层，由于太阳能电池大都对温度、材料交叉污染十分敏感，而太阳能电池的制备往往涉及沉积不同材料及高温工艺。因此这种早期一体化结构的叠层太阳能电池有局限性、有固有缺陷。一体化叠层电池的结构需要优化、简化，结构设计应使顶、底层太阳能电池各功能层的制备能不受彼此干扰、顺利进行，同时还需要尽量简化工艺、降低成本，制备出高效价廉的太阳能电池，从而使得太阳能电池能最终得到广泛应用。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种光谱吸收范围宽，光吸收利用效率高，光电转换效高的高效叠层太阳能电池。
本发明的另一目的在于提供一种高效叠层太阳能电池的制备方法，它可使顶、底层太阳能电池各功能层的制备能彼此不受干扰，并优化顶层、底层太阳能电池，简化相关工艺，极大地提高叠层太阳能电池的光电转换效率，提高太阳能电池的质量和性能。
本发明提供的高效叠层太阳能电池，由顶层太阳能电池和底层太阳能电池的透明电极用密封胶黏结而成，或者顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个终端结构的叠层太阳能电池。实现对太阳能电池的最佳匹配，极大的提高太阳能电池的光电转换效率，提高太阳能电池的质量和性能。
本发明提供的高效叠层太阳能电池，其中顶层太阳能电池是用宽禁带Cd1-xZnxTe薄膜作光吸收层制成的太阳电池，Cd1-xZnxTe薄膜的禁带宽度在1.7eV左右，x值为0.65～0.75，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光。
本发明提供的高效叠层太阳能电池，其中顶层太阳能电池还可以是用宽禁带CuGaSe2(CGS)薄膜作光吸收层制成的太阳电池，CuGaSe2(CGS)薄膜的禁带宽度在1.7eV左右，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光。
本发明提供的高效叠层太阳能电池，其中底层太阳能电池是用Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜作光吸收层制成的太阳电池，Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜的禁带宽度在1.0eV左右，用于吸收太阳光能谱中波长较长的光。
本发明提供的高效叠层太阳能电池，其中密封胶为环氧树脂。
本发明提供的CdZnTe/CIGS高效叠层太阳能电池的制备方法，包括以下几个步骤：
(1)底层太阳能电池的制备：按照制作CIGS太阳能电池的溅射后硒化法，制备出单层窄带隙CIGS薄膜太阳电池；
(2)单层宽禁带薄膜(Cd1-xZnxTe)太阳能电池的制备；
(3)窄禁带CIGS太阳能薄膜电池作为底层，玻璃一面的朝下；宽禁带CdZnTe薄膜太阳能电池作为顶层，玻璃一面朝上，用密封剂把顶层和底层面对面密封起来；
(4)分别从顶层电池和底层电池个引出一对电极，形成高效叠层太阳能电池。
本发明提供的CGS/CIGS高效叠层太阳能电池的制备方法，包括以下几个步骤：
(1)底层太阳能电池的制备：按照制作CIGS太阳能电池的溅射后硒化法，在同一玻璃基片上同时制备出底层宽带隙CGS和顶层窄带隙CIGS薄膜太阳电池；
(2)利用磁控溅射在分别在顶层和底层ZnO:Al上制备金属Al电极作为顶层太阳能电池的上电极和底层太阳能电池的背电极，形成高效叠层太阳能电池。
本发明的高效叠层太阳能电池结构基本特征在于：
(1)由两层带隙不同的电池叠加而成，顶层是利用宽禁带Cd1-xZnxTe薄膜作光吸收层制成的太阳能电池，底层是用窄禁带Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜作光吸收层制成的太阳能电池。Cd1-xZnxTe薄膜的禁带宽度在1.7eV左右，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光；Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜的禁带宽度在1.0左右，用于吸收太阳光能谱中波长较长的光。
(2)用密封胶将高效叠层太阳电池的顶层和底层的透明电极面对面结合起来，构成一个体化叠层太阳电池。
(3)用四个终端结构代替传统的一体化叠层电池的两个终端结构，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极。
(4)顶层是利用宽禁带化合物半导体CuGaSe2(CGS)薄膜作光吸收层制成的太阳能电池，底层是用窄禁带Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜作光吸收层制成的太阳能电池。CuGaSe2薄膜的禁带宽度在1.7eV左右，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光；Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜的禁带宽度在1.0左右，用于吸收太阳光能谱中波长较长的光。
(5)上述CGS/CIGS叠层太阳能电池，顶层CGS电池和底层CIGS电池是利用一块双面FTO玻璃同时进行各自功能薄膜层的制备，该叠层电池的连接方式共用同一块玻璃基板，并从顶层和底层太阳电池各自引出一对电极构成四个终端结构的一体化叠层太阳能电池。
通过调节顶层光吸收层及低层光吸收层的厚度，可以使得叠层太阳能电池的光电转换效率在25％～30％之间。
本发明高效叠层太阳能电池有效地改善单个太阳能电池光谱吸收范围窄，光吸收利用效率低的问题，有效地提高了太阳能电池对光谱的吸收效率，提高了光电转换效率。本发明提出的利用密封剂把顶、低电池的透明导电层面对面密封起来，制作一体化叠层太阳能电池的方法和工艺，使得顶、低电池能够被各自独立制备出来，彼此不受影响，克服了传统的一体化的叠层太阳能电池的局限性、和固有缺陷。另一方面，本发明提出在双面FTO玻璃上制备叠层电池的结构和制备工艺可以让顶、底层太阳能电池同时进行相关薄膜层的制备及高温处理过程，只需一步高温处理，避免了高温工艺对温度敏感层的影响，克服了传统的一体化叠层电池所面临的高温工艺困境。而且顶、底层太阳能电池同时制备，简化了工艺、降低了成本，可制备出高效太阳能电池，其光电转换效率可高达25％～30％。
附图说明
图1是本发明提供的高效叠层太阳能电池结构示意图；
图2是底层CIGS薄膜太阳电池结构；
图3是顶层CdZnTe薄膜太阳电池结构；
图4是利用双面FTO玻璃制备的CGS/CIGS高效叠层太阳能电池结构示意图；
图5是叠层太阳能电池的光电转换效率与顶层CGS光吸收层及低层CIGS光吸收层的厚度的关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方法作进一步说明。
本发明提供的高效叠层太阳电池由下而上，它主要包括窄禁带Cu(In，Ga)Se2光吸收层(能隙约为1.0eV)、窗口层1、透明电极、宽禁带化合物半导体光吸收层(能隙约为1.7eV)、窗口层2。
下面结合一个具体实施例对本发明所述的一体化叠层太阳能制作工艺方法进行说明：
实施例1：CdZnTe/CIGS叠层太阳能电池的制备
1、窄禁带Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜太阳电池的制作
(1)按照制作CIGS太阳电池的溅射后硒化法，制备出单层窄带隙CIGS薄膜太阳电池。(2)玻璃衬底依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，再用纯氮吹干。利用磁控溅射系统溅射一层1μm左右的金属钼作为电池的背电极；(3)在钼薄膜上通过溅射铜铟合金靶，镀上一层约0.6μm的铜铟预制层，然后利用两步法硒化，第一步硒化温度为200℃，时间25mins，第二步硒化温度为450℃，时间25mins，得到能隙为1.0eV的铜铟硒薄膜，厚度在0.8μm之间；(4)利用水浴法制备厚度约50nm的CdS；(5)利用磁控溅射一层厚度约1000nm的ITO作为透明导电层。溅射压强0.5Pa，溅射功率200W，薄膜具有非常好的透光率，约90％。CdS/ITO可视为图的窗口层1。
2、宽禁带薄膜(Cd1-xZnxTe)太阳电池的制作
利用水浴法标准工艺在FTO玻璃上制备厚度约50nm的CdS，形成CdS/Sn02:F/玻璃结构，CdS薄膜层可视图1中的窗口层2；(2)利用金属有机化学气相沉积MOCVD方法在图1中的窗口层2上制备出宽禁带宽度的Cd1-xZnxTe薄膜.。用H2作为载气，二甲基镉(DMCd)、二乙基锌(DEZn)、二异丙基碲(DIPTe)分别作为隔Cd、锌Zn、碲Te源，以CdS/Sn02:F/玻璃为基片，通过精确控制基片温度、DMCd，DEZn，DIPTe的流量、以及DMCd/DEZn和(DMCd+DEZn)/DIPTe的摩尔比值，后者简称为II/VI比值，获得带宽在1.7eV左右的Cd1-xZnxTe薄膜。沉积过程中，基片的温度为400C，DMCd的流量固定在1.5×10-5mol/min，II/VI比值为1.4，DMCd/DEZn的摩尔比值为1.25，H2的流量为4.5l/min。(3)最后利用磁控溅射一层厚度约1000nm的ITO作为透明导电层。溅射压强0.5Pa，溅射功率200W，薄膜具有非常好的透光率，约90％。
3、用密封剂把两个薄膜电池的透明导电层面对面密封起来，形成一个叠层结构电池。窄禁带CIGS太阳薄膜电池作为下层电池，玻璃一面的朝下；宽禁带CdZnTe薄膜太阳作为上层电池，玻璃一面朝上。
4、分别从顶层太阳能电池和底层太阳能电池引出一对电极，制备成高效叠层太阳能电池。
实施例2：CGS/CIGS叠层太阳能电池
按照制作CIGS系列太阳电池的溅射后硒化法，同时制备出宽带隙CGS和窄带隙CIGS薄膜太阳电池。(1)将一双面FTO玻璃衬底依次用丙酮、酒精、去离子水分别超声清洗15分钟，再用氮气吹干；(2)首先在双面FTO玻璃的上SnO2:F膜层上利用通过溅射铜镓合金靶，镀上一层约0.6μm的铜镓预制层，然后在双面FTO玻璃的下SnO2:F膜层上通过溅射铜铟合金靶，镀上一层约0.6μm的铜铟预制层，最后利用两步法对铜镓预制层、铜铟预制层同时进行硒化，第一步硒化温度为250℃，时间30mins，第二步硒化温度为400℃，时间30mins，得到CuGaSe2、CuInSe2薄膜，厚度为0.8μm之间；(3)利用水浴法同时在CGS、CIGS薄膜上制备厚度约50nm的CdS；(4)利用磁控溅射在双面CdS膜层上制备厚度约50nm的本征i-ZnO，紧接着用磁控溅射制备300nm厚的掺杂ZnO:Al作为透明导电层。溅射压强0.1-1Pa，溅射功率200W，薄膜具有非常好的透光率，约90％；(5)将一个掩膜板放在顶层ZnO:Al上，利用磁控溅射在顶、底层ZnO:Al上制备金属Al电极，分别作为顶电池的上电极(栅极)和底层电池的背电极。通过调节顶层光吸收层及低层光吸收层的厚度，可以使得叠层太阳能电池的光电转换效率在25％～30％之间。

Claims (7)

1.一种高效叠层太阳能电池，其特征在于由顶层太阳能电池和底层太阳能电池的透明电极用密封胶黏结而成，或顶层和底层共用同一块玻璃基板，从顶层太阳电池引出一对电极，同时从底层太阳电池引出另一对电极，构成四个终端结构的高效叠层太阳能电池。
2.如权利要求1所述的高效叠层太阳能电池，其特征在于顶层太阳能电池是用宽禁带Cd1-xZnxTe薄膜作光吸收层制成的太阳电池，Cd1-xZnxTe薄膜的禁带宽度在1.7eV左右，x值为0.65～0.75，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光。
3.如权利要求1所述的高效叠层太阳能电池，其特征在于顶层太阳能电池是用宽禁带CuGaSe2(CGS)薄膜作光吸收层制成的太阳电池，CuGaSe2(CGS)薄膜的禁带宽度在1.7eV左右，主要吸收太阳光能谱中波长较短的光。
4.如权利要求1所述的高效叠层太阳能电池，其特征在于底层太阳能电池是用Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜作光吸收层制成的太阳电池，Cu(In，Ga)Se2(CIGS)薄膜的禁带宽度在1.0eV左右，用于吸收太阳光能谱中波长较长的光。
5.如权利要求1所述的高效叠层太阳能电池，其特征在于密封胶为环氧树脂。
6.如权利要求2所述的高效叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)底层太阳能电池的制备：按照制作CIGS太阳能电池的溅射后硒化法，制备出单层窄带隙CIGS薄膜太阳电池；
(2)单层宽禁带薄膜(Cd1-xZnxTe)太阳能电池的制备；
(3)窄禁带CIGS太阳能薄膜电池作为底层，玻璃一面的朝下；宽禁带CdZnTe薄膜太阳能电池作为顶层，玻璃一面朝上，用密封剂把顶层和底层面对面密封起来；
(4)分别从顶层电池和底层电池个引出一对电极，形成高效叠层太阳能电池。
7.如权利要求3所述的高效叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)底层太阳能电池的制备：按照制作CIGS太阳能电池的溅射后硒化法，在同一玻璃基片上同时制备出底层宽带隙CGS和顶层窄带隙CIGS薄膜太阳电池；
(2)利用磁控溅射在分别在顶层和底层ZnO:Al上制备金属Al电极作为顶层太阳能电池的上电极和底层太阳能电池的背电极，形成高效叠层太阳能电池。
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