CN101165923A - 柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其制备方法。本发明属于太阳电池技术领域。柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，为多层膜结构，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极，其特征是：衬底层为柔性金属材料或聚酰亚胺。柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极的制备，其特点是：衬底用柔性金属或聚酰亚胺膜，清洗柔性衬底，将衬底置入真空中，进行辉光处理后，磁控溅射沉积0.5－1.5μm厚的底电极Mo。本发明的太阳电池具有不怕弯曲、高光电转换效率和高质量比功率等优点，制备方法简单独特、易于卷对卷大面积、大规模连续生产，应用范围广泛。

Description

柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，特别是涉及一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其制备方法。
背景技术
现有的铜铟镓硒薄膜太阳电池，是在20世纪80年代后期开发出来的新型太阳电池，典型结构为如下的多层膜结构：衬底/底电极/吸收层/缓冲层/窗口层/减反射膜/上电极。
铜铟镓硒薄膜太阳电池采用玻璃为衬底，直接在玻璃上用溅射法制备底电极Mo。采用玻璃为衬底的铜铟镓硒薄膜太阳电池虽然具有材料成本较低，目前工艺技术较成熟的优点，但是由于玻璃为刚性衬底，限制了铜铟镓硒薄膜太阳电池的应用领域。
在玻璃衬底上一般采用磁控溅射法制备Mo底电极，而在玻璃上制备的底电极Mo与玻璃衬底的结合不好，尤其是在吸收层金属预制层的高于550℃温度的制备过程、吸收层的硒化或硫化过程以及缓冲层的化学浴方法制备过程中Mo底电极容易剥落、爆皮，影响铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备及其性能。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提供了一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池及其制备方法。
本发明的目的之一是提供一种底电极既与衬底具有良好结合，又具有高电导特性、高光电转换效率的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池。
本发明的目的之二是提供一种安全稳定、工艺过程简单、便于采用卷对卷大面积、大规模生产柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的制备方法。
本发明铜铟镓硒薄膜太阳电池以柔性金属(钛箔、不锈钢箔)或聚酰亚胺膜等柔性材料作为衬底，在柔性衬底上用磁控溅射法制备双层膜或者增加金属/金属氧化物过渡层的方法制备底电极Mo，由此来制得柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池的既与衬底具有良好结合，又具有高的电导特性提高太阳电池的光电转换效率的底电极。
铜铟镓硒薄膜太阳电池，由衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极构成。本发明采用柔性衬底，包括柔性金属(钛箔/不锈钢)或聚酰亚胺。在底电极的制备方面，本发明提出在柔性衬底上增加金属或金属氧化物过渡层以及Mo的双层膜结构来改善底电极与衬底的结合性以及电学性能。
在柔性衬底上采用溅射方法制备底电极Mo，如若在较高氩气压强下制备金属Mo层，则可得到与衬底结合良好的底电极，但电阻较高，为50-250μΩcm，不能很好地满足薄膜太阳电池对底电极的电导要求会影响太阳电池的转换效率；若在较低的氩气压强下制备金属Mo层，则得到的底电极电阻小，为10-15μΩcm，但与衬底的结合差，容易剥落、爆皮。因此，本发明采用双层膜结构，首先在靠近衬底采用在较高氩气压强下溅射Mo使其与衬底有良好附着，再在较低的氩气压强下溅射Mo，使其具有高电导率，满足薄膜太阳电池的要求。
在采用柔性衬底的铜铟镓硒薄膜太阳电池上溅射底电极Mo之前，首先在底电极与衬底之间制备金属(如Cr)或金属氧化物(如Al2O3)过渡层，不仅可以使Mo底电极与衬底具有良好的附着以及与吸收层形成良好界面，而且可以显著提高薄膜太阳电池的填充因子、开路电压、短路电流和光电转换效率，提高了电池性能。
本发明柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池采用如下技术方案：
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，为多层膜结构，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极，其特征是：衬底层为柔性金属材料或聚酰亚胺。
本发明柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池还可以采用如下技术措施：
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特点是：衬底厚为10-100μm，柔性金属材料为钛箔或不锈钢箔。
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特点是：衬底上有双层膜底电极Mo。
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特点是：衬底上有0.1-3μm厚的金属Cr，金属Cr层上有底电极Mo。
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特点是：衬底上有0.5-5μm厚的Al2O3过渡层，Al2O3过渡层上有底电极Mo。
本发明柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法采用如下技术方案：
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极的制备，其特点是：衬底用柔性金属或聚酰亚胺膜，清洗柔性衬底，将衬底置入真空中，进行辉光处理后，磁控溅射沉积0.5-1.5μm厚的底电极Mo。
本发明柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法还可以采用如下技术措施：
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特点是：衬底加工厚度为10-100μm，柔性金属材料用钛箔或不锈钢箔。
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特点是：柔性衬底辉光处理后，首先在真空度0.1-10Pa、衬底温度80-200℃条件下，Mo靶溅射2-8min；然后控制真空度0.005-0.05Pa，Mo靶溅射2-8min，得到双层膜底电极Mo。
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特点是：柔性衬底辉光处理后，首先用Cr靶溅射使衬底表面先溅射一层0.1-3μm厚的金属Cr，再用Mo靶溅射底电极Mo。
所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特点是：柔性衬底辉光处理后，首先用Al2O3靶溅射使衬底表面先溅射一层0.5-5μm厚的Al2O3，再用Mo靶溅射底电极Mo。
本发明具有的优点和积极效果：
本发明采用10-100μm厚的柔性金属(钛、不锈钢)和聚酰亚胺膜为衬底制备铜铟镓硒柔性薄膜太阳电池，使铜铟镓硒薄膜太阳电池具有不怕弯曲、易于卷对卷大面积连续生产、高光电转换效率和高质量比功率等优点，为制得重量轻、低成本的空间和地面用太阳电池阵提供可能。因此铜铟镓硒薄膜太阳电池采用柔性衬底后，不仅大大拓展了铜铟镓硒薄膜太阳电池的应用领域，由于其不怕弯曲，可以应用于飞艇、一体化战斗服、救生衣、背包、头盔、帐篷、便携式充电装置等领域；另一方面，采用柔性衬底后，可以提高薄膜太阳电池质量比功率、降低太阳电池阵的重量同时可以采用卷对卷(roll-to-roll)大面积的生产工艺，有利于大规模生产，便于携带和运输，拓展应用范围。
附图说明
图1是柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池结构示意图。
图中，1-上电极，2-减反射膜，3-窗口层，4-缓冲层，5-吸收层，6-底电极，7-衬底。
具体实施方式
为能进一步公开本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实例并结合附图进行详细说明如下。
实施例1
参照附图1。
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，为多层膜结构，包括衬底7、底电极6、吸收层5、缓冲层4、窗口层3、减反射膜2和上电极1，其衬底7层为柔性金属材料钛箔，衬底7厚为10-100μm，衬底7上有双层膜底电极Mo。
实施例2
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，衬底层为厚25μm的聚酰亚胺膜，衬底上有0.3μm厚的金属Cr，金属Cr层上有底电极Mo。其他结构同实施例1。
实施例3
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，衬底层为厚40μm的不锈钢箔，衬底上有2μm厚的Al2O3过渡层，Al2O3过渡层上有底电极Mo。其他结构同实施例1。
实施例4
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极的制备，其衬底用柔性金属钛箔。将钛箔清洗后放入真空室进行辉光处理后，溅射沉积Mo底电极，首先在真空度为5Pa、衬底温度120℃条件下时溅射6min，得到0.4μm厚的与衬底结合良好的Mo；再将氩气流量减少，使真空度达到0.02Pa时溅射5min，得到一层0.3μm厚的具有较小电阻的Mo层，从而得到Mo的双层膜结构。如此可以提高太阳电池的光电转换效率。
实施例5
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，用聚酰亚胺膜替代钛箔衬底，其他与实施例4相同，即制得聚酰亚胺衬底上得底电极Mo得双层膜结构。
实施例6
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，在聚酰亚胺衬底上先用Cr靶溅射一层厚度为1.5μm的金属Cr过渡层，再在其上用Mo靶溅射底电极Mo，可以提高底电极与衬底的结合性。
实施例7
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，在不锈钢箔上先用Al2O3靶制备一层厚度为3μm的金属氧化物Al2O3，再在其上用Mo靶溅射底电极Mo，不仅可以提高底电极与衬底的结合性，而且可以显著提高填充因子、开路电压、短路电流和光电转换效率，将光电转换效率提升约50-90％。
实施例8
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，用聚酰亚胺膜替代不锈钢箔，其他与实施例7相同。与未加过渡层的相比，太阳电池的光电转换效率提高了约30-50％。
实施例9
柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，用钛箔替代不锈钢箔，其他与实施例7相同。与未加过渡层的相比，太阳电池的光电转换效率提高了约5％。

Claims (10)

1.柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，为多层膜结构，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极，其特征是：衬底层为柔性金属材料或聚酰亚胺。
2.根据权利要求1所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征是：衬底厚为10-100μm，柔性金属材料为钛箔或不锈钢箔。
3.根据权利要求1所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征是：衬底上有双层膜底电极Mo。
4.根据权利要求1所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征是：衬底上有0.1-3μm厚的金属Cr，金属Cr层上有底电极Mo。
5.根据权利要求1所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池，其特征是：衬底上有0.5-5μm厚的Al2O3过渡层，Al2O3过渡层上有底电极Mo。
6.根据权利要求1所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，包括衬底、底电极、吸收层、缓冲层、窗口层、减反射膜和上电极的制备，其特征是：衬底用柔性金属或聚酰亚胺膜，清洗柔性衬底，将衬底置入真空中，进行辉光处理后，磁控溅射沉积0.5-1.5μm厚的底电极Mo。
7.根据权利要求6所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特征是：衬底加工厚度为10-100μm，柔性金属材料用钛箔或不锈钢箔。
8.根据权利要求3所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特征是：柔性衬底辉光处理后，首先在真空度0.1-10Pa、衬底温度80-200℃ 条件下，Mo靶溅射2-8min；然后控制真空度0.005-0.05Pa，Mo靶溅射2-8min，得到双层膜底电极Mo。
9.根据权利要求4所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特征是：柔性衬底辉光处理后，首先用Cr靶溅射使衬底表面先溅射一层0.1-3μm厚的金属Cr，再用Mo靶溅射底电极Mo。
10.根据权利要求5所述的柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池制备方法，其特征是：柔性衬底辉光处理后，首先用Al2O3靶溅射使衬底表面先溅射一层0.5-5μm厚的Al2O3，再用Mo靶溅射底电极Mo。
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Assignee: Tianjin Blue Sky Sun Technology Co., Ltd.

Assignor: No.18 Inst., China Electronic Sci-Tech Group Corp.

Contract record no.: 2010120000114

Denomination of invention: A kind of flexible CIGS thin-film solar cell preparation method

Granted publication date: 20091014

License type: Exclusive License

Open date: 20080423

Record date: 20100831

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Owner name: TIANJIN LANTIAN SOLAR TECHNOLOGY CO., LTD.

Effective date: 20120222

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Effective date of registration: 20120222

Address after: Chuang-tzu 300381 Tianjin city Nankai District liqizhuang Ling Road No. 18

Co-patentee after: Tianjin Blue Sky Sun Technology Co., Ltd.

Patentee after: No.18 Inst., China Electronic Sci-Tech Group Corp.

Address before: Chuang-tzu 300381 Tianjin city Nankai District liqizhuang Ling Road No. 18

Patentee before: No.18 Inst., China Electronic Sci-Tech Group Corp.

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Granted publication date: 20091014

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