CN101673777A - 一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特点是该电池由柔性衬底上依次制备碱性硅酸盐薄膜层、下电极层、铜铟镓硒光吸收层、过渡层、本征氧化锌层、掺铝氧化锌层和上电极层而成。本发明与现有技术相比具有较高的电池开路电压和填充因子，大大提高了太阳能电池的光转换效率、寿命、质量和性能，制作工艺简单，生产成本低的优点，使我国的太阳能电池能进一步得到广泛的应用和推广。

Description

一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能光伏电池，具体地说是一种高光电转换效率的柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
背景技术
在人类进入二十一世纪，环境污染和能源短缺已愈来愈制约着社会的可持续发展，太阳能等可再生能源技术代表了清洁能源的发展方向，作为最具可持续发展理想特征的太阳能光伏发电将进入人类能源结构并成为基础能源的重要组成部分。预计到2030年，光伏发电将成为新能源利用中占重要份额的组成部分，而太阳能电池制备技术是光伏发电产业发展的基础。太阳能电池的种类，依材料可分为硅、化合物半导体及有机半导体等材料，依材料制备型态则可分为块状及薄膜型。
铜铟镓硒Cu(In，Ga)Se2(CIGS)化合物薄膜太阳电池，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，实验室的转换效率高达19.9％(小面积：0.419cm2)。CIGS化合物具有承受标准配比(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，而且其性能长期稳定，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。CIGS吸收层是CIGS太阳电池的核心，制备出高质量的CIGS吸收层是获得高性能太阳电池的关键。要获得高质量的CIGS吸收层需要满足两个条件：高温沉积CIGS吸收层，衬底的温度在沉积CIGS吸收层时必须有部分阶段达到500-600℃；其次CIGS吸收层内部含有约0.1at.％的Na元素，它能显著提高CIGS太阳电池的效率和重复性。
目前，人们主要利用纳钙玻璃基片做为衬底材料，采用多元共蒸发法或磁控溅射法成膜工艺制备CIGS薄膜太阳能电池，Na的掺入是通过纳钙玻璃衬底内的Na通过背电极Mo扩散到CIGS层内或蒸发含Na物质预置层来实现。两种物理气相制备方法都涉及在H2Se气氛下，对金属预置层铜铟镓CuInGa及硒膜，进行加热硒化。采用H2Se进行硒化的缺点是H2Se的毒性很大，因此对于大规模生产环境的人们十分危险。另外，传统的CIGS薄膜太阳能电池采用刚性的玻璃基底和钼作为背电极，由于玻璃和钼的热膨胀系数的差异，直接在玻璃上溅射的钼电极和后续制备的铜铟镓硒吸收层在高温褪火处理会很容易出现皲裂、剥落的现象，从而严重影响电池的性能。玻璃基片的使用还导致所生产的电池板或组件笨重、不易安装或携带。柔性ClGS薄膜太阳电池不但具有质量轻、可弯曲、不怕摔碰、功率高、显著降低发射成本等优点，而且在空间高能粒子的辐照下具有很好的稳定性，在空间领域具有很强的应用前景。另外，柔性衬底太阳电池可采用绕带式沉积，利于实现大规模生产，并显著降低生产成本。因此，采用轻质柔性基板如不锈钢、钛、不锈钢、氧化锆或聚酰亚胺等为衬底，研制高效率轻质柔性ClGS薄膜太阳电池是突破传统的光伏电池的应用受地域、时间、空间等环境因素制约的关键技术，  对于推动光伏产业的发展意义十分重大。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，它采用柔性衬底有效地改善了铜铟镓硒薄膜的制作工艺，提高了电池的开路电压和填充因子及铜铟硒太阳能电池的光转换效率，结构简单，制作方便，无污染，稳定性能好。
实现本发明的具体技术方案是：一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特点是该电池由柔性衬底上依次制备碱性硅酸盐薄膜层、下电极层、铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层、过渡层、本征氧化锌(ZnO)层、掺铝氧化锌(AZO)层和上电极层而成。
所述柔性衬底为钛、合金铝、钼、不锈钢、氧化锆或聚酰亚胺薄片，采用功率为20～50W的等离子体对其进行辉光处理，薄片厚度为20～200um。
所述碱性硅酸盐薄膜层采用磁控溅射法在柔性衬底上制备厚度为100～150nm含钠的碱性硅酸盐薄膜，其溅射靶材为含纳的玻璃，溅射压力为1.0～2.0Pa，射频功率为150～300W，沉积时间为40～90分钟。
所述下电极层采用Cu/Mo(铜/钼)合金，其膜层厚度为800nm～1um。
所述铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层采用CuInGaSe四元单靶加温磁控溅射法或多靶溅射沉积CuInGa预制层，然后利用固体硒粉两步法对预制层进行硒化制备黄铜矿相铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层，其膜层厚度为1.5～2.5um。
所述过渡层为水浴法制备的CdS或ZnS层，其膜层厚度为40～60nm。
所述本征氧化锌(ZnO)层和掺铝氧化锌(AZO)层采用RF磁控溅射法制备，本征氧化锌(ZnO)层厚度为50～100nm，掺铝氧化锌(AZO)层厚度为600～2000nm。
所述上电极层采用铝(Al)或银(Ag)，其膜层厚度为2～10um。
所述CuInGaSe四元单靶为CuIn1-xGaxSey，合金靶，其中x值为：0.2～0.35，y值为：2～5，衬底温度为：450～550℃。
所述CuInGa预制层采用原子比为1∶1.0～1.3的CuIn合金靶材和原子比为1∶0.5～1的CuGa合金靶材，通过共溅或交替溅射制备CuIn/CuGa/……/CuIn/CuGa纳米级交替预制层，然后利用固体硒粉两步法对铜铟镓预制层进行硒化。
本发明与现有技术相比具有较高的电池开路电压和填充因子，制作工艺简单，生产成本低的优点，大大提高了太阳能电池的光转换效率、寿命、质量和性能，使我国的太阳能电池能进一步得到广泛的应用和推广。
附图说明
图1为本发明结构示意图
具体实施方式
参阅附图1，本发明由柔性衬底1上依次制备碱性硅酸盐薄膜层2、下电极层3、铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层4、过渡层5、本征氧化锌(ZnO)层6、掺铝氧化锌(AZO)层7和上电极层8而成的柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池。
上述柔性衬底1为钛、合金铝、钼、不锈钢、氧化锆或聚酰亚胺薄片，采用功率为20～50W的等离子体对其进行辉光处理，薄片厚度为20～200um。
上述碱性硅酸盐薄膜层2采用磁控溅射法在柔性衬底1上制备厚度为100～150nm含钠的碱性硅酸盐薄膜层2，其溅射靶材为含纳的各种玻璃，溅射压力为1.0～2.0Pa，射频功率为150～300W，沉积时间为40～90分钟。
上述下电极层3采用Cu/Mo(铜/钼)合金，其膜层厚度为800nm～1um。
上述铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层4采用CuInGaSe四元单靶加温磁控溅射法或多靶溅射沉积CuInGa预制层，CuInGa预制层采用原子比为1∶1.0～1.3的CuIn合金靶材和原子比为1∶0.5～1的CuGa合金靶材，通过共溅或交替溅射制备CuIn/CuGa/……/CuIn/CuGa纳米级交替的预制层，然后利用固体硒粉两步法对铜铟镓预制层进行硒化制备黄铜矿相铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层4，其膜层厚度为1.5～2.5um。CuInGaSe四元单靶为CuIn1-xGaxSey，合金靶，其中x值为：0.2～0.35，y值为：2～5，衬底温度为：450～550℃。
上述过渡层5为CdS或ZnS层，采用水浴法制备，其膜层厚度为40～60nm。
上述本征氧化锌(ZnO)层6和掺铝氧化锌(AZO)层7采用RF磁控溅射法制备，本征氧化锌(ZnO)层6厚度为50～100nm；掺铝氧化锌(AZO)层7厚度为600～2000nm。
上述上电极层8采用铝(Al)或银(Ag)，其膜层厚度为5nm。
实施例1
下面以聚酰亚胺为柔性衬底制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池的具体实施例对本发明做进一步的阐述，其具体制备按下述步骤：
(1)以5cm×5cm×100um的聚酰亚胺柔性衬底1依次分别用纯丙酮、无水乙醇和去离子水超声清洗15分钟，然后纯氮吹干备用；
(2)将上述清洗后的聚酰亚胺柔性衬底1置于磁控溅射系统的真空腔内，在纯氩气氛中，用功率为50W的等离子体对其进行辉光处理15分钟；
(3)在压力为1.0Pa，射频功率为200W下，溅射含钠的硅酸盐靶材(Na2O·CaO·5SiO2)靶材50分钟，在聚酰亚胺柔性衬底1上沉积膜层厚度为120nm含钠的碱性硅酸盐薄膜层2；
(4)在压力为0.9Pa，直流150W溅射铜/钼(Cu/Mo)合金靶25分钟，然后调节气压至0.3Pa，直流200W铜/钼(Cu/Mo)合金靶45分钟，在含钠的碱性硅酸盐薄膜层2上制备1.0um厚铜/钼(Cu/Mo)双层结构的下电极层3；
(5)在压力为0.8Pa，直流50W，射频80W同时溅射原子比为1∶1.1的CuIn合金靶材和原子比为1∶0.8的CuGa合金靶材75分钟，在铜/钼(Cu/Mo)双层结构的下电极层3上沉积膜层厚度为1.0um铜铟稼(CuInGa)预制层；
(6)利用固体硒粉，通过两步法对铜铟镓(CuInGa)预制层进行硒化，第一步硒化温度为250℃，时间25分钟，第二步硒化温度为400℃，时间25分钟，硒化后得到铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层4，其膜层厚度为2.0um；
(7)采用水浴法在铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层4上制备厚度约60nm的CdS薄膜过渡层5；
(8)采用射频磁控溅射的方法在CdS薄膜过渡层5上依次制备80nm的高阻本征氧化锌(ZnO)层6和700nm的掺铝氧化锌(AZO)层7，溅射压力为1.0Pa，射频溅射功率150W；
(9)采用电子束蒸发在掺铝氧化锌(AZO)层7上通过掩模沉积铝(Al)膜作为上电极8。
本发明在柔性衬底上制备一层含钠的硅酸盐薄膜，通过共溅射法制备CuInGa金属预制层，利用固体硒粉进行硒化制备高质量的CIGS吸收层，并以Cu/Mo(铜/钼)作为下电极，Cu-Mo合金与铜铟镓硒CIGS薄膜层的粘附着性好以及优良的电导率，而且有效地改善了柔性铜铟镓硒的制作工艺，提高了贵金属铜、铟、硒材料的利用率和铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光转换效率，大大提高了制作工艺的环保性和电池的成品率。

Claims (10)

1、一种柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于该电池由柔性衬底上依次制备碱性硅酸盐层、下电极层、铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层、过渡层、本征氧化锌(ZnO)层、掺铝氧化锌(AZO)层和上电极层而成。
2、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述柔性衬底为钛、合金铝、钼、不锈钢、氧化锆或聚酰亚胺薄片，采用功率为20～50W的等离子体对其进行辉光处理，薄片厚度为20～200um。
3、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述碱性硅酸盐层采用磁控溅射法在柔性衬底上制备厚度为100～150nm含钠的碱性硅酸盐薄膜，其溅射靶材为含纳的玻璃，溅射压力为1.0～2.0Pa，射频功率为150～300W，沉积时间为40～90分钟。
4、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述下电极层采用Cu/Mo(铜/钼)合金，其膜层厚度为800nm～1um。
5、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层采用CuInGaSe四元单靶加温磁控溅射法或多靶溅射沉积CuInGa预制层，然后利用固体硒粉两步法对预制层进行硒化制备黄铜矿相的铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2)光吸收层，其膜层厚度为1.5～2.5um。
6、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述过渡层为水浴法制备的CdS或ZnS层，其膜层厚度为40～60nm。
7、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述本征氧化锌(ZnO)层和掺铝氧化锌(AZO)层采用RF磁控溅射法制备，本征氧化锌(ZnO)层厚度为50～100nm，掺铝氧化锌(AZO)层厚度为600～2000nm。
8、根据权利要求1所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述上电极层采用铝(Al)或银(Ag)，其膜层厚度为2～10um。
9、根据权利要求5所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述CuInGaSe四元单靶为CuIn1-xGaxSey，合金靶，其中x值为：0.2～0.35，y值为：2～5，衬底温度为：450～550℃。
10、根据权利要求5所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳能电池，其特征在于所述CuInGa预制层采用原子比为1∶1.0～1.3的CuIn合金靶材和原子比为1∶0.5～1的CuGa的合金靶材，通过共溅或交替溅射制备CuIn/CuGa/……/CuIn/CuGa纳米级交替预制层，然后利用固体硒粉两步法对铜铟镓预制层进行硒化。
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