CN102104087B - 一种柔性薄膜太阳能电池制备方法 - Google Patents

一种柔性薄膜太阳能电池制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种柔性薄膜太阳能电池制备方法，在传统的薄膜太阳能电池制作基础上，其中关键技术就是在硬性衬底和薄膜太阳能电池之间生长牺牲层。利用共蒸发、溅射或化学技术在硬性衬底上形成一层牺牲层。通过剥离处理牺牲层使得薄膜太阳能电池从硬性衬底上转移到柔性衬底上。具有高效率、高稳定的优势，又发挥了柔性衬底节约材料容易加工的特点，减少工艺步骤，降低成本，适合大规模生产。

Description

一种柔性薄膜太阳能电池制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池制作方法，特别涉及一种柔性薄膜太阳能电池制备方法。
背景技术
在该技术领域，目前研究最多的太阳能电池有硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池和染料敏化太阳能电池。硅材料的研究主要受益于微电子行业的高速发展，这很大地促进了单晶硅制备技术的提高，直接促进了太阳能电池转换效率的提高，其技术是现在最成熟的。
在实验室里其效率最高可达到24%，商品电池的效率为17%。但是高纯晶体硅的提炼是一个高成本、高污染的过程，为了节省硅材料成本，发展了多晶硅和非晶硅薄膜电池，但是其转换效率不高、存在光衰减等缺陷仍然制约有硅太阳能电池的发展。 
作为化合物半导体太阳能电池的代表，铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池具有高效率、低成本、无光衰退、适合大规模生产等优点，已经成为太阳能主要发展的方向。德国一家太阳能和氢能研究机构ZSW共同研制的采用共蒸发法铜铟镓硒（CIGS）太阳能电池的光电转化效率达到20.3%，创造了新的世界记录，大面积薄膜电池组件的效率已经达到13%。由于柔性衬底具有质量轻，性能稳定，最重要的是其可采用卷对卷（roll-to-roll）生产方式可以大幅度降低生产成本。因此采用柔性衬底是CIGS薄膜电池的发展趋势之一。柔性衬底可以是不锈钢、钛、钼、铜片等金属，也可以是聚合物(聚酰亚胺)。采用柔性衬底可与卷绕技术相结合，大规模制备质量轻、可弯曲的电池。NRE采用共蒸发法，创造了不锈钢衬底上小面积电池效率17．5％；德国Hahn—Meitner-Institute在钛衬底上共蒸发得到CIGS电池效率为16．2％；美国GlobalSolar公司0．4MW中试线生产不锈钢衬底上小面积电池效率为12．5％；ETH(SWI)采用共蒸发法在聚合物衬底上制得的CIGS电池效率为12．8％。日本的产业技术综合研究所已确认该公司采用柔性底板的CIGS型太阳能电池实现了17.7％的单元转换效率世界记录。这一效率值在柔性CIGS型太阳能电池中估计达到了全球最高水平。研究表面在制造柔性CIGS型太阳能电池时，存在p型半导体形成方面的问题。CIGS型太阳能电池的p型半导体的载流子密度由添加钠（Na）等碱金属来进行控制。 此次，产总研开发出了“Alkali-silicate Glass Thin Layer（ASTL）法”，该技术首先在底板上形成硅酸盐玻璃层，然后通过控制该层的成膜条件来控制经过背面电极层扩散至光吸收层的碱金属量。这样一来，便能够轻松地添加碱金属，并使再现性得到提高，从而大幅提高了太阳能电池的转换效率，但是控制条件复杂并且提高了制作成本。 
制作高性能的太阳能电池，衬底温度要求始终高于350℃，并对衬底的膨胀系数、表面粗糙度、化学稳定性都有要求。硬性玻璃衬底不仅满足上述条件并且加入钠可以向吸收层自发的扩散实现钠的渗入以改进太阳能电池的电学性质，所以柔性衬底太阳能电池转换效率始终低于传统硬性太阳能电池转换效率。但硬性衬底易碎并且无灵活性严格限制了其应用。
发明内容
本发明是针对现在制作高性能太阳能电池制作条件要求高的问题，提出了一种柔性薄膜太阳能电池制备方法，在传统的薄膜太阳能电池制作基础上，其中关键技术就是在硬性衬底和薄膜太阳能电池之间生长牺牲层。利用共蒸发、溅射或化学技术在硬性衬底上形成一层牺牲层。通过剥离处理牺牲层使得薄膜太阳能电池从硬性衬底上转移到柔性衬底上。这样既有利于制作高效的太阳能电池，又发挥了柔性衬底的优势。且制造成本低、设备简单。
本发明的技术方案为：一种柔性薄膜太阳能电池制备方法，具体包括以下步骤：
a)牺牲层制作：采用真空蒸发法在玻璃、硅片硬质材料衬底上蒸发、溅射沉积或化学沉积方法制备10-1000nm的牺牲层；
b)太阳能电池薄膜制作：采用溅射或真空蒸发或化学合成方法在长有牺牲层的硬质衬底上生长高性能薄膜太阳能电池结构；
c)和柔性衬底粘合：将柔性衬底在干燥的环境下与步骤2）所得薄膜太阳能电池结构粘合；
d)剥离处理：将粘合后的夹层结构，即柔性衬底、太阳能电池、硬质衬底，在常温下剥离，经过一段时间后薄膜从牺牲层处与硬质衬底分离，并形成柔性衬底上的太阳能电池层结构；
e)得到太阳能电池：继续在上述柔性衬底上的太阳能电池结构上完成完整的太阳能电池工艺，得到最终的高性能太阳能电池结构。
所述牺牲层可以是氟化钠层，硅化钠、硫化钠。
所述步骤c）中的粘合过程可以在室温或烘烤条件下进行，同时可以用粘性胶带、银浆辅助进行。
本发明的有益效果在于：本发明柔性薄膜太阳能电池制备方法，具有高效率、高稳定的优势,又发挥了柔性衬底节约材料容易加工的特点，减少工艺步骤，降低成本。适合大规模生产。
附图说明
图1为本发明柔性薄膜太阳能电池制备方法实施例1图；
图2为本发明柔性薄膜太阳能电池制备方法实施例2图；
图3为本发明柔性薄膜太阳能电池制备方法实施例3图。
具体实施方式
传统的薄膜太阳能电池制作基础上，其中关键技术就是在硬性衬底和薄膜太阳能电池之间生长牺牲层。利用共蒸发、溅射或化学技术在硬性衬底上形成一层牺牲层。通过剥离处理牺牲层使得薄膜太阳能电池从硬性衬底上转移到柔性衬底上。
具体包括以下步骤：
a)牺牲层制作：所用牺牲层可以是但不限于氟化钠层，硅化钠、硫化钠；采用真空蒸发法在玻璃、硅片等硬质材料衬底上蒸发、溅射沉积或化学沉积方法制备10-1000nm的牺牲层。
b)太阳能电池薄膜制作：采用溅射或真空蒸发或化学合成方法在长有牺牲层的硬质衬底上生长高性能薄膜太阳能电池结构，如Mo电极，CIGS吸收层,CdS, ZnO，Ni/Al电极层等。
c)和柔性衬底粘合：将柔性衬底在干燥的环境下与上述薄膜太阳能电池结构粘合，粘合过程可以在室温或烘烤条件下进行，同时可以用粘性胶带、银浆等辅助进行，粘合完成后也可以采用各种加固技术。
d)剥离处理：将粘合后的夹层结构（即柔性衬底+太阳能电池+硬质衬底）在常温下剥离，经过一段时间后薄膜从牺牲层处与硬质衬底分离，并形成柔性衬底上的太阳能电池层结构。所述薄膜与硬性衬底的剥离可以放入适合的溶液中也可以是用其它剥离方法。
e)得到太阳能电池：继续在上述柔性衬底上的太阳能电池结构上完成完整的太阳能电池工艺，如用Mo或ITO导电玻璃层等作为背电极，采用丝网印刷、光刻、电子束蒸发、电子镀等制作前电极，得到最终的高性能太阳能电池结构。所述太阳能电池工艺以不破坏牺牲层为前提；或者以特殊的保护工艺来防止太阳能电池工艺对牺牲层可能存在的破坏作用；具体的工艺参数条件可以根据所选硬质衬底、牺牲层材料和最优太阳能电池性能的需要共同决定。
如图1、2、3所示方法中包括硬性衬底1、透明柔性衬底2、牺牲层3、Mo电极4、CIGS吸收层5、电极层6、粘合剂7、CdTe太阳能电池构件8。
如图1所示，柔性薄膜太阳能电池制备方法实施例1，采用真空蒸发法在玻璃硬质材料衬底1上蒸发10-500nm的牺牲层。蒸发环境压力为1.2×10-3Pa，硬性衬底温度为常温，溅射电压1-10万伏，溅射时间数分钟。采用真空蒸发在长有牺牲层的玻璃硬质衬底上生长高性能薄膜太阳能电池结构，如Mo电极，CIGS吸收层,CdS, ZnO，Ni/Al电极层等。将柔性衬底在干燥的环境下与上述薄膜太阳能电池结构粘合，粘合完成后也可以采用各种加固技术。将粘合后的夹层结构（即柔性衬底+太阳能电池+硬质衬底）在常温下放入合适的溶液中，经过一段时间后薄膜从牺牲层处与硬质衬底分离，并形成柔性衬底上的太阳能电池层结构，得到最终的高性能太阳能电池结构。
如图2所示柔性薄膜太阳能电池制备方法实施例2，薄膜太阳能电池CIGS吸收层制作方法，采用真空蒸发法在玻璃硬质材料衬底1上蒸发10-200nm的牺牲层，工艺标准如上所述。采用真空蒸发在长有牺牲层的硬质衬底上生长Mo电极和高性能薄膜太阳能电池吸收层CIGS。将柔性衬底在干燥的环境下与上述薄膜太阳能电池结构用胶带粘合。将粘合后的夹层结构（即柔性衬底+CIGS+硬质衬底）在常温下放入溶剂中，经过一段时间后薄膜从牺牲层处与硬质衬底分离，并形成柔性衬底上的CIGS吸收层。然后再继续依次生长CdS, ZnO，ZAO，Ni/Al电极层等。
如图3所示柔性薄膜太阳能电池制备方法实施例3，CdTe太阳能电池制作方法，采用真空蒸发法在玻璃硬质材料衬底1上蒸发10-200nm的牺牲层，工艺标准如上所述。在牺牲层上生长CdTe薄膜太阳能电池构件，将柔性衬底在干燥的环境下与上述薄膜太阳能电池结构用胶带粘合。将粘合后的夹层结构（即柔性衬底+CdTe太阳能电池+硬质衬底）在常温下放入溶液中，经过一段时间后薄膜从牺牲层处与硬质衬底分离，并形成柔性衬底上的CdTe薄膜太阳能电池。

Claims (1)

1.一种柔性薄膜太阳能电池制备方法，具体包括以下步骤：
a)牺牲层制作：采用真空蒸发法在玻璃、硅片硬质材料衬底上蒸发、溅射沉积或化学沉积方法制备10-1000nm的牺牲层；
b)太阳能电池薄膜制作：采用溅射或真空蒸发或化学合成方法在长有牺牲层的硬质衬底上生长高性能薄膜太阳能电池结构；
c)和柔性衬底粘合：将柔性衬底在干燥的环境下与步骤2）所得薄膜太阳能电池结构粘合；所述粘合在室温或烘烤条件下进行，同时用粘性胶带、银浆辅助进行；
d)剥离处理：将粘合后的夹层结构，即柔性衬底、太阳能电池、硬质衬底，在常温下剥离，经过一段时间后薄膜从牺牲层处与硬质衬底分离，并形成柔性衬底上的太阳能电池层结构；
e)得到太阳能电池：继续在上述柔性衬底上的太阳能电池结构上完成完整的太阳能电池工艺，得到最终的高性能太阳能电池结构；其特征在于，所述牺牲层为氟化钠层或硅化钠或硫化钠。
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