CN102231411B - 薄膜型太阳能电池表面自对准电极的制造方法 - Google Patents

薄膜型太阳能电池表面自对准电极的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种薄膜型太阳能电池表面自对准电极的制造方法，在衬底上依次制作形成金属背电极层、光吸收层、缓冲层、高阻层及导电窗口层，并在相应位置开设沟槽，可以得到串联设置的太阳能电池组件。通过采用电镀工艺在第二沟槽的槽底电镀一层用于降低第二沟槽高宽比的金属层，从而使透明电极层更加均匀，电子运输时损耗更小。第二沟槽的槽底为金属背电极层，而采用电镀工艺，可以在直接在槽底的金属背电极层上形成金属层，避免在窗口层等位置也引入金属层而影响太阳能电池的效率。

Description

薄膜型太阳能电池表面自对准电极的制造方法
【技术领域】
本发明涉及光伏电池制造领域，尤其涉及一种薄膜型太阳能电池表面自对准电极的制造方法。
【背景技术】
以黄铜矿结构的化合物半导体铜铟镓硒(Cu(In，Ga)Se2，简称CIGS)薄膜作为光吸收层的薄膜太阳能电池不但具有较高的能量转化效率，而且具有对辐射的稳定性，因而成为光伏电池领域的研究热点之一。
现有的CIGS薄膜太阳能电池结构包括依次层叠的衬底/背电极层/光吸收层/缓冲层/窗口层/透明电极层等，并通过在薄膜上开槽，如在背电极层上开设槽P1，在光吸收层、缓冲层及高阻层上开设槽P2，在光吸收层、缓冲层、高阻层及导电窗口层上开设槽P3，槽P1、P2及P3错开设置，从而将太阳能电池进行分块串联。透明电极层需要沉积在槽P2中，但采用传统的溅射工艺，不可避免的会导致槽P2底部的沉积透明电极层材料要比侧壁的厚，从而造成薄膜沉积不均匀，侧壁导电性能较差，从而增加横向电阻，对电流的传输起到阻碍的作用，减小组件的效率，产生影子效应。
为消除影子效应，可以通过在槽P2的底部沉积金属，减小P2的高宽比。传统的在槽P2的底部沉积金属的方法主要采用丝网印刷银浆，但丝网印刷存在难以对准槽P2的问题，在对不准的时候不但电池的导电性能得不到改进，反而增加了遮光面积影响而影响太阳能电池的效率。
【发明内容】
基于此，有必要提供一种能有效消除影子效应的薄膜型太阳能电池的制造方法。
一种薄膜型太阳能电池的制造方法，包括如下步骤：
在衬底上制作形成金属背电极层，并在所述金属背电极层上开设第一沟槽；
在所述金属背电极层及所述第一沟槽的槽底依次形成光吸收层、缓冲层及高阻层；
在所述光吸收层、缓冲层及高阻层上开设贯穿至所述金属背电极层的第二沟槽，所述第二沟槽与所述第一沟槽错开设置；
对上述制得的结构进行电镀处理，在第二沟槽的槽底电镀金属层；
在所述金属层及所述高阻层上形成导电窗口层，并在所述光吸收层、缓冲层、高阻层及导电窗口层上开设贯穿至所述金属背电极层的第三沟槽，得到所述薄膜型太阳能电池，其中，所述第三沟槽、第二沟槽及第一沟槽错开设置。
在优选的实施方式中，所述金属背电极层为厚度在1μm的Mo金属层。
在优选的实施方式中，所述电镀处理包括如下步骤：将所述制得的结构置于电镀槽中，采用浓度为52g/L的焦磷酸铜、200～350g/L的焦磷酸钾及3～6g/L的硝酸钾的混合液为电解液，混合液的温度控制在40℃，pH在8.0～8.7之间，阳极接Cr电极，阴极接所述Mo金属层，通电电镀2分钟，在所述第二沟槽的槽底电镀一层金属Cu层。
在优选的实施方式中，所述金属Cu层的厚度为1-1.5μm。
在优选的实施方式中，所述光吸收层为厚度在2-2.5μm的Cu(In，Ga)Se2。
在优选的实施方式中，所述缓冲层为厚度在70-90nm的CdS层。
在优选的实施方式中，所述高阻层为厚度在50-70nm的本征ZnO高阻层。
在优选的实施方式中，所述导电窗口层为厚度在0.5-1.5μm的掺Al的ZnO层(AlZnO层)。
通过采用电镀工艺在第二沟槽的槽底电镀一层用于降低第二沟槽高宽比的金属层，从而使透明电极层更加均匀，电子运输时损耗更小。第二沟槽的槽底为金属背电极层，而采用电镀工艺，可以在直接在槽底的金属背电极层上形成金属层，金属层自对准沉积在槽底，避免在高阻层等位置也引入金属层而影响太阳能电池的效率。
进一步的，采用弱碱性的焦磷酸铜溶液作为电解液，无毒，对本征ZnO高阻层无影响，通电后，电解液中的Cu2+会自动聚集到Mo金属层上，采用合适的偏压就可以较高效率的完成金属Cu层的形成，并且金属Cu导电性能良好，不会影响透明电极层与Mo金属层之间的电性连接，而且制作成本较低，便于推广应用。
【附图说明】
图1为一实施方式的薄膜型太阳能电池的制造方法示意图；
图2为图1所示薄膜型太阳能电池对应的简化电路示意图；
图3为实施例1制得的薄膜型太阳能电池的电流电压关系测试图。
【具体实施方式】
下面主要结合附图及具体实施例对薄膜型太阳能电池的制造方法作进一步详细的说明。
如图1所示，一实施方式的薄膜型太阳能电池的制造方法包括如下步骤：
步骤S1：在衬底110上形成金属背电极层120，并在金属背电极层120上开设第一沟槽210。
衬底110可以采用玻璃等硬性材质，也可以采用聚酰亚胺薄膜等柔性材质。
本实施方式的金属背电极层120为Mo金属层，优选Mo金属层的厚度为1μm。通过采用激光划线等方式，在金属背电极层120上划出贯穿金属背电极层120的开口，该开口与下方的衬底110形成第一沟槽210。
步骤S2：在金属背电极层120及第一沟槽210的槽底依次形成光吸收层130、缓冲层140及高阻层150。
本实施方式的光吸收层130为CIGS薄膜层，厚度为2-2.5μm。可以采用共蒸法、溅射后硒化法等方法在金属背电极层120及第一沟槽210的槽底制备，如用Cu、In、Ga及Se单质进行物理蒸发，在金属背电极层120及第一沟槽210的槽底形成CIGS薄膜；或者先在金属背电极层120及第一沟槽210的槽底制备含有Cu、In、Ga及Se的预制层，然后在硒的氛围中进行硒化，制得CIGS薄膜。
缓冲层140为厚度在70-90nm的CdS层。优选的，可以采用水浴法、蒸发法及化学蒸镀等方法在光吸收层130上制备。
高阻层150采用厚度为50-70nm的本征ZnO高阻层构成。优选的，可以采用化学镀及溅射等方法制作。
步骤S3：在光吸收层130、缓冲层140及高阻层150上开设贯穿的第二沟槽220。其中，第二沟槽220与第一沟槽210错开设置。
优选的，可以采用机械划线的方法，在光吸收层130、缓冲层140及高阻层150上划出贯穿光吸收层130、缓冲层140及高阻层150的开口，该开口与下方的金属背电极层120形成第二沟槽220。
步骤S4：对上述制得的结构进行电镀处理，在第二沟槽220的槽底电镀用于降低第二沟槽220高宽比的金属层160。
本实施方式的金属背电极层120为Mo金属层。相应的电镀处理包括如下步骤：将上述制得的结构置于电镀槽中，采用浓度为52g/L的焦磷酸铜、200～350g/L的焦磷酸钾及3～6g/L的硝酸钾的混合液为电解液，混合液的温度控制在40℃，pH在8.0～8.7之间，阳极接Cr电极，阴极接所述Mo金属层，通电电镀2分钟，在所述第二沟槽的槽底电镀一层金属Cu层。优选的，电镀的金属Cu层的厚度为1-1.5μm。
步骤S5：在金属层160及高阻层150上形成导电窗口层170，并在光吸收层130、缓冲层140、高阻层150及导电窗口层170上开设贯穿的第三沟槽230，得到所述薄膜型太阳能电池100。其中，第三沟槽230、第二沟槽220及第一沟槽210错开设置。
本实施方式的导电窗口层170为厚度在0.5-1.5μm的掺Al的ZnO层。
优选的，可以采用机械划线的方法，在光吸收层130、缓冲层140、高阻层150及导电窗口层170上划出贯穿光吸收层130、缓冲层140、高阻层150及导电窗口层170的开口，该开口与下方的金属背电极层120形成第三沟槽230。
如图2所示，为上述制得的薄膜型太阳能电池100简化电路示意图，通过在薄膜型太阳能电池100的不同位置开设沟槽，可以得到串联设置的电池组件。
光吸收层130吸收可见光产生具有电位能量的空穴电子对，空穴向金属背电极层120传输，金属背电极层120构成薄膜型太阳能电池100的阳极，相应的电子向导电窗口层170传输，透明电机层170构成薄膜型太阳能电池100的阴极。
通过采用电镀工艺在第二沟槽220的槽底电镀一层用于降低第二沟槽220高宽比的金属层160，从而使导电窗口层170更加均匀，电子运输时损耗更小。第二沟槽220的槽底为金属背电极层120，而采用电镀工艺，可以在直接在槽底的金属背电极层120上形成金属层160，金属层160自对准沉积在槽底，可以避免在窗口层等位置也引入金属层160而影响太阳能电池的效率。
采用弱碱性的焦磷酸铜溶液作为电解液，无毒，对各层材质基本上无影响，采用合适的偏压就可以较高效率的完成金属层160的形成，导电性能良好，不会影响导电窗口层170与金属背电极层120之间的电性连接，而且制作成本较低，便于推广应用。
以下为具体实施例部分：
实施例1
在玻璃衬底上真空蒸镀厚度为1μm的Mo背电极层，并在Mo背电极层上采用激光划线的方式开设第一沟槽；
在Mo背电极层及第一沟槽的槽底依次形成厚度为2-2.5μm的CIGS薄膜层作为光吸收层、厚度为80nm的CdS层作为缓冲层及厚度为60nm的本征ZnO高阻层作为高阻层；
在光吸收层、缓冲层及高阻层上采用机械划线的方法开设贯穿的第二沟槽；
将制得的结构置于电镀槽中，采用浓度为52g/L的焦磷酸铜、300g/L的焦磷酸钾及5g/L的硝酸钾的混合液为电解液，混合液的温度控制在40℃，pH在8.0～8.7之间，阳极接Cr电极，阴极接所述Mo金属层，通电电镀2分钟，在所述第二沟槽的槽底电镀一层厚度为1.5μm的金属Cu层。在Cu金属层及高阻层上制作厚度为1.5μm的掺Al的ZnO层作为导电窗口层，并采用机械划线的方法在光吸收层、缓冲层、高阻层及导电窗口层上开设贯穿的第三沟槽，得到薄膜型太阳能电池。
对制得的薄膜型太阳能电池进行测试分档。
图3为本实施例制得的薄膜型太阳能电池的电流电压关系测试图，从图中可以看出通过电镀工艺的电池组件串联电阻在12欧姆附近，比较理想，效率可以达到9％以上，比之传统的铜铟镓硒组件20欧姆的串联电阻和7％左右的效率有了较大的改进和提高。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上制作形成金属背电极层，并在所述金属背电极层上开设第一沟槽；
在所述金属背电极层及所述第一沟槽的槽底依次形成光吸收层、缓冲层及高阻层；
在所述光吸收层、缓冲层及高阻层上开设贯穿至所述金属背电极层的第二沟槽，所述第二沟槽与所述第一沟槽错开设置；
对上述制得的结构进行电镀处理，在所述第二沟槽的槽底电镀金属层；
在所述金属层上及所述高阻层上形成导电窗口层，并在所述光吸收层、缓冲层、高阻层及导电窗口层上开设贯穿至所述金属背电极层的第三沟槽，得到所述薄膜型太阳能电池，其中，所述第三沟槽、第二沟槽及第一沟槽错开设置。
2.如权利要求1所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述金属背电极层为厚度在1μm的Mo金属层。
3.如权利要求2所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述电镀处理包括如下步骤：
将所述制得的结构置于电镀槽中，采用浓度为52g/L的焦磷酸铜、200~350g/L的焦磷酸钾及3~6g/L的硝酸钾的混合液为电解液，混合液的温度控制在40℃，pH在8.0~8.7之间，阳极接Cr电极，阴极接所述Mo金属层，通电电镀2分钟，在所述第二沟槽的槽底电镀一层金属Cu层。
4.如权利要求3所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述金属Cu层的厚度为1-1.5μm。
5.如权利要求1或4所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述光吸收层为厚度在2-2.5μm的Cu(In,Ga)Se2。
6.如权利要求1或4所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述缓冲层为厚度在70-90nm的CdS层。
7.如权利要求1或4所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于，所述高阻层层为厚度在50-70nm的本征ZnO高阻层。
8.如权利要求1或4所述的薄膜型太阳能电池的制造方法，其特征在于， 所述导电窗口层为厚度在0.5-1.5μm的掺Al的ZnO层。 
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