CN102479839A - 纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池 - Google Patents

纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池 Download PDF

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李微
闫礼
李巍
赵彦民
杨立
冯金晖
刘兴江
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Abstract

本发明涉及一种纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，自下至上为衬底、衬底上的纳米孔膜、纳米孔膜中的纳米柱、纳米柱之间的CIGS吸收层以及顶电极层。本发明的采用n型纳米柱部分生长于纳米孔膜中，部分位于纳米孔膜的上面；p型CIGS吸收层部分生长在纳米孔膜上面的纳米柱上面和纳米柱之间，形成太阳电池的pn结的立柱结构，更加利于光生载流子传输，减少复合的几率，进而增加太阳电池光电转换效率，同时在满足太阳能电池板可卷曲的前提下，降低了电池的制造成本。

Description

纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池
技术领域
本发明属于太阳电池制造技术领域，特别是涉及一种纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池。
背景技术
太阳电池是将太阳能转化为电能的装置。在传统太阳能电池中，硅吸收光并产生自由电子，这些电子必须在受困于材料的缺陷或杂质前到达电路。这就要求使用极为纯净、昂贵的晶体硅来制造高效光伏装置。
经过检索发现申请号为：200910080138.6，公开号为CN1403379A，名称为：硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池及其制备方法的发明专利，其说明书中公开了硅基纳米柱阵列异质结薄膜太阳能电池，在下接触电极与上接触电极之间依次为硅纳米柱阵列、本征非晶硅层、N型非晶硅层以及透明导电薄膜层。该结构是将下接触电极上的硅衬底腐蚀出部分纳米柱，再在纳米柱上依次沉积本征非晶硅层和N型非晶硅层形成异质结。该电池与传统太阳能电池相比，具有电池转化效率高、成本低的有点，但该电池无法折叠，难以用于一些需要弯曲的特殊的场合。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，该电池在具有光电转换效率高、制造成本低的同时，还具有电池板可卷曲等特点。
本发明薄膜太阳电池采用如下技术方案：
纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，自下至上为柔性铝箔衬底、纳米孔膜、纳米柱、CIGS吸收层以及顶电极层，纳米孔膜为孔密度108-1010nm、孔径为5-200nm的通孔柔性铝箔，其特征在于：纳米柱为生长于纳米孔中厚度为50～70nm的ZnO纳米柱或CdS的n型纳米柱；CIGS吸收层为生长在纳米柱上面和纳米柱之间的p型CIGS薄膜、顶电极层为磁控溅射沉积在CIGS吸收层上的透明导电材料。
而且，所述柔性铝箔衬底的厚度为25～50μm。
而且，所述CIGS薄膜总厚度为1.5～2μm。
而且，所述顶电极层为厚度300～600nm的ITO氧化铟锡或ZnO:Al铝掺杂氧化锌的透明导电材料。
本发明具有的优点和积极效果：
1、本发明采用的n型纳米柱部分生长于纳米孔膜中，部分位于纳米孔膜的上面；p型CIGS吸收层部分生长在纳米孔膜上面的纳米柱之间和纳米柱上面，形成太阳电池的pn结的立柱结构，更加利于光生载流子传输，减少复合的几率，进而增加太阳电池光电转换效率，同时在满足太阳能电池板可卷曲的前提下，降低了电池的制造成本。
2、本发明采用p型层CIGS吸收层材料采用低温工艺制备，不会对纳米孔膜上面的纳米柱造成破坏，纳米材料与吸收层材料可以更好的融合，使得pn结发挥极佳的作用，进一步提高太阳电池的重量比功率。
附图说明
图1是本发明的纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池结构示意图；
其中，1-柔性铝箔衬底，2-纳米孔膜，3-n型纳米柱，4-p型CIGS吸收层，5-顶电极层。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，自下至上为柔性铝箔衬底1、纳米孔膜2、纳米柱3、CIGS吸收层4以及顶电极层5，纳米孔膜为孔密度108-1010nm、孔径为5-200nm的通孔柔性铝箔。
本发明的创新点是：
纳米柱为生长于纳米孔中厚度为50～70nm的ZnO纳米柱或CdS的n型纳米柱；CIGS吸收层为生长在纳米柱上面和纳米柱之间的p型CIGS薄膜、顶电极层为磁控溅射沉积在CIGS吸收层上的透明导电材料。
所述柔性铝箔衬底的厚度为25～50μm；所述CIGS薄膜总厚度为1.5～2μm；所述顶电极层为厚度300～600nm的ITO氧化铟锡或ZnO:Al铝掺杂氧化锌的透明导电材料。
实施例1：参照附图1。
1.纳米孔膜的制作
在厚度为25～50μm的柔性铝箔上用丙酮除去表面油脂，用NaoH除去氧化膜，然后将其置于70℃的抛光液中，施加10V电压进行电化学抛光约5min，抛光液的组成为磷酸∶硫酸∶甘油(v/v/v)＝115∶0.5∶85；采用3％(wt)H3PO4为电解液，在60V电压下进行一次阳极氧化15min，用15％(wt)磷酸和5％(wt)铬酸的混合溶液在60℃除膜至表面露出铝基体，然后进行二次氧化和除膜，条件与第一次相同；得到孔密度为108-1010nm、孔径为5-200nm的通孔柔性铝箔作为纳米孔膜，将纳米孔膜粘贴在柔性铝箔衬底。
2.纳米柱的生成
以纳米孔膜为阳极，以铂片为辅助电极，电解液为0.001M的(CH3COO)2Cd，0.01M的SC(NH2)2，0.003M的CH3COONH4的混合溶液250ml，以氨水调节PH范围在10.5～11之间，电流密度0.5～1.5mA/cm2，将电解槽置于70～80℃的恒温水浴中，沉积15～30min，在纳米孔膜的孔中生长出厚度50～70nm的CdS层作为纳米柱；
3.CIGS吸收层的生成
在生长有纳米柱的纳米孔膜上制备p型CIGS吸收层：先将衬底置入蒸发室，温度升至250-300℃时，蒸发In、Ga和Se的时间为0.1-5小时，形成(In0.7Ga0.3)2Se3预置层；继续升温至400-450℃，蒸发Cu、Se0.1-5小时，形成薄膜稍微富Cu；保温0.1-1小时后，降低蒸发室温度至250-300℃，继续蒸发In、Ga、Se的时间为0.1-5小时，直至得到1.5～2μ厚的CuIn0.7Ga0.3Se2薄膜，即生成生长在纳米柱上厚度为1.5～2μm的p型CIGS吸收层。
4.厚度为300～600nm透明导电材料氧化铟锡ITO或铝掺杂氧化锌ZnO:Al作为顶电极层通过磁控溅射沉积在p型CIGS吸收层上，即制成纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池。
实施例2：参照附图1。
1.纳米孔膜的制作
在厚度为25～50μm的柔性铝箔上用丙酮除去表面油脂，用NaoH除去氧化膜，然后将其置于70℃的抛光液中，施加10V电压进行电化学抛光约5min，抛光液的组成为磷酸∶硫酸∶甘油(v/v/v)＝115∶0.5∶85；采用3％(wt)H3PO4为电解液，在60V电压下进行一次阳极氧化15min，用15％(wt)磷酸和5％(wt)铬酸的混合溶液在60℃除膜至表面露出铝基体，然后进行二次氧化和除膜，条件与第一次相同；得到孔密度为108-1010nm、孔径为5-200nm的通孔柔性铝箔作为纳米孔膜，将纳米孔膜粘贴在柔性铝箔衬底。
2.纳米柱的生成
以纳米孔膜为阳极，以铂片为辅助电极，电解液为0.05mol//L的Zn(NO3)2溶液，电流密度0.1～1.0mA/cm2，将电解槽置于60～70℃的恒温水浴中，沉积30～60min，在纳米孔膜的孔中生长出厚度50～70nm的ZnO层作为纳米柱。
3.CIGS吸收层的生成
在生长有纳米柱的纳米孔膜上制备p型CIGS吸收层：先将衬底置入蒸发室，温度升至250-300℃时，蒸发In、Ga和Se的时间为0.1-5小时，形成(In0.7Ga0.3)2Se3预置层；继续升温至400-450℃，蒸发Cu、Se0.1-5小时，形成薄膜稍微富Cu；保温0.1-1小时后，降低蒸发室温度至250-300℃，继续蒸发In、Ga、Se的时间为0.1-5小时，直至得到1.5～2μ厚的CuIn0.7Ga0.3Se2薄膜，即生成生长在纳米柱上厚度为1.5～2μm的p型CIGS吸收层。
4.厚度为300～600nm透明导电材料氧化铟锡ITO或铝掺杂氧化锌ZnO:Al作为顶电极层通过磁控溅射沉积在p型CIGS吸收层上，即制成纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池。
纳米结构太阳电池适用于铜铟硒族(包括铜铟硒、铜镓硒、铜铝硒、铜铟镓硒、铜铟硫)太阳电池，碲化镉太阳电池，硫化铜太阳电池或硫化镉太阳电池。

Claims (4)

1.纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，自下至上为柔性铝箔衬底、纳米孔膜、纳米柱、CIGS吸收层以及顶电极层，纳米孔膜为孔密度108-1010nm、孔径为5-200nm的通孔柔性铝箔，其特征在于：纳米柱为生长于纳米孔中厚度为50～70nm的ZnO纳米柱或CdS的n型纳米柱；CIGS吸收层为生长在纳米柱上面和纳米柱之间的p型CIGS薄膜、顶电极层为磁控溅射沉积在CIGS吸收层上的透明导电材料。
2.根据权利要求1所述的纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，其特征在于：所述柔性铝箔衬底的厚度为25～50μm。
3.根据权利要求1所述的纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，其特征在于：所述CIGS薄膜总厚度为1.5～2μm。
4.根据权利要求1所述的纳米结构柔性化合物半导体薄膜太阳电池，其特征在于：所述顶电极层为厚度300～600nm的ITO氧化铟锡或ZnO:Al铝掺杂氧化锌的透明导电材料。
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