CN102983219A - 薄膜太阳能电池组件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，包括如下步骤：在衬底上制备钼薄膜；对所述钼薄膜进行退火处理形成钼背电极，退火温度为400℃～580℃，退火时间为5～15分钟；及在所述钼背电极上依次制备铜铟镓硒或铜铟硒吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成所述薄膜太阳能电池组件。上述方法中，通过退火处理，将钼薄膜加工成为同时具备良好附着力、抗腐蚀以及良好导电性的适用于薄膜太阳能电池组件背电极。并且通过此改进，提高了薄膜太阳能电池组件器件的工作效率。

Description

薄膜太阳能电池组件的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，更具体的，涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法。
背景技术
太阳能作为一种清洁、环保、取之不尽用之不竭的可再生的能源，其开发和应用具有十分重大的意义。太阳能电池发电是一种能够有效的把太阳能转换成电能的有效手段。薄膜太阳能电池组件，尤其是铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件，以其低成本、高效率、长寿命、抗辐射等优点，逐渐在太阳能电池市场占据一席之地。
薄膜太阳能电池组件，一般具备如下结构：透明导电薄膜/窗口层/缓冲层/吸收层/背电极/衬底。钼薄膜作为太阳能薄膜电池的背电极，被广泛应用于科研和生产。尤其是在铜铟镓硒薄膜太阳能电池领域，由于其良好的导电性和稳定性，被视为最佳的背电极选择。
通常，通过直流磁控溅射等方法，钼薄膜被直接镀在衬底玻璃上，接下来再在其上生长包括吸收层在内的其他薄膜层。然而，上述制备钼薄膜背电极的方法导致电极的致密度和表面粗糙度较差，在其上制备后续各功能层后，电池器件的效率受到了一定的影响。
发明内容
基于此，有必要提供一种效率较高的薄膜太阳能电池组件的制备方法。
一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，包括如下步骤：
在衬底上制备钼薄膜；
对所述钼薄膜进行退火处理形成钼背电极，退火温度为400°C~580°C，退火时间为5~15分钟；及
在所述钼背电极上依次制备光吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成所述薄膜太阳能电池组件。
在其中一个实施例中，制备钼薄膜的方法为磁控溅射法，工作气流为氩气，溅射功率为350~1000W。
在其中一个实施例中，所述钼薄膜的厚度为0.5~1μm。
在其中一个实施例中，制备钼薄膜时，先在0.3Pa，350W的条件下生长一层第一钼层，接着在其之上，采用0.05Pa，500W的条件下生长一层第二钼层。
在其中一个实施例中，退火时，从室温开始在10分钟内升温至400°C~580°C。
在其中一个实施例中，制备光吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜的方法为共蒸发法或磁控溅射法。
在其中一个实施例中，所述光吸收层为铜铟镓硒吸收层或铜铟硒吸收层。
上述方法中，通过退火处理，将钼薄膜加工成为同时具备良好附着力、抗腐蚀以及良好导电性的适用于薄膜太阳能电池组件的背电极。并且通过此改进，同时也提高了钼薄膜与吸收层之间的结合强度，提高了薄膜太阳能电池组件的工作效率。
附图说明
图1为一实施方式的薄膜太阳能电池组件的制备方法流程图；
图2为实施例1的钼薄膜在450°C退火前、后的X射线衍射对比图；
图3a为实施例1的钼薄膜在450°C退火后的正面扫描电镜图；
图3b为实施例1的钼薄膜在450°C退火后的断面扫描电镜图；
图4为实施例1的薄膜太阳能电池组件与未进行退火处理的薄膜太阳能电池组件的工作效率测试对比图；
图5为实施例2的钼薄膜在580°C退火前、后的X射线衍射对比图；
图6为实施例2的薄膜太阳能电池组件与未进行退火处理的薄膜太阳能电池组件的工作效率测试对比图；
图7为实施例3的钼薄膜在580°C退火前、后的X射线衍射对比图；
图8为实施例3的薄膜太阳能电池组件与未进行退火处理的薄膜太阳能电池组件的工作效率测试对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1，一实施方式的薄膜太阳能电池组件的制备方法，包括如下步骤：
步骤S101、在衬底上制备钼薄膜。
衬底可以为玻璃，例如钙钠玻璃。制备方法可以为直流磁控溅射法、射频磁控溅射法、电子束蒸发法等方式。
在一个实施方式中，可以将经过清洁处理的衬底(例如钙钠玻璃)放入到具有一定本底真空条件(如1×10-5Pa)的镀膜装置(如直流磁控溅射腔室)中。然后调整工作气流(如氩气10sccm)，并调整气压(如通过调整真空泵相关的插板阀，使腔室工作气压为1~0.3Pa)，调整溅射功率(如350~1000W)，开始磁控溅射镀膜。制备得到的钼薄膜的厚度为0.5~1μm。
在另一个实施方式中，可以先在高气压（如0.3Pa），低功率（350W）的条件下生长一层导电性较差但附着力较好的结构疏松多孔的第一钼层，接着在其之上，采用低气压（如0.05Pa），高功率（500W）的条件下生长一层导电性较好，但附着力较差的结构致密的第二钼层。第一钼层与第二钼层的厚度可以相同也可以不同。
步骤S101、对所述钼薄膜进行退火处理形成钼背电极，退火温度为400°C~580°C，退火时间为5~15分钟。
完成镀膜后，将制备好的钼薄膜通过真空传输通道，传送至加热退火装置(如石墨加热盘)进行退火处理。从室温开始在一定时间内升温至一定温度(如10分钟升至400~580度)，保持一段时间(如5~15分钟)，最后自然冷却至室温。即得到所需要的，同时具备良好导电性和附着力的钼背电极。
步骤S103、在钼背电极上依次制备光吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成所述薄膜太阳能电池组件。
制备光吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜的方法可以不同，例如分别为共蒸发法或磁控溅射法。光吸收层可以为铜铟镓硒或铜铟硒吸收层。缓冲层的材料可为硫化镉。窗口层的材料可为氧化锌。透明导电薄膜的材料可为掺铝氧化锌（AZO）。
上述方法中，通过退火处理，将直流磁控溅射制备所得的钼薄膜加工成为同时具备良好附着力、抗腐蚀以及良好导电性的适用于薄膜太阳能电池组件的背电极。并且通过此改进，提高了薄膜太阳能电池组件的工作效率。
下面结合具体实施例来对薄膜太阳能电池组件的制备方法进行具体说明。
实施例1
铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池组件制备
在本底真空度为1×10-5Pa的直流磁控溅射腔室中放入干净的钠钙玻璃。将工作气压调整至0.3Pa，功率调整至350W，开始磁控溅射，得到约0.5μm厚度的第一钼层。将工作气压调整至0.05Pa，功率调整至500W，开始磁控溅射，得到约0.5μm厚度的第二钼层。第一钼层和第二钼层组成厚度为1μm的钼薄膜。
溅射完毕后，将制成的钼薄膜在真空系统中运输至真空加热退火腔室，在10分钟时间升温至450°C，保温15分钟后，自然冷却至室温。即得到同时具备良好导电性和附着力的，适用于作为背电极的钼薄膜。
在钼背电极上采用共蒸发法依次制备铜铟硒吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成铜铟硒薄膜太阳能电池组件。
所得钼薄膜的退火前、后电学特性对比如表1所示。由表1可知，退火后的钼薄膜导电性更好，适用于薄膜电池的背电极导电。
表1
厚度(μm) 方块电阻(Ω/cm2) 电子迁移率(cm2V-1S-1)
退火前的钼薄膜 1 0.2305 9.34
退火后的钼薄膜 1 0.1487 11.5
所得钼薄膜的附着力测试：将退火前后的钼薄膜分别浸入去离子水中超声震荡，30分钟内均无脱落。浸入pH值约为11的NaOH水溶液中超声震荡，未退火的钼薄膜15分钟内出现脱落，退火后的钼薄膜在60分钟内无脱落。表明退火后的钼薄膜附着力良好，抗腐蚀能力更强。
所得钼薄膜退火前、后的X射线衍射图谱如图2所示。由图2可知，(110)方向为其择优取向。如图2插图所示，相比钼块材的标准峰位而言，钼薄膜峰位向低角度偏移，说明退火前、后内应力均为压应力，且退火后压应力无明显改变。退火后衍射峰半高宽略微减小，说明钼薄膜结晶质量得到了提高。
退火后的钼薄膜的正面和断面扫描电镜图如图3a和图3b所示。由图可知，其晶粒的微观结构为长条形、柱状双层结构。
所得钼薄膜退火前、后分别作为背电极，所制得的铜铟硒(CIS)薄膜电池标准光源（1000W/m2,AM1.5，25°C）情况下效率测试（图4）以及相关参数（表2），表明退火后的钼薄膜使得铜铟硒薄膜太阳能电池组件的工作效率得到了提高，主要是填充因子得到了提高。
表2
Figure BDA00002516508600051
实施例2
铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池组件的制备
在本底真空度为1×10-5Pa的直流磁控溅射腔室中放入干净的钠钙玻璃。将工作气压调整至0.3Pa，功率调整至350W，开始磁控溅射，得到约0.5μm厚度的第一钼层。将工作气压调整至0.05Pa，功率调整至500W，开始磁控溅射，得到约0.5μm厚度的第二钼层。第一钼层和第二钼层组成厚度为1μm的钼薄膜。
溅射完毕后，将制成钼薄膜在真空系统中运输至真空加热退火腔室，在10分钟时间升温至580°C，保温15分钟后，自然冷却至室温。即得到同时具备良好导电性和附着力的，适用于作为背电极的钼薄膜。
在钼背电极上采用共蒸发法制备铜铟镓硒吸收层，再依次制备缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件。
所得钼薄膜的退火前、后电学特性对比如表3所示。由表3可知，退火后的钼薄膜导电性更好，适用于薄膜电池的背电极导电。
表3
厚度(μm) 方块电阻(Ω/cm2) 电子迁移率(cm2V-1S-1)
退火前的钼薄膜 1 0.2305 9.34
退火后的钼薄膜 1 0.1536 12.1
所得钼薄膜的附着力测试：将退火前后的钼薄膜分别浸入去离子水中超声震荡，30分钟内均无脱落。浸入pH值约为11的NaOH水溶液中超声震荡，未退火的钼薄膜15分钟内出现脱落，退火后的钼薄膜在60分钟内无脱落。表明退火后的钼薄膜附着力良好，抗腐蚀能力更强。
所得钼薄膜退火前、后的X射线衍射图谱如图5所示。由图5可知，(110)方向为其择优取向。并且相比钼块材的标准峰位而言，钼薄膜峰位向低角度偏移，说明退火前、后内应力均为压应力，且退火后压应力略微增大。退火后衍射峰的半高宽略微减小，说明钼薄膜的结晶质量得到了提高。
所得钼薄膜退火前、后分别作为背电极，所制得的铜铟镓硒(CIGS)薄膜电池标准光源（1000W/m2,AM1.5，25°C）情况下效率测试（图6）以及相关参数（表4），表明退火后的钼薄膜使得铜铟硒薄膜太阳能电池组件的工作效率得到了提高，主要是填充因子得到了提高。
表4
Figure BDA00002516508600061
实施例3
铜铟硒（CIS）薄膜太阳能电池组件制备
在本底真空度为1×10-5Pa的直流磁控溅射腔室中放入干净的钠钙玻璃。将工作气压调整至0.3Pa，功率调整至350W，开始磁控溅射，得到约0.6μm厚度的钼薄膜。
溅射完毕后，将制成钼薄膜在真空系统中运输至真空加热退火腔室，在10分钟时间升温至580°C，保温15分钟后，自然冷却至室温。即得到同时具备良好导电性和附着力的，适用于作为背电极的钼薄膜。
在钼背电极上采用共蒸发法制备铜铟硒吸收层，再依次制备缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成铜铟硒薄膜太阳能电池组件。
所得钼薄膜的退火前、后电学特性对比如表5所示。由表5可知，退火后的钼薄膜导电性更好，适用于薄膜电池的背电极导电。
表5
厚度(μm) 方块电阻(Ω/cm2) 电子迁移率(cm2V-1S-1)
退火前的钼薄膜 0.6 0.470 3.32
退火后的钼薄膜 0.6 0.147 6.96
所得钼薄膜附着力测试：将退火前后的钼薄膜分别浸入去离子水中超声震荡，未退火的钼薄膜15分钟内出现脱落，退火后的钼薄膜30分钟内无脱落。浸入pH值约为11的NaOH水溶液中超声震荡，未退火的钼薄膜5分钟内出现脱落，退火后的钼薄膜60分钟内无脱落。表明退火后的钼薄膜附着力良好，抗腐蚀能力更强。
所得钼薄膜退火前、后的X射线衍射图谱如图7所示。由图7可知，(110)方向为其择优取向。如图7插图所示，相比钼块材的标准峰位而言，退火前钼薄膜峰位向高角度偏移，退火后向低角度偏移，说明退火前内应力为张应力、退火后内应力转变为为压应力。退火后衍射峰的半高宽大幅减小，说明钼薄膜的结晶质量得到了大幅提高。
所得钼薄膜退火前、后分别作为背电极，所制得的铜铟硒(CIS)薄膜电池标准光源（1000W/m2,AM1.5，25°C）情况下效率测试（图8）以及相关参数（表6），表明退火后的钼薄膜使得铜铟硒薄膜太阳能电池组件的工作效率得到了提高，主要是填充因子得到了提高。
表6
由上述测试结果可知，经过使用本实施例的热处理方法，单层钼薄膜也可以作为较好的背电极在薄膜太阳能电池组件器件中使用。
获得钼薄膜的溅射方法除了直流磁控溅射之外，还可以选用射频磁控溅射,也可以选用电子束蒸发等。
本发明中获得钼背电极的方法，适用体系除了铜铟硒/硫(CuIn(Se/S)2)，铜铟镓硒/硫(Cu(In,Ga)(Se/S)2)薄膜太阳能电池组件之外，还适用于铜锌锡硫以及叠层太阳能电池。并同时适用于共蒸发法和溅射后硒化方法制备的光吸收层，以及所制成的单个电池以及电池组件。
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 (7)

1.一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在衬底上制备钼薄膜；
对所述钼薄膜进行退火处理形成钼背电极，退火温度为400°C~580°C，退火时间为5~15分钟；及
在所述钼背电极上依次制备光吸收层、缓冲层、窗口层及透明导电薄膜，形成所述薄膜太阳能电池组件。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，制备钼薄膜的方法为磁控溅射法，工作气流为氩气，溅射功率为350~1000W。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，所述钼薄膜的厚度为0.5~1μm。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，制备钼薄膜时，先在0.3Pa，350W的条件下生长一层第一钼层，接着在其之上，采用0.05Pa，500W的条件下生长一层第二钼层。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，退火时，从室温开始在10分钟内升温至400°C~580°C。
6.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，制备光吸收层的方法为共蒸发法或磁控溅射法。
7.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，所述光吸收层为铜铟镓硒吸收层或铜铟硒吸收层。
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