CN103208561A - 一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：1）提供一刚性衬底，于所述刚性衬底表面形成聚合物薄膜层；2）在所述聚合物薄膜层上形成薄膜太阳能电池功能层系；3）将所述聚合物薄膜层与所述刚性衬底分离。本发明的聚合物薄膜的厚度可控，而电池工艺过程与玻璃衬底工艺一致，可以提高电池的制备温度，降低了工艺难度和工艺成本。所制备的电池可以与器件应用层直接结合形成符合性能需求的功能器件。本发明工艺简单，适用于工业生产。

Description

一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，特别是涉及一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

在社会、环境、能源和可持续性发展等要求的推动下，新能源的推广应用已成为全球共识。而太阳能作为新能源中最主要的可再生能源，在未来发展中占有重要地位。薄膜太阳电池主要包括非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒以及染料敏化等多种类型，其由于消耗材料少，具有所共识的很大的降低成本空间，受到世界各国的越来越多的关注。

薄膜太阳电池衬底可使用玻璃或其它廉价材料，亦可采用柔性材料。柔性衬底的薄膜太阳电池由于重量轻、可卷曲的特性，具有便携、高质量比功率、易于一体化等优点，极大的拓展了太阳电池的应用领域。柔性薄膜太阳电池便于采用卷对卷的连续沉积工艺，成本较高但更可连续大面积生产。柔性薄膜太阳电池若用于建设大型电站，则可大大降低运输费用和电站的建设成本。柔性薄膜太阳电池不仅可适用于平流层飞艇、无人机等空间军事运用，同时亦可用于单兵作战系统、救生系统等地面军用和便携式充电、一体化帐篷、衣物一体化、野外、救生、车载、移动等顾客要求的军用和民用地面特殊市场，并更适用于BIPV等光伏应用的传统领域。

目前，柔性薄膜太阳电池基本均是在柔性衬底上制备，柔性衬底的选择包括柔性金属箔和聚合物膜等。柔性衬底表面沉积功能层的设备与现行的刚性衬底的设备不兼容，价格高昂，工艺复杂。柔性衬底材料的选择受到薄膜太阳电池制备工艺等限制，需要满足热稳定性、真空适应性、热膨胀性能、表面平滑性、化学惰性抗湿性等苛刻的要求。同时，在柔性衬底上沉积薄膜的设备与现有的刚性材料（如玻璃）上沉积薄膜的设备不兼容，且价格高昂，工艺复杂。

若采用刚性衬底制备而后柔性衬底转移技术实现柔性薄膜太阳电池的制作，则不仅可实现现有设备工艺的兼容；同时获得的柔性薄膜太阳电池与传统的以柔性衬底为材料的相比较，衬底厚度可控，不需受卷对卷工艺限制，可实现衬底超薄，进一步降低重量。从而可实现超轻、超薄、高效的柔性薄膜太阳电池。

因此，本发明针对以上问题，拟以柔性薄膜太阳电池体系为主要研究对象，引入衬底转移技术的开发以期实现高效率低成本的轻质柔性薄膜太阳电池的开发。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法，用于解决现有技术中成本过高，工艺复杂等的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种柔性薄膜太阳能电池的制备方法，至少包括以下步骤：

1）提供一刚性衬底，于所述刚性衬底表面形成聚合物薄膜层；

2）在所述聚合物薄膜层上形成薄膜太阳能电池功能层系；

3）将所述聚合物薄膜层与所述刚性衬底分离。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，所述的刚性衬底包括玻璃、石墨及多孔碳中的一种。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，所述聚合物薄膜层包括聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚氨酯及含氟聚合物中的一种。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，制备所述聚合物薄膜层所采用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮或氯仿溶剂。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，所述聚合物薄膜层的厚度为1～200微米。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，所述聚合物薄膜层的形成工艺包括浸渍提拉、旋涂、刮刀、喷涂、湿涂、丝网印刷、滚轮涂布或板式涂布的一种或一种以上。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，所述的聚合物薄膜层形成后还包括对其进行热处理的步骤。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，所述太阳能电池为非晶硅基、碲化镉基或铜铟镓硒薄膜电池。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，步骤2）至少包括以下步骤：

2-1）制备底电极；

2-2）制备吸收层

2-3）制备窗口层；

2-4）制备透明导电层；

2-5）制备上电极及减反射膜。

进一步地，所述太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池，步骤2-2）后还包括制备缓冲层的步骤。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，步骤3）采用提拉或剥离的分离方式，使所述聚合物薄膜层和薄膜太阳能电池功能层系整体性的与所述刚性衬底分离。

进一步地，所述聚合物薄膜层全部或大部分与所述刚性衬底分离。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法的一种优选方案，将分离后的聚合物薄膜层及薄膜太阳能电池功能层与包括金属或聚合物的柔性衬底结合形成一体化，或将分离后的聚合物薄膜层及薄膜太阳能电池功能层直接结合于器件的应用层形成一体化器件。

本发明还提供一种柔性薄膜太阳能电池，至少包括：聚合物薄膜层、底电极、吸收层、窗口层、透明导电层、减反射膜和上电极。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的一种优选方案，所述聚合物薄膜层包括聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚氨酯及含氟聚合物中的一种。

作为本发明的柔性薄膜太阳能电池的一种优选方案，所述太阳能电池为非晶硅基、碲化镉基或铜铟镓硒薄膜电池。

进一步地，所述太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池，其结构中还包括缓冲层。

如上所述，本发明提供一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：1）提供一刚性衬底，于所述刚性衬底表面形成聚合物薄膜层；2）在所述聚合物薄膜层上形成薄膜太阳能电池功能层系；3）将所述聚合物薄膜层与所述刚性衬底分离。

本发明以铜铟镓硒、非晶硅和碲化镉柔性薄膜太阳电池体系为主要研究对象，引入衬底转移技术的开发，以刚性衬底为基底，将聚合物材料和薄膜制备工艺同期制备，聚合物薄膜的厚度可控，可以减薄至几个微米，而电池制备工艺过程与玻璃衬底工艺一致。与以商业的聚合物薄膜材料为衬底相比较，突破了原有材料的高温限制，可提高电池制备的工艺温度，不需再开发低温的吸收层的沉积工艺。由此，大大降低了工艺难度，且适合于目前已经商业化的薄膜太阳电池生产线，只需增加聚合物薄膜制备工序，而后在电池制备完成后剥离即可，从而降低其工艺开发难度，实现高效轻质的柔性薄膜太阳电池。另外，由此带来的显著优点还包括聚合物衬底的厚度简单可控并可进一步减薄，使得质量比功率可以大幅度上升，进一步减轻重量，降低柔性薄膜太阳电池的成本并提高电池效率，从而实现低成本高效率柔性薄膜太阳电池的制备；更重要的是可以将剥离后的电池直接与金属、聚合物等结合形成一体化，与应用相结合形成一体化器件，开发的新技术适合于商业化，满足市场和客户的定制需求。

附图说明

图1～2显示为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法步骤1）所呈现的结构示意图。

图3～8显示为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法步骤2）所呈现的结构示意图。

图9～10显示为本发明的柔性薄膜太阳能电池的制备方法步骤3）所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101          刚性衬底

102          聚合物薄膜层

103          底电极

104          吸收层

107          缓冲层

108          窗口层

109          透明导电层

110          减反射膜

111          上电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图10。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1～图10所示，本实施例提供一种柔性薄膜太阳能电池的制备方法，至少包括以下步骤：

如图1～图2所示，首先进行步骤1）提供一刚性衬底101，于所述刚性衬底101表面形成聚合物薄膜层102。

作为示例，所述聚合物薄膜层102包括聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚氨酯及含氟聚合物（如聚四氟乙烯等）中的一种。当然，也可以采用其它的聚合物，并不限于此处所列举的几种。

作为示例，所述刚性衬底101包括玻璃、石墨及多孔碳中的一种。当然，在其它的实施例中，也可以采用如金属、陶瓷等刚性衬底101，并不限于此处所列举的几种。

作为示例，制备所述聚合物薄膜层102所采用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮或氯仿溶剂等有机溶剂。

作为示例，所述聚合物薄膜层102的厚度为1～200微米。

作为示例，所述聚合物薄膜层102的形成工艺包括浸渍提拉、旋涂、刮刀、喷涂、湿涂、丝网印刷、滚轮涂布或板式涂布的一种或一种以上。

作为示例，所述的聚合物薄膜层102形成后还包括对其进行热处理的步骤。在本实施例中，热处理的温度范围为200～300℃。

如图3～图9所示，然后进行步骤2），在所述聚合物薄膜层102上形成薄膜太阳能电池功能层系。

作为示例，所述太阳能电池为非晶硅基、碲化镉基或铜铟镓硒薄膜电池。在本实施例中，所述太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池。

在一具体的实施过程中，包括以下步骤：

如图3所示，首先进行步骤2-1），制备底电极103。

作为示例，采用磁控溅射法于所述聚合物薄膜层102表面制备金属底电极103，在本实施例中，所述金属底电极103为Mo电极。

如图4所示，然后进行步骤2-2），制备吸收层104。

作为示例，所采用共蒸发或溅射后进行硒化的方法制备出铜铟镓硒薄膜/铜铟硒薄膜/铜铟镓硒硫薄膜吸收层104。

如图5所示，接着进行步骤2-3），制备缓冲层107。

作为示例，于所述吸收层104表面采用化学水浴法(CBD)制备CdS薄膜作为缓冲层107。

如图6所示，然后进行步骤2-4），制备窗口层108。

作为示例，采用射频磁控溅射法于所述缓冲层107表面制备一层i-ZnO薄膜，作为窗口层108。

如图7所示，然后进行步骤2-5），制备透明导电层109。

作为示例，采用直流或射频磁控溅射法于所述窗口层108表面制备一层ZnO：Al薄膜，作为透明导电层109。

如图8～图9所示，最后进行步骤2-6），制备上电极111及减反射膜110。

如图10所示，最后进行步骤3），将所述聚合物薄膜层102与所述刚性衬底101分离。

作为示例，采用提拉或剥离的分离方式，使所述聚合物薄膜层102和薄膜太阳能电池功能层系整体性的与所述刚性衬底101分离。

进一步地，所述聚合物薄膜层102全部或大部分与所述刚性衬底101分离。

作为示例，将分离后的聚合物薄膜层102及薄膜太阳能电池功能层与包括金属或聚合物的柔性衬底结合形成一体化，或将分离后的聚合物薄膜层102及薄膜太阳能电池功能层直接结合于器件的应用层形成一体化器件。

如图10所示，本实施例还提供一种柔性薄膜太阳能电池，包括：聚合物薄膜层102、底电极103、吸收层104、窗口层108、透明导电层109、减反射膜110和上电极111。

作为示例，所述聚合物薄膜层102包括聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚氨酯及含氟聚合物中的一种。

作为示例，所述聚合物薄膜层102的厚度为1～200微米。

作为示例，所述太阳能电池为非晶硅基、碲化镉基或铜铟镓硒薄膜电池。

在本实施例中，所述太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池，其结构中还包括缓冲层107。

作为示例，所述底电极103为金属Mo电极，所述吸收层104包括铜铟镓硒薄膜/铜铟硒薄膜/铜铟镓硒硫薄膜，所述缓冲层107为CdS薄膜薄膜，所述窗口层108为ZnO薄膜，所述透明导电层109为ZnO：Al薄膜。

综上所述，本发明提供一种柔性薄膜太阳能电池及其制备方法，所述制备方法至少包括以下步骤：1）提供一刚性衬底101，于所述刚性衬底101表面形成聚合物薄膜层102；2）在所述聚合物薄膜层102上形成薄膜太阳能电池功能层系；3）将所述聚合物薄膜层102与所述刚性衬底101分离。

本发明以铜铟镓硒、非晶硅、碲化镉柔性薄膜太阳电池体系为主要研究对象，引入衬底转移技术的开发，以刚性衬底为基底，将聚合物材料和薄膜制备工艺同期制备，聚合物薄膜的厚度可控，可以减薄至几个微米，而电池制备工艺过程与玻璃衬底工艺一致。与以商业的聚合物薄膜材料为衬底相比较，突破了原有材料的高温限制，可提高电池制备的工艺温度，不需再开发低温的吸收层沉积工艺。由此，大大降低了工艺难度，且适合于目前已经商业化的薄膜太阳电池生产线，只需增加聚合物薄膜制备工序，而后在电池制备完成后剥离即可，从而降低其工艺开发难度，实现高效轻质的柔性薄膜太阳电池。另外，由此带来的显著优点还包括聚合物衬底的厚度简单可控并可进一步减薄，使得质量比功率可以大幅度上升，进一步减轻重量，降低柔性薄膜太阳电池的成本并提高电池效率，从而实现低成本高效率柔性薄膜太阳电池的制备；更重要的是可以将剥离后的电池直接与金属、聚合物等结合形成一体化，与应用相结合形成一体化器件，开发的新技术适合于商业化，满足市场和客户的定制需求。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (17)

1.一种柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

1）提供一刚性衬底，于所述刚性衬底表面形成聚合物薄膜层；

2）在所述聚合物薄膜层上形成薄膜太阳能电池功能层系；

3）将所述聚合物薄膜层与所述刚性衬底分离。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的刚性衬底包括玻璃、石墨及多孔碳中的一种。

3.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述聚合物薄膜层包括聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚氨酯及含氟聚合物中的一种。

4.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：制备所述聚合物薄膜层所采用的溶剂为N-甲基吡咯烷酮或氯仿溶剂。

5.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述聚合物薄膜层的厚度为1～200微米。

6.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述聚合物薄膜层的形成工艺包括浸渍提拉、旋涂、刮刀、喷涂、湿涂、丝网印刷、滚轮涂布或板式涂布的一种或一种以上。

7.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的聚合物薄膜层形成后还包括对其进行热处理的步骤。

8.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述太阳能电池为非晶硅基、碲化镉基或铜铟镓硒薄膜电池。

9.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤2）至少包括以下步骤：

2-1）制备底电极；

2-2）制备吸收层；

2-3）制备窗口层；

2-4）制备透明导电层；

2-5）制备上电极及减反射膜。

10.根据权利要求9所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池，步骤2-2）后还包括制备缓冲层的步骤。

11.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤3）采用提拉或剥离的分离方式，使所述聚合物薄膜层和薄膜太阳能电池功能层系整体性的与所述刚性衬底分离。

12.根据权利要求11所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述聚合物薄膜层全部或大部分与所述刚性衬底分离。

13.根据权利要求1所述的柔性薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：将分离后的聚合物薄膜层及薄膜太阳能电池功能层与包括金属或聚合物的柔性衬底结合形成一体化，或将分离后的聚合物薄膜层及薄膜太阳能电池功能层直接结合于器件的应用层形成一体化器件。

14.一种柔性薄膜太阳能电池，其特征在于，至少包括：聚合物薄膜层、底电极、吸收层、窗口层、透明导电层、减反射膜和上电极。

15.根据权利要求14所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述聚合物薄膜层包括聚酰亚胺、聚丙烯酸、聚氨酯及含氟聚合物中的一种。

16.根据权利要求14所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池为非晶硅基、碲化镉基或铜铟镓硒薄膜电池。

17.根据权利要求16所述的柔性薄膜太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池为铜铟镓硒薄膜电池，其结构中还包括缓冲层。

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