CN103296124A - 柔性cigs薄膜太阳电池 - Google Patents

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张建柱
彭博
马格林
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Abstract

本发明公开了一种柔性CIGS薄膜太阳电池，其包括：柔性衬底；阻挡层；背电极层；CIGS吸收层；缓冲层；窗口层；减反膜；上电极。该柔性CIGS薄膜太阳电池的CIGS吸收层采用一步多源共蒸发工艺制备，此法不仅工艺控制简单，而且适合大规模大面积生产。

Description

柔性CIGS薄膜太阳电池
技术领域
本发明专利属于光电子器件领域，涉及到一种新的柔性铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池。
背景技术
目前，全球能源面临能源紧缺、严重浪费等问题，因此寻求可持续、稳定的、清洁的新能源，势在必行。太阳能以其清洁、取之不尽用之不竭的优势受到了各界人士的青睐。相对于发达国家，中国的太阳能电池光伏产业发展起步较晚，技术相对落后，总体产业化程度不高。虽然单晶、多晶硅材料为主的晶体硅太阳电池在光伏产业领域占有统治地位，但是晶体硅电池的效率上升和成本下降空间已经很小。从长远看，光伏电池将更趋向于使用低成本的薄膜太阳电池。CIGS太阳电池在薄膜电池中具有最高的光电转换效率，且使用过程中性能稳定、不衰减，是未来的发展方向。柔性CIGS薄膜太阳电池是以金属箔或聚合物材料为衬底的CIGS太阳电池，具有很多优势：转化效率高、制作成本低、长期稳定性佳、弱光特性好、具有高的质量比功率、抗辐照能力强、适合于光伏建筑一体化(BIPV)等。
CIGS层是该太阳电池元件的主要光吸收层，通过In/Ga含量可调其光吸收范围为1.02-1.68eV。CIGS层的制备方法有很多种，如非真空条件下的电化学沉积法，但在制备过程中易混入杂质，获得的晶体缺陷多、附着能力差等缺点；溅射/硒化法，也存在过程复杂、规模化困难的问题。因此，我们选择一步多源共蒸发法来制备CIGS薄膜，为大规模制备高转换效率、低成本的柔性CIGS薄膜太阳电池提供了可能。
发明内容
针对上述现有技术(电化学沉积法、溅射/硒化法等)的不足，本发明要解决的问题，采用如下技术方案。
这种柔性CIGS薄膜电池，包括：柔性衬底；阻挡层，以阻挡不锈钢衬底中的铁；背电极层，作为电池的电极，形成良好的欧姆接触，收集电流；CIGS吸收层；缓冲层，与CIGS吸收层形成pn结；窗口层；减反膜，可将太阳能电池表面的入射光收集，减少因界面反射造成的损失；上电极。
优选的，所述柔性衬底为不锈钢，厚度为25μm。
优选的，所述背电极层为Mo，厚度为0.5-1.5μm。
优选的，所述CIGS吸收层厚度为1.5-2.0μm。
优选的，所述缓冲层为硫化镉，厚度为50-80nm。
优选的，所述窗口层为双层氧化锌，分别包括本征氧化锌(i-ZnO)和铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)，厚度分别为50nm和350nm。
优选的，所述减反膜为氟化镁，厚度为100-150nm。
优选的，所述上电极为Ni-Al电极。
上述技术方案具有如下收益效果：该柔性CIGS薄膜电池的CIGS吸收层采用一步多源共蒸发法，不仅操作过程简单，而且适合大面积大规模生产。
上述说明仅是概述，为了能更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细介绍。
如图1所示，为柔性CIGS薄膜太阳电池的结构示意图。该电池元件包括：柔性衬底1；阻挡层2；背电极层3；CIGS吸收层4，该CIGS吸收层是利用一步多源共蒸发法制备的；缓冲层5，利用化学水浴沉积法制备；窗口层6；减反膜7和上电极8。
所述柔性衬底1为不锈钢衬底，通常厚度为25μm。柔性衬底经清洗后，其上面采用直流磁控溅射工艺沉积的一层厚度为1-2μm的铬阻挡层2。阻挡层上面是背电极层3，选用直流磁控溅射工艺分两步溅射Mo层作为背电极层，厚度为0.5-1.5μm。背电极层3上面是CIGS吸收层4，采用一步多源共蒸发法制备，在薄膜沉积过程中通过调整各元素的蒸发速率来控制各元素的比例及整膜的膜厚。通常情况下CIGS吸收层膜厚为1.5-2.0μm。CIGS吸收层上面是缓冲层5，采用化学水浴沉积法沉积，厚度为50-80nm。缓冲层与吸收层形成有效的pn结，从而提高光生载流子的分离和输出。缓冲层上面是窗口层6，为双层的氧化锌，包括本征氧化锌(i-ZnO)和铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)，厚度分别为50nm和350nm，采用直流脉冲溅射或交流磁控溅射法制备。窗口层上面是减反膜7，通常为氟化镁，采用真空蒸发法制备，厚度为100-150nm。最后是上电极8，一般为Ni/Al合金。
[0018]下面以一步多源共蒸发法对上述柔性CIGS太阳电池的制备方法进行详细介绍。
1.首先对不锈钢衬底用不锈钢清洗剂清洗。采用超声清洗的方法，使用溶剂及顺序为：不锈钢清洗剂(15min)→去离子水(15min)→氮气吹干。
2.采用直流磁控溅射法制备铬阻挡层，厚度为1-2μm。
3.采用双层直流磁控溅射法在不锈钢衬底上沉积约1-2μm的Mo导电层作为背电极。第一步，在高Ar气压(3Pa)下，溅射沉积0.1μm厚的Mo层，溅射时间为2min；②第二步，在低Ar气压(0.3Pa)下，溅射沉积0.9μm厚的Mo层，溅射时间为18min。
4.CIGS吸收层采用一步多源共蒸发法制备，在薄膜沉积过程中通过调整各元素的蒸发速率来控制各元素的比例及整膜的膜厚，膜厚为1.5-2.0μm。
一步法是在基板温度为450～550℃时，Cu、In、Ga、Se四种元素同时蒸发。在薄膜沉积过程中，调整各元素的蒸发速率，在薄膜沉积后期，要提高In的沉积量，以保证薄膜表面富In。整个过程一步完成。
5.采用化学水浴沉积法制备硫化镉缓冲层。
6.采用采用直流脉冲溅射或交流磁控溅射法制备窗口层。
7.采用真空蒸发法制备减反膜氟化镁。
8.采用真空蒸发法制备Ni/Al上电极。
该柔性CIGS薄膜太阳电池的CIGS吸收层采用一步多源共蒸发法制备，具有操作简单，易大规模生产化的优点。

Claims (9)

1.这是一种柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于，其包括：
柔性衬底；
铬阻挡层，以阻挡不锈钢衬底中的铁；
背电极层，作为电池的电极，形成良好的欧姆接触，收集电流；
CIGS吸收层；
缓冲层，与CIGS吸收层形成pn结；
窗口层；
减反膜，可将太阳能电池表面的入射光收集，减少因界面反射造成的损失；
上电极。
2.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述柔性衬底，选用不锈钢，厚度为25μm。
3.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述铬阻挡层厚度为1-2μm。
4.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述背电极层为Mo，厚度为0.5-1.5μm。
5.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述CIGS吸收层厚度为1.5-2.0μm。
6.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述缓冲层为硫化镉，厚度为50-80nm。
7.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述窗口层为双层氧化锌，分别包括本征氧化锌(i-ZnO)和铝掺杂氧化锌(ZnO:Al)，厚度分别为50nm和350nm。
8.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述减反膜为氟化镁，厚度为100-150um。
9.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：所述上电极为Ni-Al电极。
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