CN103325879B - 高效三叠层异质结薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，包括三结叠层串联的子电池；第一结为底电池，是由P1层、N1层构成的PN结结构，P1层为CuInSe2材料、N1层为CdS材料；第二结为中电池，第三结为顶电池，均为NIP结构；第一结与第二结电池之间具有一层10nm厚度的过渡层，采用本征非晶硅材料，过渡层与第一结、第二结接触的界面用等离子体轰击处理；第二结与第三结电池之间镀有SiOx中间层；第一结电池镀在具有背电极钼层的玻璃基板上，第三结电池顶部依次镀有导电窗口层、减反层和栅电极。本发明提高了光电转换效率，有效地降低了单位成本，本发明的电池结构性能稳定，可保证长期使用的电性能稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池，特别是涉及一种高效三叠层异质结薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
Si基薄膜太阳能电池具有太阳光吸收系数高，影响电池效率的温度系数小，生产成本低，适宜大规模大尺寸生产等优点，是所有薄膜太阳能电池中产业化程度最高、实际生产规模最大的薄膜太阳能电池。硅基薄膜太阳能电池的发展从单结a-Si到双结微晶锗硅μc-Si/μc-SiGe,μc-Si/μc-SiGe电池的光学带隙在1.1-1.25eV，其转换率仅为10%，效率较低，有待于技术创新后进一步提高，从而降低单位成本；而CuInSe2是一种直接带隙的化合物半导体材料，具有理想的光学带隙值，可达1.04eV，如能将CuInSe2联合应用到Si基薄膜太阳能电池上，做成一种三叠层结构的异质结薄膜电池，不仅可以扩展太阳光吸收波长范围，提高光电转换效率，还可降低单位成本，但两者如何结合应用一直是困扰业界的难题，仍有待于探索创新。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种高效三叠层异质结薄膜太阳能电池。
本发明采用的技术方案为：一种高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，其特征在于包括三结叠层串联的子电池；第一结为底电池，是由P1层、N1层构成的PN结结构，P1层为CuInSe2材料、N1层为CdS材料；第二结为中电池，为P2层、I2层、N2层构成的NIP结构，P2层为μc-Si：H掺三甲基硼材料、I2层为光吸收层采用μc-SiGe材料、N2层为μc-Si：H掺磷烷材料；第三结为顶电池，为P3层、I3层、N3层构成的NIP结构，P3层为μc-Si：H掺三甲基硼材料、I3层为光吸收层采用微晶硅μc-Si材料、N3层为a-Si：H掺磷烷材料；第一结与第二结电池之间具有一层10nm厚度的过渡层，采用本征非晶硅材料，过渡层与第一结、第二结接触的界面用等离子体轰击处理；第二结与第三结电池之间镀有SiOx中间层；第一结电池镀在具有背电极钼层的玻璃基板上，第三结电池顶部依次镀有导电窗口层、减反层和栅电极。
所述玻璃基板为普通浮法玻璃，窗口层是N型材料为AZO或FTO或ITO或GZO导电层，减反层为MgF2层。
所述的高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，特征在于其制备方法如下：
a、先采用磁控溅射方法在玻璃基板上溅射0.8-1微米厚的钼作为背电极；再采用磁控溅射法在背电极钼层上溅射P型薄膜层P1层，靶材选用Cu和In的合金靶材，Cu和In的比例为1.13：1；然后采用真空硒化退火法制作稳定的CuInSe2薄膜层，硒化温度420℃，硒化时间20分钟，硒源温度200℃;接着在CuInSe2薄膜层即P1层上采用真空蒸镀法制作N型CdS层，在550℃条件下形成30-50nm的CdS镀层。
b、采用RF-PECVD方法在CdS镀层上制作10nm的本征非晶硅过渡层，用硅烷和H2进行沉积，接触界面用等离子体轰击处理。
c、采用RF-PECVD法，在过渡层上依次制作第二结电池的P2层、I2层、N2层、SiOx中间层及第三结电池的P3层、I3层、N3层；随后，用磁控溅射法制备TCO窗口层，再用真空蒸镀法制备MgF2减反层，最后，采用电子束热蒸发法制备Ni-Al栅电极。
本发明解决了将CuInSe2化合物半导体材料联合应用到Si基薄膜太阳能电池的难题，该电池拓展了太阳光的吸收频率范围，波长范围可达到500--1100nm，提高了光电转换效率，光电转换效率达到20%，有效地降低了单位成本；本发明的电池结构性能稳定，可保证长期使用的电性能稳定性，制备设备相对简单，工艺易于掌握，生产制造成本低，有利于产业化。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图。
图中标号名称：1、玻璃基板；2、背电极钼层；3、P1层；4、N1层；5、P2层；6、I2层；7、N2层；8、P3层；9、I3层；10、N3层；11、窗口层；12、减反层；13、栅电极。
具体实施方式
本发明高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，设有三结叠层串联的子电池，第一结为底电池，是由P1层3、N1层4构成的PN结结构，P1层为CuInSe2材料、N1层为CdS材料；第二结为中电池，为P2层5、I2层6、N2层7构成的NIP结构，P2层为μc-Si：H掺三甲基硼材料、I2层为光吸收层采用微晶硅锗μc-SiGe材料、N2层为μc-Si：H掺磷烷材料；第三结为顶电池，为P3层8、I3层9、N3层10构成的NIP结构，P3层为μc-Si：H掺三甲基硼材料、I3层为光吸收层采用微晶硅μc-Si材料、N3层为a-Si：H掺磷烷材料；第一结与第二结电池之间具有一层10nm厚度的过渡层，采用本征非晶硅材料，过渡层与第一结、第二结接触的界面用等离子体轰击处理，缓解不同材料直接接触时的晶格结构失配问题造成的电流损失；第二结与第三结电池之间镀有SiOx中间层，改善折射率提高光吸收；第一结电池镀在具有背电极钼层2的钠钙玻璃基板2上，第三结电池顶部依次镀有导电窗口层11、减反层12和栅电极13。玻璃基板为普通浮法玻璃，窗口层是N型材料，为AZO或FTO或ITO或GZO导电层，减反层为MgF2材料。
上述高效三叠层异质结薄膜太阳能电池制备方法如下：
a、先采用磁控溅射方法在钠钙玻璃基板1上溅射0.8-1微米厚的钼作为背电极；再采用磁控溅射法在背电极钼层上溅射P型薄膜层P1层，靶材选用Cu和In的合金靶材，Cu和In的比例为1.13：1；然后采用真空硒化退火法制作稳定的2微米厚的CuInSe2薄膜层，硒化温度420℃，硒化时间20分钟，硒源温度200℃;接着在CuInSe2薄膜层即P1层上采用真空蒸镀法制作N型CdS层，在550℃条件下形成30-50nm的CdS镀层。
b、采用RF-PECVD方法在CdS镀层上制作10nm的本征非晶硅过渡层，用硅烷和H2进行沉积，接触界面用等离子体轰击处理。
c、采用RF-PECVD法，在过渡层上依次制作第二结电池的P2层、I2层、N2层、SiOx中间层及第三结电池的P3层、I3层、N3层。制备温度范围为180-210摄氏度；第二结P2层μc-Si：H掺三甲基硼厚度为25-40nm，I2层本征微晶硅锗μc-SiGe厚度800nm、N2层μc-Si：H掺磷厚度30nm；第三结P3层μc-Si：H掺三甲基硼厚度25-40nm、I3层本征微晶硅μc-Si厚度1200nm、N3层a-Si：H掺磷厚度15-20nm；SiOx中间层厚度为10nm。随后，用磁控溅射法制备TCO窗口层，再用真空蒸镀法制备40nm左右的MgF2减反层，最后，采用电子束热蒸发法制备Ni-Al栅电极。TCO窗口层可采用AZO、FTO、ITO或GZO层。
本发明解决了将CuInSe2化合物半导体材料联合应用到Si基薄膜太阳能电池的难题，该电池拓展了太阳光的吸收频率范围，波长范围可达到500--1100nm，提高了光电转换效率，光电转换效率达到20%，有效地降低了单位成本；本发明的电池结构性能稳定，可保证长期使用的电性能稳定性，制备设备相对简单，工艺易于掌握，生产制造成本低，有利于产业化。
Claims (3)
1.一种高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，其特征在于包括三结叠层串联的子电池；第一结为底电池，是由P1层、N1层构成的PN结结构，P1层为CuInSe2材料、N1层为CdS材料；第二结为中电池，为P2层、I2层、N2层构成的NIP结构，P2层为μc-Si：H掺三甲基硼材料、I2层为光吸收层采用μc-SiGe材料、N2层为μc-Si：H掺磷烷材料；第三结为顶电池，为P3层、I3层、N3层构成的NIP结构，P3层为μc-Si：H掺三甲基硼材料、I3层为光吸收层采用微晶硅μc-Si材料、N3层为a-Si：H掺磷烷材料；第一结与第二结电池之间具有一层10nm厚度的过渡层，采用本征非晶硅材料，过渡层与第一结、第二结接触的界面用等离子体轰击处理；第二结与第三结电池之间镀有SiOx中间层；第一结电池镀在具有背电极钼层的玻璃基板上，第三结电池顶部依次镀有导电窗口层、减反层和栅电极。
2.根据权利要求1所述的高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，特征在于所述玻璃基板为普通浮法玻璃，窗口层是N型材料为AZO或FTO或ITO或GZO导电层，减反层为MgF2层。
3.根据权利要求1或2所述的高效三叠层异质结薄膜太阳能电池，特征在于其制备方法如下：
a、先采用磁控溅射方法在玻璃基板上溅射0.8-1微米厚的钼作为背电极；再采用磁控溅射法在背电极钼层上溅射P型薄膜层P1层，靶材选用Cu和In的合金靶材，Cu和In的比例为1.13：1；然后采用真空硒化退火法制作稳定的CuInSe2薄膜层，硒化温度420℃，硒化时间20分钟，硒源温度200℃；接着在CuInSe2薄膜层即P1层上采用真空蒸镀法制作N型CdS层，在550℃条件下形成30-50nm的CdS镀层；
b、采用RF-PECVD方法在CdS镀层上制作10nm的本征非晶硅过渡层，用硅烷和H2进行沉积，接触界面用等离子体轰击处理；
c、采用RF-PECVD法，在过渡层上依次制作第二结电池的P2层、I2层、N2层、SiOx中间层及第三结电池的P3层、I3层、N3层；随后，用磁控溅射法制备TCO窗口层，再用真空蒸镀法制备MgF2减反层，最后，采用电子束热蒸发法制备Ni-Al栅电极。
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