CN103456802A - 一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极 - Google Patents

一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极 Download PDF

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Abstract

一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构，由聚酰亚胺衬底、薄Mo薄膜层、Ag薄膜层和厚Mo薄膜层依次叠加构成，薄Mo薄膜层为高阻Mo层，Ag薄膜层为应力缓冲层，厚Mo薄膜层为阻挡层，阻挡层为双层Mo薄膜；该背电极用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极。本发明的优点是：采用简单、低廉的磁控溅射技术，制备薄Ag薄膜作为应力缓冲层来平衡聚酰亚胺衬底与Mo之间热膨胀系数不匹配所带来的应力，这种复合结构的背电极电阻率比较低，其反射率比较高，对于超薄CIGS电池效率的提升具有重要作用。

Description

一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极
技术领域
 本发明涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池，特别是一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极。
背景技术
柔性衬底铜铟镓硒（简称CIGS）薄膜太阳能电池是在金属箔或高分子聚合物薄膜基底上，经过真空沉积和化学沉积若干层半导体薄膜以及金属薄膜而构成的太阳电池，因其可折叠性、轻质、不易碎、机械性能好、质功比高、空间性能好以及适用卷卷（roll to roll）工艺而具有广大的市场前景。常用的柔性衬底材料包括：金属衬底如不锈钢箔（SS）、Al箔、Mo箔、Cu箔、Ti箔等和聚合物材料衬底如聚酰亚胺（PI）薄膜等。由于聚酰亚胺衬底具有良好的耐热性能，质量比金属衬底更轻，而且其电池不需要额外阻挡层，同时对于内联式电池组件来说聚合物衬底电池不需要绝缘层，因此聚酰亚胺（简称PI）是人们首选的柔性薄膜太阳能电池衬底材料。
传统的CIGS薄膜太阳能电池背电极是由双层Mo背电极构成，因为Mo具有良好的导电性、优良的物理和化学稳定性、以及能够与CIGS层吸收层形成欧姆接触，所以Mo被广泛用于CIGS薄膜电池的背电极。目前广泛采用的背电极结构为：第一层为高阻Mo层，厚度大约在100—200nm之间，用来提高背电极与衬底之间的附着力，第二层为低阻Mo层，厚度大约在600—800nm之间，为背电极提供优良的电学性能，同时也能够与CIGS吸收层形成良好的欧姆接触。
对于聚酰亚胺衬底的CIGS薄膜太阳能电池，由于聚酰亚胺与Mo热膨胀系数的不匹配，薄膜应力比较大，导致样品异常卷曲，严重时致使薄膜脱落，也为后续电池的制备增加了难度。目前通用的方法采用退火或者是优化传统工艺的方式来减少这种由热膨胀系数不匹配所造成应力过大的问题，但是效果并不明显。2012年瑞士联邦材料科学与技术实验室（Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology, EMPA）小组提出了一种新型的背电极结构，采用PI/TI/TiN/Mo这种复合结构来减少薄膜应力,但是背电极表面粗糙度比较大，且背电极的电导率相对于传统Mo背电极比较低，大大影响了电池效率的提升，同时该结构实现工艺复杂且材料成本较高。
近年来，为了大幅度降低太阳能电池成本以及推动CIGS薄膜电池的产业化，超薄CIGS电池成为研究热点，众所周知，制备CIGS薄膜的In、Ga为稀有元素，地球上含量有限且价格昂贵，有效减少吸收层的厚度可以大大减少电池成本。研究发现，降低CIGS薄膜厚度至1.0um以下，电池的性能就会明显下降，但是这种吸收层厚度降低所带来的损失可以在一定程度上通过提高背电极在红光和近红外区域的反射率来补偿，所以对于超薄CIGS薄膜电池，传统背电极已经无法满足其需求。
发明内容
本发明的目的是针对上述所提出的问题，提出一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，该电池背电极用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构，其电阻率比较低，而其反射率比较高，对于超薄CIGS电池效率的提升具有重要作用。
本发明的技术方案：
一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，该背电极用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构，由聚酰亚胺衬底（PI）、薄Mo薄膜层、Ag薄膜层和厚Mo薄膜层依次叠加构成，薄Mo薄膜层为高阻Mo层，薄膜厚度为50-80nm；Ag薄膜层为应力缓冲层，薄膜厚度为50-80nm；厚Mo薄膜层为阻挡层，阻挡层为双层Mo薄膜，第一层Mo薄膜厚度为100-200nm，第二层Mo薄膜厚度为600-700nm。
一种所述用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的制备方法，步骤如下:
1）去离子水和去污剂清洗聚酰亚胺衬底30min，然后送入超声机清洗1h，再用去离子水清洗10min，脱水烘干后送入溅射腔室；
2）样品在本底真空为2.1×10-3pa的溅射腔室内，10min内加热至150℃，去气30min；
3）在聚酰亚胺衬底上采用直流磁控溅射法制备薄Mo薄膜层，工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，靶间距60mm，通入的Ar气流量21.1sccm，真空室工作气体压强2.0pa，溅射电流0.5A，溅射薄膜厚度为50-80nm；
4）采用直流磁控溅射法制备Ag薄膜，工艺参数为：本底真空4×10-4pa，衬底温度23℃，溅射功率50w，溅射厚度为50-80nm；
5）采用直流磁控溅射法制备厚Mo薄膜层即双层Mo薄膜，通用工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，通入Ar气，流量为21.1sccm，其中第一层Mo薄膜制备时采用高气压溅射，工作气压为2.0pa，溅射功率为130-150w，溅射时间为15min，薄膜厚度为100-200nm，第二层Mo薄膜制备时采用低气压溅射，工作气压为0.2pa，溅射功率为220-230w，溅射时间为30min，薄膜厚度为600-700nm。
一种所述用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的应用，用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池由该结构背电极、CIGS吸收层，CdS缓冲层、本征氧化锌（i-ZnO）、掺铝氧化锌（ZnO：Al）和镍铝前电极构成， CIGS吸收层薄膜厚度为0.8-1.5um，CdS缓冲层薄膜厚度为30-100nm，本征氧化锌（i-ZnO）薄膜厚度为30-150nm，掺铝氧化锌（Al：ZnO）薄膜厚度为300-1500nm，镍铝前电极层薄膜厚度为0.5um-4um。
本发明的功效机理：
1）可以有效减少由于PI衬底与传统Mo背电极之间热膨胀系数的不匹配所带来的应力过大的问题。2）可以大大提高背电极在红光和近红外区的反射率，对于超薄电池效率的提升具有重要作用。3）双层Mo可以有效阻挡Ag向CIGS的扩散，防止Ag的扩散影响到CIGS薄膜电池的性能，同时还可以与CIGS吸收层形成良好的欧姆接触。4）新型背电极使用工艺皆为直流磁控溅射，工艺简单且材料成本较小。
本发明的优点是：采用简单、低廉的磁控溅射技术，制备薄Ag薄膜作为应力缓冲层来平衡聚酰亚胺衬底与Mo之间热膨胀系数不匹配所带来的应力，这种复合结构的背电极电阻率比较低，而且其反射率比较高，对于超薄CIGS电池效率的提升具有重要作用。对于内连式聚酰亚胺衬底CIGS薄膜电池组件，该电池结构经过P2划线后，能够大大减小电池组件的串联电阻，提高组件效率。
附图说明
  图1为该背电极结构示意图和采用该背电极的CIGS薄膜电池结构示意图，
其中：（a）为新型背电极结构（b）为新型背电极结构。
图2为用Ag薄膜作为应力缓冲层的背电极的XRD衍射图。
图3为传统背电极与新型背电极表面的光学显微镜图，其中：（a）为传统背电极，（b）为新型背电极。
图4为传统背电极与新型背电极的反射率曲线图。
具体实施方式
实施例1：
    一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，如图1(a)所示，该背电极用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构，由聚酰亚胺衬底（PI）、薄Mo薄膜层、Ag薄膜层和厚Mo薄膜层依次叠加构成，薄Mo薄膜层为高阻Mo层，薄膜厚度为50nm；Ag薄膜层为应力缓冲层，薄膜厚度为50nm；厚Mo薄膜层为阻挡层，阻挡层为双层Mo薄膜，第一层Mo薄膜厚度为100nm，第二层Mo薄膜厚度为600nm。
该用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的制备方法，步骤如下:
1）去离子水和去污剂清洗聚酰亚胺衬底30min，然后送入超声机清洗1h，再用去离子水清洗10min，脱水烘干后送入溅射腔室；
2）样品在本底真空为2.1×10-3pa的溅射腔室内，10min内加热至150℃，去气30min；
3）在聚酰亚胺衬底上采用直流磁控溅射法制备薄Mo薄膜层，工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，靶间距60mm，通入的Ar气流量21.1sccm，真空室工作气体压强2.0pa，溅射电流0.5A，溅射薄膜厚度为50nm；
4）采用直流磁控溅射法制备Ag薄膜，工艺参数为：本底真空4×10-4pa，衬底温度23℃，溅射功率50w，溅射厚度为50nm；
5）采用直流磁控溅射法制备厚Mo薄膜层即双层Mo薄膜，通用工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，通入Ar气，流量为21.1sccm，其中第一层Mo薄膜制备时采用高气压溅射，工作气压为2.0pa，溅射功率为130w，溅射时间为15min，薄膜厚度为100nm，第二层Mo薄膜制备时采用低气压溅射，工作气压为0.2pa，溅射功率为220w，溅射时间为30min，薄膜厚度为600nm，制得背电极。
传统背电极与新型背电极的电学参数比较见表1：
表1
Figure 2013103949019100002DEST_PATH_IMAGE001
图3为传统背电极与新型背电极表面的光学显微镜图，图中显示：新型背电极表面没有出现传统背电极所显现的巨大裂痕，薄膜应力较传统电极有明显改善。
图4为传统背电极与新型背电极的反射率曲线图，图中表明：在全波段中，新型背电极的反射率都高于传统电极，尤其在红光区段和近红光区段表现更为明显,这一特点可以有效改善超薄CIGS薄膜电池特性。
所制备的用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的应用，用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，如图1(b)所示，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池由该结构背电极、CIGS吸收层，CdS缓冲层、本征氧化锌（i-ZnO）、掺铝氧化锌（ZnO：Al）和镍铝前电极构成， 其中CIGS吸收层采用三步共蒸发低温工艺制备，薄膜厚度为0.8um；CdS缓冲层采用化学水浴法制备，薄膜厚度为50nm；本征氧化锌（i-ZnO）采用磁控溅射法制备，薄膜厚度为50nm；掺铝氧化锌（Al：ZnO）采用直流磁控溅射法制备，薄膜厚度为350nm；镍铝前电极层采用蒸发方法制备，薄膜厚度为1.5um。
实施例2：
一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，如图1(a)所示，该背电极用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构，由聚酰亚胺衬底（PI）、薄Mo薄膜层、Ag薄膜层和厚Mo薄膜层依次叠加构成，薄Mo薄膜层为高阻Mo层，薄膜厚度为80nm；Ag薄膜层为应力缓冲层，薄膜厚度为80nm；厚Mo薄膜层为阻挡层，阻挡层为双层Mo薄膜，第一层Mo薄膜厚度为200nm，第二层Mo薄膜厚度为700nm。
该用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的制备方法，步骤如下:
1）去离子水和去污剂清洗聚酰亚胺衬底30min，然后送入超声机清洗1h，再用去离子水清洗10min，脱水烘干后送入溅射腔室；
2）样品在本底真空为2.1×10-3pa的溅射腔室内，10min内加热至150℃，去气30min；
3）在聚酰亚胺衬底上采用直流磁控溅射法制备薄Mo薄膜层，工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，靶间距60mm，通入的Ar气流量21.1sccm，真空室工作气体压强2.0pa，溅射电流0.5A，溅射薄膜厚度为80nm；
4）采用直流磁控溅射法制备Ag薄膜，工艺参数为：本底真空4×10-4pa，衬底温度23℃，溅射功率50w，溅射厚度为80nm；
5）采用直流磁控溅射法制备厚Mo薄膜层即双层Mo薄膜，通用工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，通入Ar气，流量为21.1sccm，其中第一层Mo薄膜制备时采用高气压溅射，工作气压为2.0pa，溅射功率为150w，溅射时间为17min，薄膜厚度为200nm，第二层Mo薄膜制备时采用低气压溅射，工作气压为0.2pa，溅射功率为230w，溅射时间为30min，薄膜厚度为700nm，制得背电极。
传统背电极与该结构背电极的电学参数比较、传统背电极与新型背电极表面的光学显微镜图和传统背电极与新型背电极的反射率曲线图的实验结果与实施例1相似或相同。
所制备的用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的应用，用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，如图1(b)所示，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池由该结构背电极、CIGS吸收层，CdS缓冲层、本征氧化锌（i-ZnO）、掺铝氧化锌（ZnO：Al）和镍铝前电极构成， 其中CIGS吸收层采用三步共蒸发低温工艺制备，薄膜厚度为1.5um；CdS缓冲层采用化学水浴法制备，薄膜厚度为100nm；本征氧化锌（i-ZnO）采用磁控溅射法制备，薄膜厚度为100nm；掺铝氧化锌（Al：ZnO）采用直流磁控溅射法制备，薄膜厚度为600nm；镍铝前电极层采用蒸发方法制备，薄膜厚度为2um。
以上实施案例是本发明的两种实施方法，旨在详细和具体说明本发明的内容，不能理解为专利保护范围的限制。同时应当指明，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的构思基础上，进行的各种修改和变化均在本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，其特征在于：该背电极用薄层Ag作为应力缓冲层并与Mo薄膜构成复合结构，由聚酰亚胺衬底（PI）、薄Mo薄膜层、Ag薄膜层和厚Mo薄膜层依次叠加构成，薄Mo薄膜层为高阻Mo层，薄膜厚度为50-80nm；Ag薄膜层为应力缓冲层，薄膜厚度为50-80nm；厚Mo薄膜层为阻挡层，阻挡层为双层Mo薄膜，第一层Mo薄膜厚度为100-200nm，第二层Mo薄膜厚度为600-700nm。
2.一种如权利要求所述用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的制备方法，其特征在于步骤如下:
1）去离子水和去污剂清洗聚酰亚胺衬底30min，然后送入超声机清洗1h，再用去离子水清洗10min，脱水烘干后送入溅射腔室；
2）样品在本底真空为2.1×10-3pa的溅射腔室内，10min内加热至150℃，去气30min；
3）在聚酰亚胺衬底上采用直流磁控溅射法制备薄Mo薄膜层，工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，靶间距60mm，通入的Ar气流量21.1sccm，真空室工作气体压强2.0pa，溅射电流0.5A，溅射薄膜厚度为50-80nm；
4）采用直流磁控溅射法制备Ag薄膜，工艺参数为：本底真空4×10-4pa，衬底温度23℃，溅射功率50w，溅射厚度为50-80nm；
5）采用直流磁控溅射法制备厚Mo薄膜层即双层Mo薄膜，通用工艺参数为：本底真空2.1×10-3pa，衬底温度23℃，通入Ar气，流量为21.1sccm，其中第一层Mo薄膜制备时采用高气压溅射，工作气压为2.0pa，溅射功率为130-150w，溅射时间为15min，薄膜厚度为100-200nm，第二层Mo薄膜制备时采用低气压溅射，工作气压为0.2pa，溅射功率为220-230w，溅射时间为30min，薄膜厚度为600-700nm。
3.一种如权利要求所述用于聚酰亚胺衬底铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极的应用，其特征在于：用于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的背电极，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池由该结构背电极、CIGS吸收层，CdS缓冲层、本征氧化锌（i-ZnO）、掺铝氧化锌（ZnO：Al）和镍铝前电极构成， CIGS吸收层薄膜厚度为0.8-1.5um，CdS缓冲层薄膜厚度为30-100nm，本征氧化锌（i-ZnO）薄膜厚度为30-150nm，掺铝氧化锌（Al：ZnO）薄膜厚度为300-1500nm，镍铝前电极层薄膜厚度为0.5um-4um。
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