CN103474488A - 一种薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种薄膜太阳能电池，在低阻窗口层形成电极凹槽，采集电极沉积于电极凹槽内。在设置缓冲层、高阻窗口层足够的厚度以保证其膜层的致密度的前提下，可有效降低界面光生载流子复合几率；将采集电极设置于电极凹槽内，不但可以降低两者接触区域垂直方向上高阻窗口层的厚度，有效降低太阳能电池的内阻，提高了太阳能电池的输出功率；同时，增大了采集电极与由高阻窗口层、低阻窗口层构成的透明窗口层的接触面积，提高了采集电极对光生载流子的采集率，进一步提高了薄膜太阳能电池的输出功率；而且，本发明所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法，工艺简单，易实现大规模工业生产。

Description

一种薄膜太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种透明导电窗口层带凹槽的薄膜太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。有太阳光入射时，太阳光照在半导体薄片的p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通外电路后就形成电流；在物理学上称为光生伏特（英文全称为Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。

在晶体硅太阳能电池原材料短缺、价格快速上涨的背景下，业内人士逐渐将目光转向了成本较低的薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池是衬底上依次沉积多层薄膜而构成的光伏器件，相比于传统的晶硅电池，非晶硅、化合物半导体等薄膜太阳能电池需要更少的光伏材料，制膜技术也较成熟，目前转换效率最高达20%，与高效的晶硅电池相当。更重要的是，薄膜电池太阳电池除了具备平面结构之外，也因其具有柔性可以制作成非平面构造，扩大了应用范围，可与建筑物结合或是作为建筑体的一部分，应用非常广泛，近年来呈现出蓬勃发展的态势。

中国专利CN102856427公开了“一种印刷式薄膜太阳能电池及制作”，如图1所示，所述薄膜太阳能电池的结构包括从下往上依次设置的玻璃衬底7、导电层6、吸收层5、过渡层4、高阻窗口层3、低阻窗口层2，以及设置在低阻窗口层2上的采集电极1。吸收层5为CIGS层，是P型半导体层；高阻窗口层3为ZnO（氧化锌）层，为N型半导体层，两者构成p-n结，当有太阳光入射时，形成光生伏特。低阻窗口层2为ZnO:Al(掺铝氧化锌)层，起着透过太阳光和收集光生载流子的作用。

由于CIGS与ZnO带隙相差太大、且晶格常数相差较大，直接接触的晶格匹配不好，影响光伏电池的输出性能，因此，通常在CIGS与ZnO之间增加一层CdS（硫化镉）作为缓冲层或过渡层4，与ZnO层共同构成N型半导体层。制备出结构致密的CdS层，不但可以降低带隙不连续性，缓冲CIGS层与ZnO层的晶格不匹配的问题，而且能够完整地包覆在CIGS层表面，有效阻止溅射ZnO对CIGS层的损伤，避免由此引起的电池短路的现象；另外，更重要的是，结构致密、膜层缺陷少的过渡层4，可以大大减少界面光生载流子复合几率。同样，为了降低界面光生载流子复合几率，高阻窗口层3也必须结构致密、膜层缺陷少。然而，制备结构致密的过渡层4和高阻窗口层3往往是建立在增加膜层厚度的基础上的，随着过渡层4和高阻窗口层3膜层厚度的增加，则会提高了太阳能电池的内阻，甚至会导致电池绝缘，不利于光生载流子的有效输出；若过渡层4和高阻窗口层3过薄，则膜层缺陷增多，不但起不到上述减少界面光生载流子复合几率的作用，反而会增加界面光生载流子复合几率，影响电池的输出功率。

发明内容

为此，本发明所要解决的现有薄膜太阳能电池结构中，较低的界面光生载流子复合几率和较小的太阳能电池内阻不可兼得的问题，提供一种界面光生载流子复合几率低、电池内阻小的薄膜太阳能电池及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明所述的一种薄膜太阳能电池，包括在透明基底的垂直方向上依次制备的背电极层、光吸收层、缓冲层、高阻窗口层、低阻窗口层和采集电极，所述低阻窗口层形成有电极凹槽，所述采集电极填充于所述电极凹槽内，充满所述电极凹槽并露出于所述低阻窗口层所在平面外；所述电极凹槽的深度小于等于所述缓冲层、所述高阻窗口层以及所述低阻窗口层厚度之和。

所述电极凹槽的数量大于或等于1。

所述电极凹槽的深度方向垂直于所述低阻窗口层所在平面。

所述高阻窗口层为透明的氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中一种或多种的堆叠结构。

所述低阻窗口层为透明的氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中的一种或多种的堆叠结构，且所述氧化铟层、所述氧化锌层以及所述氧化锡层中掺杂有硒、铝、镓、铟、镉、锑中一种或几种。

所述采集电极为Al、Ag、Au、Ni、Cu、Cu/Ni、Al/Ni、Ti/Pd/Ag、Ti/W电极中的一种。

本发明所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

S1、在透明基底的垂直方向上依次制备背电极层、光吸收层、缓冲层、高阻窗口层、低阻窗口层；

S2、在所述低阻窗口层上形成电极凹槽，所述电极凹槽的深度小于等于所述缓冲层、所述高阻窗口层以及所述低阻窗口层的厚度之和；

S3、在所述电极凹槽内沉积采集电极，所述采集电极充满所述电极凹槽并露出于所述低阻窗口层所在平面外。

所述电极凹槽的形成方法为反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀、湿法腐蚀刻蚀中的一种。

所述采集电极的沉积方法为溅射、电镀、热蒸发中的一种。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明所述的一种薄膜太阳能电池，在低阻窗口层形成有若干电极凹槽，采集电极沉积于电极凹槽内，并露出于低阻窗口层所在平面外；电极凹槽的深度方向垂直于低阻窗口层所在平面，电极凹槽的深度小于等于缓冲层、高阻窗口层以及低阻窗口层厚度之和。本发明所述的薄膜太阳能电池在设置缓冲层、高阻窗口层足够的厚度以保证其膜层的致密度的前提下，可有效降低界面光生载流子复合几率；将采集电极设置于电极凹槽内，不但可以降低两者接触区域垂直方向上高阻窗口层的厚度，有效降低太阳能电池的内阻，提高了太阳能电池的输出功率；而且，增大了采集电极与由高阻窗口层、低阻窗口层构成的透明窗口层的接触面积，提高了采集电极对光生载流子的采集率，进一步提高了薄膜太阳能电池的输出功率。

2、本发明所述的一种薄膜太阳能电池，采用反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）或湿法腐蚀刻蚀中的一种形成电极凹槽，在形成过程中可以有效平滑采集电极与缓冲层、窗口层的接触表面，提高采集电极与缓冲层、窗口层的有效接触面积，由此可降低太阳能电池的内阻，提高薄膜太阳能电池的输出功率。

3、本发明所得一种薄膜太阳能电池的制备方法，通过在低阻窗口层形成有若干电极凹槽，将采集电极填充于电极凹槽内，以达到同时有效降低界面光生载流子复合几率和降低太阳能电池的内阻的目的，提高了太阳能电池的输出功率；制备工艺简单，易实现大规模工业生产，且提高太阳能电池的输出功率效果明显。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是中国专利CN102856427所公开的薄膜太阳能电池的结构示意图；

图2是本发明所述薄膜太阳能电池形成电极凹槽后的结构示意图；

图3是图2的剖面图；

图4是本发明所述薄膜太阳能电池的结构示意图；

图5是图4的剖面图；

图中附图标记表示为：101-透明基板、201-背电极层、301-光吸收层、302-缓冲层、303-高阻窗口层、304-低阻窗口层、305-电极凹槽、401-采集电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

本发明可以以许多不同的形式实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的，并且将把本发明的构思充分传达给本领域技术人员，本发明将仅由权利要求来限定。在附图中，为了清晰起见，会夸大层和区域的尺寸和相对尺寸。

实施例1

本实施例提供一种薄膜太阳能电池及其制备方法，所述薄膜太阳能电池包括在透明基底101的垂直方向上依次制备的背电极层201、光吸收层301、缓冲层302、高阻窗口层303、低阻窗口层304和采集电极401；所述低阻窗口层304上形成有2个电极凹槽305，所述采集电极401沉积于所述电极凹槽305内，并露出于所述低阻窗口层304所在平面外；所述电极凹槽305的深度方向垂直于所述低阻窗口层304所在平面，所述电极凹槽305的深度小于等于所述缓冲层302、所述高阻窗口层303以及所述低阻窗口层304厚度之和。

作为本发明的其他实施例，所述电极凹槽305的数量可以大于等于1个，均能实现发明的目的，属于本发明的保护范围。

作为本发明的其他实施例，所述电极凹槽305的深度方向还可以倾斜设置于所述低阻窗口层304所在平面，也能实现发明的目的，属于本发明的保护范围。

所述透明基底101选自但不限于玻璃基底或透明聚合物基底，本实施例优选玻璃基底。

所述背电极层201选自但不限于导电金属层、导电金属氧化物层或导电聚合物层，如不锈钢层、铝层、钛层、钼层、氧化铟锡层、聚酰亚胺层中的一种，本实施例优选钼层。

所述光吸收层301选自但不限于化合物半导体层、多晶/微晶硅层、聚合物半导体层中的一种，本实施例优选化合物半导体层中的CIGS（铜铟镓硒）层。

所述缓冲层302优选但不限于ZnS（硫化锌）层。

所述高阻窗口层303选自但不限于透明的本征氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中一种或多种的堆叠结构，本实施例优选i-ZnO（本征氧化锌）层。

所述低阻窗口层304选自但不限于透明的并掺杂有硒、铝、镓、铟、镉、锑中一种或几种的氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中的一种或多种的堆叠结构，本实施例优选ZnO:Al（掺铝氧化锌）层。

所述采集电极401选自但不限于Al、Ag、Au、Ni、Cu、Cu/Ni（依次沉积的Cu金属层和Ni金属层）、Al/Ni（依次沉积的Al金属层和Ni金属层）、Ti/Pd/Ag（依次沉积的Ti金属层、Pd金属层和Ag金属层）、Ti/W（依次沉积的Ti金属层和W金属层）电极中的一种，本实施例优选Ti/W电极。

所述薄膜太阳能电池的制备方法，具体包括如下步骤：

S1、透明基底101的垂直方向上依次制备背电极层201、光吸收层301、缓冲层302、高阻窗口层303、低阻窗口层304。

所述透明基底101选自但不限于玻璃基底或透明聚合物基底，本实施例优选玻璃基底。首先，清洁玻璃基底，将玻璃基底在5wt%NaOH（氢氧化钠）水溶液中50℃下浸泡20分钟，再用DI水清洗衬底表面，最后并用氮气吹干待用。

所述背电极层201选自但不限于导电金属层、导电金属氧化物层或导电聚合物层，如不锈钢层、铝层、钛层、钼层、氧化铟锡层、聚酰亚胺层中的一种，本实施例优选钼层。在清洗完毕的玻璃基底上采用磁控溅射溅镀Mo（钼）金属层，以Ar（氩气）为气源、钼金属为靶源，真空度0.4Pa环境下，在透明基底101上溅镀一层厚度约为0.7微米Mo金属薄膜层作为背电极层201。

所述光吸收层301选自但不限于化合物半导体层、多晶/微晶硅层、聚合物半导体层中的一种，本实施例优选化合物半导体层中的CIGS（铜铟镓硒）层。在磁控溅射设备中，以Ar为气源、铜镓合金（Cu/Ga=4）和铟为靶源，在气压为0.5Pa的真空度下，在背电极层201上继续溅镀一层1.2微米厚的铜铟镓合金作为光吸收层301的前体，所述铜铟镓合金中组分的原子数量比控制为：Cu/(In+Ga)=0.8，Ga/(In+Ga)=0.2，沉积完毕后放置在硒化炉中，迅速加热至500℃用氮气稀释的含10%体积的硒化氢（H₂Se）硒化二十分钟，得CIGS层。

所述缓冲层302优选但不限于ZnS（硫化锌）层。将上述制得CIGS层的玻璃基底浸泡在含有1.5毫摩尔ZnSO₄（硫酸锌），150毫摩尔SC(NH₂)₂（硫脲）和1摩尔NH₃H₂O（氨水）的水浴中，并在80℃下反应十五分钟，沉积厚度为80纳米的硫化锌作为缓冲层302。

所述高阻窗口层303选自但不限于透明的本征氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中一种或多种的堆叠结构，本实施例优选i-ZnO（本征氧化锌）层。采用磁控溅射的方法，以氩气和氧气（氩气比氧气体积为4比1）为气源、氧化锌陶瓷靶为靶源，在气压为0.4Pa的真空度下，在硫化锌缓冲层上面真空磁控溅射镀一层40纳米厚氧化锌作为本征高阻窗口层303。

所述低阻窗口层304选自但不限于透明的并掺杂有硒、铝、镓、铟、镉、锑中一种或几种的氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中的一种或多种的堆叠结构，本实施例优选ZnO:Al（掺铝氧化锌）层。同样采用磁控溅射的方法，以氩气和氧气（氩气比氧气体积为4比1）为气源、含1wt%Al₂O₃的氧化锌陶瓷靶为靶源，在气压为0.4Pa的真空度下，在氧化锌高阻窗口层303上真空磁控溅射镀一层约为1.0微米厚的掺铝氧化锌低阻窗口层304。

S2、如附图2和附图3所示，在所述低阻窗口层304上形成若干电极凹槽305，所述电极凹槽305的深度方向垂直于所述低阻窗口层304所在平面。

所述电极凹槽305的形成方法包括通过反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）、湿法腐蚀刻蚀中的一种，本实施例优选湿法腐蚀刻蚀。

具体为，将冰醋酸跟水按体积比1：1的比例混合，对低阻窗口层304进行选择性刻蚀，刻蚀时间20min，刻蚀深度为1.0微米，等于所述低阻窗口层304厚度，最后形成电极凹槽305。

作为本发明的其他实施例，所述电极凹槽305的深度小于等于所述缓冲层302、所述高阻窗口层303以及所述低阻窗口层304的厚度之和均能实现发明的目的，属于本发明的保护范围。

S3、如附图4和附图5所示，在所述电极凹槽305内沉积采集电极401，所述采集电极401充满所述电极凹槽305，并露出于所述低阻窗口层304所在平面外。

所述采集电极401选自但不限于Al、Ag、Au、Ni、Cu、Cu/Ni、Al/Ni、Ti/Pd/Ag、Ti/W电极中的一种，本实施例优选Ti/W（依次沉积的Ti金属层和W金属层）电极。

所述采集电极401的沉积方法选自但不限于溅射、电镀、热蒸发中的一种，本实施例优选热蒸发工艺。

在所述电极凹槽305中先热蒸发沉积厚度约为1微米的Ti金属层，然后热蒸发沉积大约50微米的W金属层，从而完成所述采集电极401的制备。

所述的一种薄膜太阳能电池，在低阻窗口层形成有若干电极凹槽，采集电极沉积于电极凹槽内，在设置缓冲层、高阻窗口层足够的厚度以保证其膜层的致密度的前提下，可有效降低界面光生载流子复合几率；将采集电极设置于电极凹槽内，不但可以降低两者接触区域垂直方向上高阻窗口层的厚度，有效降低太阳能电池的内阻，提高了太阳能电池的输出功率；而且，增大了采集电极与由高阻窗口层、低阻窗口层构成的透明窗口层的接触面积，提高了采集电极对光生载流子的采集率，进一步提高了薄膜太阳能电池的输出功率。与此同时，所述薄膜太阳能电池的制备方法制备工艺简单，易实现大规模工业生产，且提高太阳能电池的输出功率效果明显。

采用反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）或湿法腐蚀刻蚀中的一种形成电极凹槽，在形成过程中可以有效平滑采集电极与缓冲层、窗口层的接触表面，提高采集电极与缓冲层、窗口层的有效接触面积，由此可降低太阳能电池的内阻，提高薄膜太阳能电池的输出功率。

为了进一步体现本发明所述的薄膜太阳能电池的优势，特设计并实施对比例1，以供参考。

对比例1

本对比例提供一种薄膜太阳能电池及其制备方法，具体实施方式同实施例1，唯一不同的是所述薄膜太阳能电池不设置电极凹槽305，所述采集电极401直接设置在所述低阻窗口层304上。

对比例2

本对比例提供一种薄膜太阳能电池及其制备方法，具体实施方式同对比例1，唯一不同的是所述薄膜太阳能电池的高阻窗口层303的厚度小于对比例1中的厚度，厚度为30纳米。

上述实施例和对比例中所提供的薄膜太阳能电池长度均为312mm，宽度均为35mm，采用Newport公司生产的92190型太阳能模拟器对上述实施例和对比例中所提供的薄膜太阳能电池的性能进行测试，具体测试方法和测试数据如下所示：

	输出功率（W）	串联电阻Rs（mΩ）
			实施例1	1.638	19.69
对比例1	1.610	21.89
			对比例2	1.621	20.42

通过实施例1和对比例1的测试结果可以发现：本发明所述的薄膜太阳能电池增大了采集电极与由高阻窗口层、低阻窗口层构成的透明窗口层的接触面积，提高了采集电极对光生载流子的采集率，从而可以降低薄膜太阳能电池的串联电阻，提高了薄膜太阳能电池的输出功率。

由对比例1和对比例2的测试结果可知，本发明所述的薄膜太阳能电池结构能有效增加薄膜太阳能电池的输出功率，降低串联电阻；同时，通过实施例1和对比例2的测试结果可知：降低本征高阻窗口层的厚度会在一定程度上降低薄膜太阳能电池的输出功率，增加薄膜太阳能电池的串联电阻。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种薄膜太阳能电池，包括在透明基底（101）的垂直方向上依次制备的背电极层（201）、光吸收层（301）、缓冲层（302）、高阻窗口层（303）、低阻窗口层（304）和采集电极（401），其特征在于：所述低阻窗口层（304）形成有电极凹槽（305），所述采集电极（401）填充于所述电极凹槽（305）内，充满所述电极凹槽（305）并露出于所述低阻窗口层（304）所在平面外；所述电极凹槽（305）的深度小于等于所述缓冲层（302）、所述高阻窗口层（303）以及所述低阻窗口层（304）厚度之和。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述电极凹槽（305）的数量大于或等于1。

3.根据权利要求1或2所述的一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述电极凹槽（305）的深度方向垂直于所述低阻窗口层（304）所在平面。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述高阻窗口层（303）为透明的氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中一种或多种的堆叠结构。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述低阻窗口层（304）为透明的氧化铟层、氧化锌层、氧化锡层中的一种或多种的堆叠结构，且所述氧化铟层、所述氧化锌层以及所述氧化锡层中掺杂有硒、铝、镓、铟、镉、锑中一种或几种。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述采集电极（401）为Al、Ag、Au、Ni、Cu、Cu/Ni、Al/Ni、Ti/Pd/Ag、Ti/W电极中的一种。

7.一种权利要求1-6任一所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在透明基底（101）的垂直方向上依次制备背电极层（201）、光吸收层（301）、缓冲层（302）、高阻窗口层（303）、低阻窗口层（304）；

S2、在所述低阻窗口层（304）上形成电极凹槽（305），所述电极凹槽（305）的深度小于等于所述缓冲层（302）、所述高阻窗口层（303）以及所述低阻窗口层（304）的厚度之和；

S3、在所述电极凹槽（305）内沉积采集电极（401），所述采集电极（401）充满所述电极凹槽（305）并露出于所述低阻窗口层（304）所在平面外。

8.根据权利要求7所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述电极凹槽（305）的形成方法为反应离子刻蚀（RIE）、感应耦合等离子体刻蚀（ICP）、湿法腐蚀刻蚀中的一种。

9.根据权利要求7或8所述的一种薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述采集电极（401）的沉积方法为溅射、电镀、热蒸发中的一种。

Images