CN105023961A - 一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，包括柔性衬底，以及在柔性衬底上由下至上逐层沉积而成的Mo背电极层、Cu2ZnSnS4光吸收层、CdS缓冲层、AZO/i-ZnO窗口层、MgF2减反层和Ni-Al栅电极。本发明采用Cu2ZnSnS4取代传统的CuInGaSe2作为薄膜太阳能电池的光吸收层，用对环境友好的Zn、Sn和S取代稀有元素In、Ga和Se，减少了薄膜电池中稀有元素的含量，降低了薄膜太阳能电池及其器件的制造成本，并且绿色环保，适用于roll-to-roll大面积柔性薄膜太阳能的产业化生产，该种薄膜太阳能电池质量轻、比功率高，且可卷曲、易于携带，具有广泛的应用市场。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池器件制备技术领域，具体地讲，涉及的是一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
铜铟镓硒（CuInxGa1-xSe2）薄膜太阳能电池具有转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强、实验室光电转换效率超过20%等优点，被认为是最具发展前景的薄膜太阳电池之一。随着多家公司相继提出并逐步实现CuInxGa1-xSe2太阳能电池的大规模产业化，CuInxGa1-xSe2太阳能电池的发展已经迈上了一个新的台阶，目前其大面积组件的效率已超过15%，全球年产能超过1GW。
然而，CuInxGa1-xSe2吸收层中的In、Ga、Se为稀有元素且有一定的毒性，严重制约了CuInxGa1-xSe2薄膜电池的产业化发展。寻找价格低廉且更加环保的代替材料成为近年来本领域技术人员重点研究的课题。
同为黄铜矿结构的半导体化合物铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4）被认为是最有可能成为取代CuInxGa1-xSe2吸收层的材料。Cu2ZnSnS4 是p型半导体，光学带隙1.5eV，光吸收系数高达104cm-1，适合作为薄膜太阳能电池的吸收层。和In、Ga、Se相比，Zn、Sn和S的储量丰富、价格低廉、毒性低且环保。
发明内容
为克服现有技术存在的稀有元素使用量大、有污染且成本较高的问题，本发明提供一种稀有元素较少且绿色环保的柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，包括柔性衬底，以及在柔性衬底上由下至上逐层沉积而成的Mo背电极层、Cu2ZnSnS4光吸收层、CdS缓冲层、AZO/i-ZnO窗口层、MgF2减反层和Ni-Al栅电极。
其中，所述柔性衬底为聚亚酰胺薄膜、不锈钢薄板、Ni薄膜中的一种。
具体地，所述Mo背电极层由上下层叠设置的高阻尼层和低阻尼层组成。
进一步地，所述高阻尼层的厚度为100±5 nm，低阻尼层的厚度为500±25 nm。
更具体地，所述AZO/i-ZnO窗口层由上下层叠设置的本征ZnO阻挡层和掺铝ZnO导电层组成。
进一步地，所述本征ZnO阻挡层的厚度为50±3 nm，掺铝ZnO导电层的厚度为400±20 nm。
作为优选，所述Cu2ZnSnS4光吸收层的厚度为2±0.1μm，所述CdS缓冲层的厚度为80±4nm，所述MgF2减反层的厚度为100±5μm，所述Ni-Al栅电极的厚度为1.2±0.06μm。
基于上述构造，本发明还提供了该柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）选用相应的柔性衬底，经超声清洗后由氮气吹干；
（2）采用直流溅射工艺在柔性衬底上沉积Mo背电极层；
（3）采用共蒸发法在Mo背电极层上沉积一层厚度为2±0.1μm的 Cu2ZnSnS4薄膜，作为光吸收层；
（4）通过化学水浴法在Cu2ZnSnS4光吸收层上沉积一层厚度为80±4nm 的CdS薄膜，作为缓冲层；
（5）采用溅射法在CdS缓冲层上沉积AZO/i-ZnO窗口层；
（6）采用蒸发法在AZO/i-ZnO窗口层上先后沉积厚度为100±5μm 的MgF2减反层和厚度为1.2±0.06μm 的Ni-Al栅电极，制成柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池。
所述步骤（2）中，先在如下条件下溅射沉积厚度为100±5 nm的高阻尼层：Ar气氛围，Ar气流量80sccm，衬底转速25r/min，工作压强1Pa，溅射功率60W，溅射时间40min；再在下述条件下溅射沉积厚度为500±25 nm的低阻尼层：Ar气氛围，Ar气流量16sccm，衬底转速25 r/min，工作压强0.2 Pa，溅射功率180W，溅射时间150min，形成Mo背电极层。
所述步骤（5）中，先利用射频溅射工艺在CdS缓冲层上沉积厚度为50±3 nm的本征ZnO阻挡层，再利用直流溅射工艺在本征ZnO阻挡层上沉积厚度为400±20 nm的掺铝ZnO导电层，形成AZO/i-ZnO窗口层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用Cu2ZnSnS4作为薄膜太阳能电池的光吸收层，用对环境友好的Zn、Sn和S取代稀有元素In、Ga和Se，减少了薄膜电池中稀有元素的含量，降低了薄膜太阳能电池及其器件的制造成本，而且本发明构思巧妙，结构简单，采用的稀有元素少，绿色环保，成本低廉，易于生产和制造，具有广泛的应用前景，适合推广应用。
附图说明
图1为本发明的层状结构示意图。
上述附图中，附图标记对应的名称如下：
1-柔性衬底，2-Mo背电极层，3- Cu2ZnSnS4光吸收层，4- CdS缓冲层，5- AZO/i-ZnO窗口层，6-MgF2减反层，7-Ni-Al栅电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
该柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，包括柔性衬底1，以及在柔性衬底上由下至上逐层沉积而成的Mo背电极层2、Cu2ZnSnS4光吸收层3、CdS缓冲层4、AZO/i-ZnO窗口层5、MgF2减反层6和Ni-Al栅电极7。其核心层由Cu2ZnSnS4取代了传统的CuInGaSe2作为光吸收层。本实施例中以聚亚酰胺薄膜作为柔性衬底，并且Mo背电极层和AZO/i-ZnO窗口层均采用双层结构。具体地，所述Mo背电极层由上下层叠设置的高阻尼层和低阻尼层组成，其中，所述高阻尼层的厚度为100±5 nm，低阻尼层的厚度为500±25 nm；所述AZO/i-ZnO窗口层由上下层叠设置的本征ZnO阻挡层和掺铝ZnO导电层组成，其中，所述本征ZnO阻挡层的厚度为50±3 nm，掺铝ZnO导电层的厚度为400±20 nm。进一步地，作为优选，所述Cu2ZnSnS4光吸收层的厚度为2±0.1μm，所述CdS缓冲层的厚度为80±4nm，所述MgF2减反层的厚度为100±5μm，所述Ni-Al栅电极的厚度为1.2±0.06μm。
上述构造的薄膜太阳能电池的制作方法如下：
（1）选用聚亚酰胺薄膜为柔性衬底，经超声清洗后由氮气吹干。
（2）采用直流溅射工艺在柔性衬底上沉积Mo背电极层，具体为，先在Ar气氛围、Ar气流量80sccm、衬底转速25r/min、工作压强1Pa的条件下，以60W的溅射功率在柔性衬底上直流溅射40min，沉积厚度为100±5 nm的高阻尼层，然后在Ar气氛围、Ar气流量16sccm、衬底转速25 r/min、工作压强0.2 Pa的条件下，以180W的溅射功率在高阻尼层上直流溅射150min，沉积厚度为500±25 nm的低阻尼层。
（3）采用共蒸发法在Mo背电极层上沉积一层厚度为2±0.1μm的 Cu2ZnSnS4薄膜，作为光吸收层。
（4）通过化学水浴法在Cu2ZnSnS4光吸收层上沉积一层厚度为80±4nm 的CdS薄膜，作为缓冲层。
（5）采用溅射法在CdS缓冲层上沉积AZO/i-ZnO窗口层，具体为，先利用射频溅射工艺在CdS缓冲层上沉积厚度为50±3 nm的本征ZnO阻挡层，再利用直流溅射工艺在本征ZnO阻挡层上沉积厚度为400±20 nm的掺铝ZnO导电层。
（6）采用蒸发法在AZO/i-ZnO窗口层上先后沉积厚度为100±5μm 的MgF2减反层和厚度为1.2±0.06μm 的Ni-Al栅电极，制成柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池。
通过上述设置，有效地减少了薄膜太阳能电池中的稀有元素含量，降低了稀有元素的毒性，绿色环保，也降低了薄膜太阳能电池及其器件的制造成本，符合产业需求，适合推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，包括柔性衬底，以及在柔性衬底上由下至上逐层沉积而成的Mo背电极层、Cu2ZnSnS4光吸收层、CdS缓冲层、AZO/i-ZnO窗口层、MgF2减反层和Ni-Al栅电极。
2. 根据权利要求1所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，所述柔性衬底为聚亚酰胺薄膜、不锈钢薄板、Ni薄膜中的一种。
3. 根据权利要求1所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，所述Mo背电极层由上下层叠设置的低阻尼层和高阻尼层组成。
4. 根据权利要求2所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，所述高阻尼层的厚度为100±5 nm，低阻尼层的厚度为500±25 nm。
5. 根据权利要求1所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，所述AZO/i-ZnO窗口层由上下层叠设置的掺铝ZnO导电层和本征ZnO阻挡层组成。
6. 根据权利要求5所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，所述本征ZnO阻挡层的厚度为50±3 nm，掺铝ZnO导电层的厚度为400±20 nm。
7. 根据权利要求1~6任一项所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池，其特征在于，所述Cu2ZnSnS4光吸收层的厚度为2±0.1μm，所述CdS缓冲层的厚度为80±4nm，所述MgF2减反层的厚度为100±5μm，所述Ni-Al栅电极的厚度为1.2±0.06μm。
8. 如权利要求1~7任一项所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）选用相应的柔性衬底，经超声清洗后由氮气吹干；
（2）采用直流溅射工艺在柔性衬底上沉积Mo背电极层；
（3）采用共蒸发法在Mo背电极层上沉积一层厚度为2±0.1μm的 Cu2ZnSnS4薄膜，作为光吸收层；
（4）通过化学水浴法在Cu2ZnSnS4光吸收层上沉积一层厚度为80±4nm 的CdS薄膜，作为缓冲层；
（5）采用溅射法在CdS缓冲层上沉积AZO/i-ZnO窗口层；
（6）采用蒸发法在AZO/i-ZnO窗口层上先后沉积厚度为100±5μm 的MgF2减反层和厚度为1.2±0.06μm 的Ni-Al栅电极，制成柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池。
9. 根据权利要求8所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，先在如下条件下溅射沉积厚度为100±5 nm的高阻尼层：Ar气氛围，Ar气流量80sccm，衬底转速25r/min，工作压强1Pa，溅射功率60W，溅射时间40min；再在下述条件下溅射沉积厚度为500±25 nm的低阻尼层：Ar气氛围，Ar气流量16sccm，衬底转速25 r/min，工作压强0.2 Pa，溅射功率180W，溅射时间150min，形成Mo背电极层。
10. 根据权利要求8所述的一种柔性铜锌锡硫薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，先利用射频溅射工艺在CdS缓冲层上沉积厚度为50±3 nm的本征ZnO阻挡层，再利用直流溅射工艺在本征ZnO阻挡层上沉积厚度为400±20 nm的掺铝ZnO导电层，形成AZO/i-ZnO窗口层。
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