CN105140359A - 一种新技术制备缓冲层以提高铜铟镓硒太阳能电池的光电转换效率 - Google Patents
一种新技术制备缓冲层以提高铜铟镓硒太阳能电池的光电转换效率 Download PDFInfo
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Abstract
铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳能电池由于其诸多优点，成为最有发展潜力的太阳能电池技术。在CIGS制备过程中，常常使用化学水浴法来制备硫化镉(CdS)作为缓冲层，本发明提出一种新的技术在使用化学水浴法制备缓冲层的过程中可以提高铜铟镓硒太阳能电池器件的光电转换效率。这种方法是在用化学水浴法制备缓冲层薄膜的时候，对于反应溶液进行超声处理。超声处理可以促进金属离子到铜铟镓硒吸收层的掺杂，在铜铟镓硒吸收层的表面形成反型层，减少载流子在界面的复合。另外超声处理还可以减小疏松的硫化镉大颗粒在薄膜表面的沉积，提高缓冲层薄膜的致密性。实验证明，采用本发明中提出的技术制备缓冲层使得铜铟镓硒太阳能电池的光电转换效率得到了提高。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及到一种铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳能电池器件。
背景技术
一切能量都来自于能源，人类的生活离不开能源。进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，特别是当今煤炭、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至只能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代新能源。另外，煤炭、石油和天然气等矿石燃料在使用过程中，还会带来一系列的环境问题：全球性的温室效应使得全球气温升高，海平面上升；空气污染；干旱，荒漠化；废气、废物、废液大量排放，造成人类环境的严重污染。
所以寻找清洁的可再生新能源成为当前人类很迫切的任务。在现有的可再生新能源中，太阳能成为最受人们关注的清洁新能源。太阳能具有很多优点，它随处可得，数量巨大；取之不尽，用之不竭；既清洁又安全，无污染，又不会影响生态环境。所以，开发利用太阳能成为世界各国发展清洁新能源的战略决策。
在现有的太阳能电池技术中，硅基太阳能技术是目前最为成熟的，也是市场占有率最高的，但是受制于高耗能、高污染的制备过程，使其并不能成为最理想的太阳能技术。铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳能电池具有光吸收能力强，稳定性好、抗辐照性能好、效率高、成本低，可以做成柔性组件，最适合作为光伏建筑一体化(BIPV)使用等优点，受到了人们关注，是一种很有发展潜力的太阳能电池技术。
现在CIGS薄膜太阳能电池的理论最高效率为33％，最新报道，现在实验室制备的CIGS薄膜太阳能电池的最高效率可达到21.7％。为了得到高效的CIGS薄膜太阳能电池，在CIGS吸收层和透明电极(TCO)之间，往往需要加入一缓冲层。缓冲层的作用是减少CIGS吸收层和透明电极之间的晶格失配和能级失配，还可以保护吸收层表面，在减少透明电极的时候不被破坏，从而减小界面复合，提高光电转换效率。缓冲层起着重要的作用，它的薄膜质量和光电特性会对铜铟镓硒太阳能电池器件的光电转换效率产生很重要的影响。在本发明中，我们以硫化镉(CdS)缓冲层材料作为例证，提出一种新的技术，可以提高硫化镉缓冲层的质量，从而提高CIGS太阳能电池的光电转换效率。
最常用的生长硫化镉薄膜的办法是化学水浴法(ChemicalBathDeposition，CBD)，化学水浴法制备硫化镉薄膜的优点在于：工艺简单，成本低廉，成膜均匀致密，与铜铟镓硒吸收层的晶格以及能级的匹配性好，容易规模化生产。特别是水浴法生长过程中，溶液中的镉离子可以掺杂到铜铟镓硒吸收层，在铜铟镓硒表面形成一层反型层，可以减少载流子在铜铟镓硒吸收层和缓冲层界面的复合。本发明提出了一种新的技术，对于传统的CBD方法制备硫化镉薄膜进行了改进，我们改进的方法是在CBD的过程中，对于反应溶液加入超声处理，实验证实，采用我们的技术制备的硫化镉薄膜，可以提高铜铟镓硒太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的化学水浴法方法来制备硫化镉薄膜，以提高铜铟镓硒太阳能电池的光电转换效率。为了对本发明的技术方案做更好的说明，本文中采用常用的CIGS太阳能电池器件结构作为例证(如附图1所示)。器件结构包括：
—衬底(1)，衬底可以是玻璃，也可以是柔性衬底如不锈钢或者聚酰亚胺PI塑料，用于承托CIGS器件。使用之前需要进行清洗处理。
—金属背电极(2)，一般常用金属钼(Mo)作为背电极，用溅射的办法沉积在玻璃衬底(1)上，可以作为正极导出空穴。
—吸收层(3)，CIGS吸收层一般沉积在背电极上，用于吸收入射太阳光。CIGS吸收层可以采用溅射后硒化，多元共蒸，电镀，溶液法等沉积技术均可。
—缓冲层(4)，一般利用化学水浴法制备硫化镉(CdS)作为缓冲层(4)沉积在吸收层(3)上，它既可以和p型的CIGS层形成pn结，有可以作为CIGS层与ZnO层的过渡层，能够缓冲晶格失配和能带台阶。在本发明中，我们在化学水浴法沉积硫化镉的过程中引入超声，以提高太阳能电池器件的性能。
—透明电极TCO(5)，常用高阻氧化锌(IZO)和掺铝氧化锌(AZO)作为透明电极(5)制作在缓冲层(4)上，既可以透过太阳光，又可以收集传输电子，作为太阳能电池的负极。
—金属栅极(6)，常用镍铝(Ni/Al)电极沉积在AZO层上面，可以更有效的收集电子并把电子导出。在实际应用中，大面积的CIGS电池组件产品是不需要金属栅极(6)的，而是用激光刻划的办法在电池组件内部进行串联或者并联，组件表面是看不到金属电极的，这样的组件相比晶硅组件美观大方，更适用于光伏建筑一体化。
本发明的主要技术特点就是在化学水浴法沉积硫化镉的过程中引入超声辅助，也就是在反应过程中对溶液加以超声处理，第一，超声可以增加溶液中离子的扩散速度，使得镉离子更容易掺杂到铜铟镓硒吸收层中。第二，在硫化镉生长过程中，有可能会有一些大的颗粒通过“簇簇机制”沉积在薄膜表面，这些大颗粒比较疏松不够致密，而且粘附性不好。超声可以在硫化镉的生长过程中去除这些疏松的大颗粒，就可以得到更加均匀致密的硫化镉薄膜，从而以提高太阳能电池器件的性能。
附图说明
为进一步说明本发明的内容以及特点，以下结合附图对本发明作详细的描述，并给出具体的实施例证。其中图1是CIGS薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合具体的实施例证进行具体说明如下：
首先，在反应容器中分别加入CdSO4，氨水，硫脲和水，使得溶液中CdSO4的浓度为0.00001到0.1摩尔每升，氨水的浓度为0.01到20摩尔每升，硫脲的浓度为0.0005到1摩尔每升。
然后，把已经沉积好金属背电极(2)和铜铟镓硒吸收层(3)的衬底置入溶液中，对溶液进行加热，温度范围30-100摄氏度，沉积时间5-30min。在对反应溶液进行加热的同时，为了让溶液中各反应物的浓度均匀分布，需要对溶液进行搅拌，或者振荡，或者摇晃。在本发明中，我们提出在反应的同时对溶液进行超声处理，超声的功率为1KW-10000KW，根据反应溶液的量而定。超声处理可以促进镉离子到铜铟镓硒吸收层的扩散，也可以增加制备得到的硫化镉薄膜的致密性。
最后，反应结束后，把衬底从溶液中取出，用超纯水进行超声清洗1-20min，或者用毛刷清洗衬底表面，清洗后用氮气或者压缩空气轻轻吹扫表面，除去表面的残留液体。
在实际操作中，可以根据需要，变化各反应物在溶液中的比例，来微调缓冲层的性质与吸收层相匹配。
实验证明，如果采用本发明提出的技术方案制备的硫化镉缓冲层，可以进一步提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光电转换效率。
以上所述的具体施例，对本发明的目的、技术方案和积极的效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例证而已，并不用于限制本发明，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，可能在具体实施方式及应用范围上进行修改，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。凡在本发明的原则之内所做的任何修和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.本专利提出一种制备铜铟镓硒薄膜太阳能电池中缓冲层的技术,可以提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池的光电转换效率：即在使用化学水浴法制备缓冲层的时候，在沉积反应进行的同时，对溶液进行超声处理。这样可以促进金属离子到铜铟镓硒吸收层中的掺杂，并提高缓冲层的光滑和致密性，从而提高铜铟镓硒太阳能电池的光电转换效率。
2.根据权利要求1所述的利用化学水浴法制备铜铟镓硒太阳能电池的缓冲层的时候，其特征在于，在沉积反应进行的同时，对溶液进行超声处理。
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| CN106887483A (zh) * | 2015-12-15 | 2017-06-23 | 盐城金合盛光电科技有限公司 | 硅基异质接面太阳能电池及其制备方法 |
| CN107195694A (zh) * | 2016-03-10 | 2017-09-22 | 盐城金合盛光电科技有限公司 | 硅基异质接面太阳能电池及其制作方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20151209 |