CN105206693B - 一种柔性薄膜太阳电池结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性薄膜太阳电池的电池结构以及制备工艺流程，属于太阳能电池技术领域。技术方案是：在柔性薄膜太阳电池衬底上并排打两列位置相对、等距的圆孔；在打孔后的柔性衬底两侧及孔内部沉积一层绝缘阻挡层；在之后的柔性衬底正面制备一层金属薄膜，使得间隔排列的孔内部镀上金属薄膜；通过激光划刻的方式将柔性衬底两侧的金属薄膜及其上的薄膜电池和透明导电薄膜划去，使得子电池单元之间形成串联连接。本发明的柔性薄膜太阳电池的子电池单元连接不需要柔性线材提高了电池的可靠性；本发明的柔性薄膜太阳电池的生产工序简单，减小了焊接等人工参与工序，可直接集成于现有的“卷对卷”柔性电池沉积设备中，易于实现产业化。

Description

一种柔性薄膜太阳电池结构及制备方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域制备技术，特备是涉及柔性薄膜太阳电池的制备方法。

背景技术

相对于晶体硅太阳电池和玻璃衬底薄膜太阳电池而言，柔性薄膜太阳电池，可以制备在不锈钢、塑料等柔性衬底上，因此，具有重量轻、可折叠、不易破碎等优点，制备的柔性薄膜太阳电池具有高的功率重量比，特别适用于飞艇、平流层气球探测器等特殊用途以及帐篷、建筑物表面、移动式电源等民用用途。

从已公开的专利情况来看，专利CN201310300555公开了一种柔性CZTS太阳电池的制备方法；专利CN201010191156公开了一种柔性薄膜太阳电池集成组件的制备方法；专利CN200610016182公开了一种柔性CIGS太阳电池的结构和制备方法；专利CN200620039938公开了一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的结构；专利CN200810236695公开了一种柔性非晶硅薄膜太阳电池的制备方法；CN201010549329公开了一种柔性CIGS太阳电池及其制备方法。

如上所述，已公开专利的内容多集中在柔性薄膜太阳电池膜层结构和制备方案，鲜有关于子电池单元结构及连接的专利公开，且已公开的专利CN201010191156，其中柔性薄膜太阳电池单元的连接通过柔性线材焊接而成，这不仅影响了电池的美观，也降低了电池的可靠性；已公开的专利CN201310300555，其中柔性薄膜太阳电池单元内部连接，通过划线刀两次划刻后串联而成，但由于机械加工的不精确性，导致组件的性能下降。因此，有必要进一步改进柔性薄膜太阳电池的电池结构和制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于柔性衬底薄膜太阳电池的电池结构和制备方法。该电池的子电池单元的连接不是通过柔性线材连接，提高了电池的可靠性；该电池的制造工艺减小了激光划刻或机械划刻的次数，提高了电池的性能；该电池的正电极全部制备在柔性衬底的背面，因而电池的正面没有任何遮挡，增大了电池的受光面，提高了电池的转换效率，并且使得电池更加美观，解决了上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种柔性薄膜太阳电池结构，柔性薄膜太阳电池为层状结构，从下至上依次包括金属薄膜、绝缘阻挡层、柔性衬底、绝缘阻挡层、金属薄膜、透明导电薄膜、薄膜电池、透明导电薄膜。

从下至上，于柔性薄膜太阳电池上分别设有作为正极孔和负极孔的通孔。

正极孔的内壁面上依次设有绝缘阻挡层、薄膜电池和透明导电薄膜；

负极孔的内壁面上依次设有绝缘阻挡层和金属薄膜。

所述正极孔和负极孔分别为2个以上，并按从左至右依次间隔排列形成一列极孔；所述极孔为1列以上；

于柔性衬底正面(沉积薄膜电池的一侧)以及柔性衬底背面(未沉积薄膜电池的一侧)激光划刻的正面绝缘线和背面绝缘线形成柔性薄膜太阳电池的子电池单元。

所述柔性薄膜太阳电池的子电池单元连接方式为串联；

正面绝缘线和背面绝缘线于柔性衬底上的投影从左至右依次交替间隔排列，且正面绝缘线和背面绝缘线于柔性衬底上的投影之间具有正极孔或负极孔；

子电池的空穴在透明导电薄膜汇集后经正极孔流向柔性衬底背部的金属薄膜，并通过负极孔流向下一子电池单元的背电极金属薄膜，从而形成子电池单元之间的串联。

金属薄膜金属薄膜包括银薄膜或铝薄膜；绝缘阻挡层包括氧化硅膜层或氮化硅膜层；

柔性衬底不锈钢卷、铝箔或铜箔；

透明导电薄膜包括FTO、AZO、BZO、ITO、GZO或YZO材料制成的透明导电薄膜；

薄膜电池包括单结硅薄膜电池、或多结硅薄膜电池、铜铟镓硒、铜锌锡硫、碲化镉、有机电池、染料敏化电池、量子点电池或以上任何二种以上电池的复合型电池。

所述柔性薄膜太阳电池结构的制备方法：

(1)在柔性薄膜太阳电池衬底上并排打1列以上位置相对、等距的圆孔，所使用的方法是激光或者机械方法；

(2)在打孔后的柔性衬底两侧及孔内部沉积一层氧化硅或氮化硅绝缘阻挡层，所使用的方法是PECVD(等离子体增强型化学气相沉积)；

(3)在之后的柔性衬底正面(制备薄膜太阳电池的一侧)制备一层银薄膜或者铝薄膜，所使用的方法是溅射，并通过掩膜的方式，使得间隔排列的孔内部镀上银薄膜或者铝薄膜，未镀上银薄膜或者铝薄膜的孔称为正极孔，镀上银薄膜或者铝薄膜的孔称为负极孔；

(4)在柔性衬底正面(制备薄膜太阳电池的一侧)制备透明导电薄膜，如ITO(所使用的方法为热蒸发，电子束蒸发，或者溅射)，BZO(所使用的方法为低压化学气相沉积)，AZO(所使用的方法为溅射)，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上透明导电薄膜；

(5)在透明导电薄膜表面依次制备薄膜电池如硅薄膜电池(单结或多结)，铜铟镓硒、铜锌锡硫、碲化镉、有机电池、染料敏化电池、量子点电池或以上任何二种以上的复合型电池等；透明导电薄膜，如ITO(所使用的方法为热蒸发，电子束蒸发，或者溅射)，BZO(所使用的方法为低压化学气相沉积)，AZO(所使用的方法为溅射)，并通过掩膜的方式，使得正极孔内部镀上薄膜电池和透明导电薄膜，负极孔内部未镀上薄膜电池和透明导电薄膜；

(6)在柔性衬底背面(未制备薄膜太阳电池的一侧)制备银薄膜或者铝薄膜，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上银薄膜或者铝薄膜。

根据子电池单元的要求，通过激光划刻的方式将柔性衬底两侧的银薄膜或者铝薄膜以及其上的透明导电薄膜和薄膜电池划去，从而形成子电池单元，并通过正极孔以及负极孔之间的连接使得子电池单元之间形成串联连接。

金属薄膜、绝缘阻挡层、透明导电薄膜、薄膜电池的制备方法包括但不仅限于溅射、化学气相沉积或其他方法等；正极孔、负极孔的制备方法包括但不仅限于激光、机械等打孔方法。

本发明的优点和积极效果：

本发明制备的子电池单元之间的连接通过正极孔和负极孔完成。使用本发明的柔性薄膜太阳电池具备以下优势：1)本发明的柔性薄膜太阳电池的子电池单元连接不需要柔性线材，降低了生产成本，提高了电池的可靠性；2)本发明的柔性薄膜太阳电池的正面没有栅线，电流的收集全部在柔性衬底的背面，减小了电池入光面的遮挡，提高了电池的转换效率；3)本发明的柔性薄膜太阳电池的生产工序简单，减小了激光或机械划刻次数，减小了焊接等人工参与工序，可直接集成于现有的“卷对卷”柔性电池沉积设备中，易于实现产业化。

附图说明

图1.柔性薄膜太阳电池的正面；

图2.柔性薄膜太阳电池的背面；

图3.柔性薄膜太阳电池的截面；

图4.柔性薄膜太阳电池正极孔截面图；

图5.柔性薄膜太阳电池负极孔截面图；

其中，1为金属薄膜，2为绝缘阻挡层，3为柔性衬底，4为透明导电薄膜，5为薄膜电池，6为透明导电薄膜，7为正极孔，8为负极孔，9为激光划刻绝缘线，10为激光划刻绝缘线。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步说明本发明的具体实现方法，但本发明并不限于这些具体实施例。(1)在柔性薄膜太阳电池衬底上并排打两列位置相对、等距的圆孔，所使用的方法是激光或者机械方法；(2)在打孔后的柔性衬底两侧及孔内部沉积一层氧化硅或氮化硅绝缘阻挡层，所使用的方法是PECVD(等离子体增强型化学气相沉积)；(3)在之后的柔性衬底正面(制备薄膜太阳电池的一侧)制备一层银薄膜或者铝薄膜，所使用的方法是溅射，并通过掩膜的方式，使得间隔排列的孔内部镀上银薄膜或者铝薄膜，未镀上银薄膜或者铝薄膜的孔称为正极孔，镀上银薄膜或者铝薄膜的孔称为负极孔；(4)在柔性衬底正面(制备薄膜太阳电池的一侧)制备透明导电薄膜，如ITO(所使用的方法为热蒸发，电子束蒸发，或者溅射)，BZO(所使用的方法为低压化学气相沉积)，AZO(所使用的方法为溅射)，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上透明导电薄膜；(5)在透明导电薄膜表面依次制备薄膜电池如硅薄膜电池(单结或多结)，铜铟镓硒、铜锌锡硫、碲化镉、有机电池、染料敏化电池、量子点电池或以上任何二种以上的复合型电池等；透明导电薄膜，如ITO(所使用的方法为热蒸发，电子束蒸发，或者溅射)，BZO(所使用的方法为低压化学气相沉积)，AZO(所使用的方法为溅射)，并通过掩膜的方式，使得正极孔内部镀上薄膜电池和透明导电薄膜，负极孔内部未镀上薄膜电池和透明导电薄膜；(6)在柔性衬底背面(未制备薄膜太阳电池的一侧)制备银薄膜或者铝薄膜，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上银薄膜或者铝薄膜；⑦根据子电池单元的要求，通过激光划刻的方式将柔性衬底两侧的银薄膜或者铝薄膜以及其上的透明导电薄膜和薄膜电池划去，从而形成子电池单元，并通过正极孔以及负极孔之间的连接使得子电池单元之间形成串联连接。

实施例1

下面将结合附图1、附图2、附图3、附图4和附图5，通过实施例对本发明作进一步说明。

1.在不锈钢衬底3上并排打两列平行的位置相对、等距的圆孔，孔径为1-10mm，圆孔间距由最终子电池尺寸决定，使用的方法是激光热加工；

2.在打孔后的不锈钢衬底3上两侧表面及孔内部沉积一层氧化硅绝缘阻挡层2，厚度约为100-500nm,所使用的方法是PECVD(等离子体增强型化学气相沉积)；

3.在之后的不锈钢衬底正面(制备薄膜太阳电池的一侧)制备一层银薄膜1，厚度约为100-1000nm，所使用的方法是溅射，并通过掩膜的方式，使得间隔排列的孔内部镀上银薄膜，未镀上银薄膜的孔称为正极孔，镀上银薄膜的孔称为负极孔；

4.在银薄膜1上制备透明导电薄膜4，厚度约为100-500nm，本实施例中是铝掺杂氧化锌薄膜，电阻率约为1E-4欧姆厘米，所使用的方法为溅射，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上透明导电薄膜4；

5.在透明导电薄膜4表面依次制备多结硅薄膜电池5、透明导电薄膜6，厚度范围70-200nm，本实施例中是ITO薄膜，所使用的方法磁控溅射，并通过掩膜的方式，使得正极孔内部镀上多结硅薄膜电池5和透明导电薄膜6，负极孔内部未镀上多结硅薄膜电池5和透明导电薄膜6；

6.在不锈钢衬底3背面(未制备薄膜太阳电池的一侧)氧化硅绝缘阻挡层2上制备银薄膜1，厚度约为100-1000nm，所使用的方法是溅射，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上银薄膜1；

7.根据子电池单元最终尺寸的要求，通过激光划刻的方式将不锈钢衬底3两侧的银薄膜1以及其上的透明导电薄膜4、6和薄膜电池5划去，划线宽度为20-100um，从而形成子电池单元，并通过正极孔以及负极孔之间的连接使得子电池单元之间形成串联连接。

实施例2

如实施例1所述制备方法，将银薄膜改为铝薄膜，也可获得柔性硅薄膜太阳电池。

实施例3

如实施例1所述制备方法，将不锈钢衬底改为聚酰亚胺等塑料衬底，也可获得柔性硅薄膜太阳电池。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下做出的若干替代或变形，且性能相近或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种柔性薄膜太阳电池结构，其特征在于：

柔性薄膜太阳电池为层状结构，从下至上依次包括金属薄膜(1)、绝缘阻挡层(2)、柔性衬底(3)、绝缘阻挡层(2)、金属薄膜(1)、透明导电薄膜(4)、薄膜电池(5)、透明导电薄膜(6)；薄膜电池通过绝缘阻挡层(2)和绝缘线(9，10)划分成各个子电池单元，同时电池上设有正极孔(7)和负极孔(8)，正极孔的内壁面上依次设有绝缘阻挡层、薄膜电池和透明导电薄膜，负极孔的内壁面上依次设有绝缘阻挡层和金属薄膜，正极孔(7)汇集子电池产生的空穴流向背电极金属薄膜(1)，并通过负极孔(8)连通下一个子电池的背电极金属薄膜(1)，形成子电池单元的串联。

2.按照权利要求1所述柔性薄膜太阳电池结构，其特征在于：

金属薄膜包括银薄膜或铝薄膜；绝缘阻挡层包括氧化硅膜层或氮化硅膜层；

柔性衬底不锈钢卷、铝箔或铜箔；

透明导电薄膜包括FTO、AZO、BZO、ITO、GZO或YZO材料制成的透明导电薄膜；

薄膜电池包括单结硅薄膜电池、或多结硅薄膜电池、铜铟镓硒、铜锌锡硫、碲化镉、有机电池、染料敏化电池、量子点电池或以上任何二种以上电池的复合型电池。

3.一种权利要求1-2任一所述柔性薄膜太阳电池结构的制备方法，其特征在于：

(1)在柔性薄膜太阳电池衬底上并排打1列以上位置相对、等距的圆孔，所使用的方法是激光或者机械方法；

(2)在打孔后的柔性衬底两侧及孔内部沉积一层氧化硅或氮化硅绝缘阻挡层，所使用的方法是PECVD(等离子体增强型化学气相沉积)；

(3)在之后的柔性衬底正面即制备薄膜太阳电池的一侧制备一层银薄膜或者铝薄膜，所使用的方法是溅射，并通过掩膜的方式，使得间隔排列的孔内部镀上银薄膜或者铝薄膜，未镀上银薄膜或者铝薄膜的孔称为正极孔，镀上银薄膜或者铝薄膜的孔称为负极孔；

(4)在柔性衬底正面即制备薄膜太阳电池的一侧制备透明导电薄膜：以热蒸发、电子束蒸发或溅射方法制备的ITO，以低压化学气相沉积方法制备的BZO或以溅射方法制备的AZO中的一种透明导电薄膜，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上透明导电薄膜；

(5)在透明导电薄膜表面依次制备薄膜电池即，单结或多结硅薄膜电池，铜铟镓硒、铜锌锡硫、碲化镉、有机电池、染料敏化电池、量子点电池或以上任何二种以上的复合型电池；透明导电薄膜：以热蒸发、电子束蒸发或溅射方法制备的ITO，以低压化学气相沉积方法制备的BZO或以溅射方法制备的AZO中的一种透明导电薄膜，并通过掩膜的方式，使得正极 孔内部镀上薄膜电池和透明导电薄膜，负极孔内部未镀上薄膜电池和透明导电薄膜；

(6)在柔性衬底背面即未制备薄膜太阳电池的一侧制备银薄膜或者铝薄膜，并通过掩膜的方式，使得正、负极孔内部均没有镀上银薄膜或者铝薄膜。

4.按照权利要求3所述柔性薄膜太阳电池结构的制备方法，其特征在于：

根据子电池单元的要求，通过激光划刻的方式将柔性衬底两侧的银薄膜或者铝薄膜以及其上的透明导电薄膜和薄膜电池划去，从而形成子电池单元，并通过正极孔以及负极孔之间的连接使得子电池单元之间形成串联连接。