CN105261660B - 一种cigs基薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CIGS基薄膜太阳能电池，包括：基板，在基板上形成背电极层，在背电极层上形成银镓合金膜层，在银镓合金膜层上形成光吸收层，在光吸收层上形成缓冲层，在缓冲层上形成透明导电层。在背电极层上形成银镓合金膜层可以提高光吸收层的结晶质量，使背电极层与光吸收层的粘结更加牢固，可减少背电极层受硫族元素的腐蚀，改善开路电压和短路电流。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，更具体的，本发明提供一种CIGS基薄膜太阳能电池。
背景技术
随着全球气候变暖、生态环境恶化和常规能源的短缺，越来越多的国家开始大力发展太阳能利用技术。太阳能光伏发电是零排放的清洁能源，具有安全可靠、无噪音、无污染、资源取之不尽、建设周期短、使用寿命长等优势，因而备受关注。铜铟镓硒(CIGS)是一种直接带隙的P型半导体材料，其吸收系数高达105/cm，2um厚的铜铟镓硒薄膜就可吸收90％以上的太阳光。CIGS薄膜的带隙从1.04eV到1.67eV范围内连续可调，可实现与太阳光谱的最佳匹配。铜铟镓硒薄膜太阳电池作为新一代的薄膜电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强、弱光也能发电等优点，其转换效率在薄膜太阳能电池中是最高的，已超过20％的转化率，因此日本、德国、美国等国家都投入巨资进行研究和产业化。
传统的CIGS基薄膜太阳能电池结构如图1所示，其都是在钼背电极层上直接形成光吸收层，如中国专利CN201352562Y公开了一种单结铜铟镓硫薄膜太阳能电池，该电池的光吸收层铜铟镓硫直接形成于背电极层上；中国专利CN101661971A公开了一种CIGS基薄膜太阳能电池制备方法，该方法是在Mo电极层上采用溅射靶材直接溅射沉积铜铟镓硒光吸收层。对上述公开的CIGS基薄膜太阳能电池的光吸收层进行热处理，在钼背电极层上会形成一层较厚的硒化钼层或硫化钼层，硒化钼层或硫化钼层如果太厚将会导致电池的串联电阻升高，使电池的性能下降。在钼背电极层上直接形成光吸收层，由于它们之间的界面材料的不同，将会影响光吸收层的结晶质量，同时也会影响背电极层与光吸收层之间的粘结牢固性。
为了提高薄膜太阳能电池的开路电压，通常可采用提高吸收层的镓含量来实现，若采用先溅射后硒化工艺来制备薄膜电池，就需要使用镓含量较高的靶材来溅射沉积预制层，但是镓含量高的靶材在溅射过程中比较不稳定，容易出现镓的渗出，导致靶材成分出现较大波动，使沉积后的膜层各组分的比例发生改变，使形成的光吸收层的组分发生较大波动，进而影响薄膜太阳能电池的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种CIGS基薄膜太阳能电池，通过在银镓合金膜层上形成p型光吸收层，能够有效抑制硒化过程中硒化钼厚度的增长，同时增加背电极层与p型光吸收层之间的粘结性，银镓合金膜层中的镓扩散进入p型光吸收层的底部，可减少载流子在该界面处的复合，提高薄膜电池的开路电压和短路电流，从而提高薄膜太阳能电池的性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：包括基板，覆盖基板的背电极层，覆盖背电极层的银镓合金膜层，覆盖银镓合金膜层的p型光吸收层，覆盖p型光吸收层的缓冲层，覆盖缓冲层的透明导电层；所述银镓合金膜层中至少含有50at％的银，所述银镓合金膜层的厚度不大于200nm。
所述银镓合金膜层是使用银镓合金靶材进行溅射沉积，所述银镓合金靶材中至少含有50at％的银(at％为原子比百分比)。
本发明还提供了另一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：包括基板，覆盖基板的背电极层，覆盖背电极层的银镓合金膜层，覆盖银镓合金膜层的p型光吸收层，覆盖p型光吸收层的缓冲层，覆盖缓冲层的透明导电层；所述银镓合金膜层中还含有至多20at％的M元素，所述M元素选自钼、铂、钛、铬中的至少一种，所述银镓合金膜层中至少含有50at％的银，所述银镓合金膜层的厚度不大于200nm。
所述银镓合金膜层是使用含有银、镓和含有至多20at％的M元素的合金靶材进行溅射沉积，所述M元素选自钼、铂、钛、铬中的至少一种，所述合金靶材中至少含有50at％的银。
所述的p型光吸收层为铜铟镓硒、铜铟镓硫、铜铟镓硒硫、铜铟镓铝硒、铜铟镓铝硫、铜铟镓铝硒硫、铜铟铝硒硫、铜铟铝硒、铜铟铝硫、铜铟硒硫、铜铟硫或铜铟硒的一种，所述p型光吸收层中含有碱元素，所述p型光吸收层中优选含有钠，所述p型光吸收层中还可含有锑和/或铋的元素。
所述银镓合金膜层的厚度优选不大于100nm；所述银镓合金膜层也可采用真空蒸镀方法沉积。所述背电极层中含有氧，所述背电极层中也可含有碱元素。
进一步的，在缓冲层与透明导电层之间插入一层具有高电阻率的氧化锌膜层，所述具有高电阻率的氧化锌膜层选自本征氧化锌膜层、具有电阻率为0.08Ωcm至95Ωcm的掺杂氧化锌膜层或它们的组合，所述掺杂氧化锌膜层的掺杂剂选自B、Al、Ga或In中的至少一种。
进一步的，在基板与背电极层之间插入一层电介质材料层；所述电介质材料层选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氧化钛、氮氧化钛、氮氧化锆、氧化锆、氮化锆、氮化铝、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅铝、氮氧化硅铝、锌锡氧化物或它们的混合物组成；所述电介质材料层或由硅、锆和钛中的至少一种元素与钼组成的至少两种元素的氧化物、氮化物或氮氧化物组成；当基板为玻璃基板时，所述电介质材料层可由一含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层替代，该碱过滤层包含Li、K中的至少一种元素和Si、Al、O三种元素。
所述基板为玻璃基板、聚酰亚胺板、铝薄板、钛薄板或不锈钢板中的一种；所述背电极层为Mo层、Ti层、Cr层、Cu层或AZO层中的至少一种，所述背电极层优选为Mo层；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、硒化锌、硫硒化锌、硫硒化铟、硒化铟、硫化铟或锌镁氧化物中的至少一种；所述透明导电层选用银基透明导电膜、氧化铟掺杂锡(ITO)、氧化锌掺杂铝(AZO)、氧化锌掺杂镓(GZO)、氧化锌掺杂铟(IZO)、氧化锡掺杂氟(FTO)、氧化锡掺杂碘、氧化锡掺杂锑(ATO)或石墨烯中的至少一种。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明通过在银镓合金膜层上形成p型光吸收层，能够有效抑制形成p型光吸收层的热处理过程中硒化钼层或硫化钼层厚度的过度增长，因而可降低薄膜太阳能电池的串联电阻，提高薄膜太阳能电池的性能。
2、本发明通过在银镓合金膜层上形成p型光吸收层，能够增加背电极层与p型光吸收层之间的粘结性，使p型光吸收层不会从背电极层上脱落，提高了薄膜太阳能电池的使用的可靠性。
3、本发明通过在银镓合金膜层上形成p型光吸收层，在形成p型光吸收层的热处理过程中，银镓合金膜层中的镓扩散进入p型光吸收层的底部，这可减少载流子在该界面处的复合，提高薄膜电池的开路电压和短路电流，从而提高薄膜太阳能电池的性能。
4、本发明通过在银镓合金膜层上形成p型光吸收层，在此银镓合金膜层可看作起到一个过渡界面的作用，可提高p型光吸收层的结晶质量。
5、本发明的银镓合金膜层的沉积采用溅射沉积，能够实现大面积均匀成膜，与CIGS基薄膜电池的生产工艺相匹配，可实现大规模连续生产。
附图说明
图1为传统的CIGS基薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的一种结构示意图；
图中数字说明：1-基板，21-电介质材料层，2-背电极层，31-银镓合金膜层，3-p型光吸收层，4-缓冲层，5-本征氧化锌膜层，6-透明导电层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其结构示意图如图2所示，通过在基板上采用溅射法沉积背电极层钼层，接着在钼层上采用溅射法沉积一层银镓合金膜层，接着在银镓合金膜层上采用溅射法沉积铜铟镓预制层，接着将预制层进行硒化和/或硫化热处理形成p型光吸收层，接着在p型光吸收层上采用水浴法沉积硫化镉膜层作为缓冲层，接着在缓冲层上采用溅射法沉积本征氧化锌膜层，接着在本征氧化锌膜层上采用溅射法沉积AZO膜层作为透明导电层。
本发明也可通过在银镓合金膜层上采用反应溅射法形成p型光吸收层，或采用共蒸法来形成p型光吸收层。本发明也可在p型光吸收层上采用溅射法来沉积缓冲层，也可在p型光吸收层上通过热扩散来形成一层n型半导体层。本发明也可采用MOCVD法来沉积氧化锌膜层。
以下涉及的实施例，均是在干净的基板表面上依次沉积各膜层。
实施例1
在一基板为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层；接着在钼背电极层上采用磁控溅射沉积30nm的银镓合金膜层，银镓合金膜层中含55at％的银；接着在银镓合金膜层上形成2.0um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒光吸收层；接着在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积45nm的CdS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积40nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层。
通过SEM观察电池的截面，在钼电极层与铜铟镓硒光吸收层之间的硒化钼层很薄，只有几十个纳米厚；通过测试，薄膜太阳能电池的短路电流为32.9mA/cm2；薄膜太阳能电池的开路电压为0.655V。
实施例2
在一基板为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积600nm的金属钼电极层；接着在钼背电极层上采用磁控溅射沉积100nm的银镓合金膜层，银镓合金膜层中含55at％的银；接着在银镓合金膜层上形成2.0um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒光吸收层；接着在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积50nm的CdS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积35nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层。
通过SEM观察电池的截面，在钼电极层与铜铟镓硒光吸收层之间的硒化钼层很薄，只有几十个纳米厚；通过测试，薄膜太阳能电池的短路电流为32.2mA/cm2；薄膜太阳能电池的开路电压为0.662V。
实施例3
在一基板为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积600nm的金属钼电极层；接着在钼背电极层上采用磁控溅射沉积50nm的银镓合金膜层，银镓合金膜层中含55at％的银和含5at％的钼；接着在银镓合金膜层上形成2.1um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒硫光吸收层；接着在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积50nm的CdS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积40nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积800nm的AZO膜层。
通过SEM观察电池的截面，在钼电极层与铜铟镓硒硫光吸收层之间的硒化钼层很薄，只有几十个纳米厚；通过测试，薄膜太阳能电池的短路电流为32.5mA/cm2；薄膜太阳能电池的开路电压为0.658V。
实施例4
在一基板为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积550nm的金属钼电极层；接着在钼背电极层上采用磁控溅射沉积40nm的银镓合金膜层，银镓合金膜层中含55at％的银和含7at％的铬；接着在银镓合金膜层上形成1.9um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒硫光吸收层；接着在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积40nm的CdS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积50nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层。
通过SEM观察电池的截面，在钼电极层与铜铟镓硒硫光吸收层之间的硒化钼层很薄，只有几十个纳米厚；通过测试，薄膜太阳能电池的短路电流为31.9mA/cm2；薄膜太阳能电池的开路电压为0.648V。
实施例5
在一基板为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积50nm的氮化硅膜层作为电介质材料层；接着在氮化硅膜层上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层；接着在钼背电极层上采用磁控溅射沉积20nm的银镓合金膜层，银镓合金膜层中含65at％的银；接着在银镓合金膜层上形成2.0um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒光吸收层；接着在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积30nm的ZnS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积50nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层；接着在AZO膜层上采用磁控溅射沉积100nm的MgF2膜层作为减反射层。
通过SEM观察电池的截面，在钼电极层与铜铟镓硒光吸收层之间的硒化钼层很薄，只有几十个纳米厚；通过测试，薄膜太阳能电池的短路电流为33.1mA/cm2；薄膜太阳能电池的开路电压为0.66V。
对比例1
在一基板为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层；接着在钼背电极层上形成2.0um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒光吸收层；接着在光吸收层上采用化学浴(CBD)方法沉积45nm的CdS膜层作为缓冲层；在缓冲层上采用磁控溅射沉积40nm的本征ZnO膜层；接着在本征ZnO膜层上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层。本对比例的薄膜电池的结构如图1所示。
通过SEM观察电池的截面，在钼电极层与铜铟镓硒光吸收层之间的硒化钼层较厚，达到几百纳米厚；通过测试，薄膜太阳能电池的短路电流为28.4mA/cm2；薄膜太阳能电池的开路电压为0.622V。
通过实施例与对比例的比较可以看出，本发明可以有效抑制硒化钼层的厚度，同时可以提高薄膜电池的短路电流和开路电压。
Claims (10)
1.一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：包括基板，覆盖基板的背电极层，覆盖背电极层的银镓合金膜层，覆盖银镓合金膜层的p型光吸收层，覆盖p型光吸收层的缓冲层，覆盖缓冲层的透明导电层；所述银镓合金膜层中至少含有50at％的银，所述银镓合金膜层的厚度不大于200nm。
2.一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：包括基板，覆盖基板的背电极层，覆盖背电极层的银镓合金膜层，覆盖银镓合金膜层的p型光吸收层，覆盖p型光吸收层的缓冲层，覆盖缓冲层的透明导电层；所述银镓合金膜层中还含有至多20at％的M元素，所述M元素选自钼、铂、钛、铬中的至少一种，所述银镓合金膜层中至少含有50at％的银，所述银镓合金膜层的厚度不大于200nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的p型光吸收层为铜铟镓硒、铜铟镓硫、铜铟镓硒硫、铜铟镓铝硒、铜铟镓铝硫、铜铟镓铝硒硫、铜铟铝硒硫、铜铟铝硒、铜铟铝硫、铜铟硒硫、铜铟硫或铜铟硒中的一种，所述p型光吸收层中含有碱元素。
4.根据权利要求1所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述银镓合金膜层是使用银镓合金靶材进行溅射沉积，所述银镓合金靶材中至少含有50at％的银。
5.根据权利要求2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述银镓合金膜层是使用含有银、镓和含有至多20at％的M元素的合金靶材进行溅射沉积，所述M元素选自钼、铂、钛、铬中的至少一种，所述合金靶材中至少含有50at％的银。
6.根据权利要求1或2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述银镓合金膜层的厚度不大于100nm。
7.根据权利要求1或2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：在缓冲层与透明导电层之间插入一层具有高电阻率的氧化锌膜层，所述具有高电阻率的氧化锌膜层选自本征氧化锌膜层、具有电阻率为0.08Ωcm至95Ωcm的掺杂氧化锌膜层或它们的组合。
8.根据权利要求1或2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：在基板与背电极层之间插入一层电介质材料层；所述电介质材料层选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氧化钛、氮氧化钛、氮氧化锆、氧化锆、氮化锆、氮化铝、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅铝、氮氧化硅铝、锌锡氧化物或它们的混合物；所述电介质材料层或由硅、锆和钛中的至少一种元素与钼组成的至少两种元素的氧化物、氮化物或氮氧化物组成；当基板为玻璃基板时，所述电介质材料层由一含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层替代，该碱过滤层包含Li、K中的至少一种元素和Si、Al、O三种元素。
9.根据权利要求1或2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基板为玻璃基板、聚酰亚胺板、铝薄板、钛薄板或不锈钢板中的一种；所述背电极层为Mo层、Ti层、Cr层、Cu层或AZO层中的至少一种；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、硒化锌、硫硒化锌、硫硒化铟、硒化铟、硫化铟或锌镁氧化物中的至少一种；所述透明导电层选用银基透明导电膜、氧化铟掺杂锡、氧化锌掺杂铝、氧化锌掺杂镓、氧化锌掺杂铟、氧化锡掺杂氟、氧化锡掺杂碘、氧化锡掺杂锑或石墨烯中的至少一种。
10.根据权利要求1或2所述的一种CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述背电极层中含有氧。
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