CN105355676A - 一种柔性cigs薄膜太阳电池的背电极结构 - Google Patents
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Abstract
一种柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极结构，其制备方法为在柔性衬底上通过磁控溅射法沉积多层Mo薄膜作为背电极，随后在Mo背电极上依次制备CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征ZnO层、AZO层、Ni-Al栅电极，形成结构为柔性衬底/多层Mo背电极/CIGS吸收层/CdS缓冲层/i-ZnO窗口层/AZO透明导电层/Ni-Al栅电极结构的柔性CIGS薄膜太阳电池器件。本发明直接在柔性衬底上制备多层结构Mo薄膜作为背电极层，不仅具有良好的导电性，而且可以有效避免基底材料中杂质元素对CIGS薄膜的扩散和渗透，替代阻挡层作用。本发明无需传统柔性电池制备方法中所需的阻挡层，工艺简单，易于控制，成膜均匀性好，适于工业化规模生产。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳电池技术领域，尤其是指在柔性衬底上制备多层结构背电极的技术方法。
背景技术
铜铟镓硒(简称CIGS)薄膜太阳电池成本低、性能稳定、抗辐射能力强、光谱响应范围宽，其光电转换效率是目前各种薄膜太阳能电池之首，被国际上称为下一时代最有前途的廉价太阳电池之一，有可能成为未来光伏电池的主流产品之一。目前CIGS薄膜太阳电池典型结构，包含衬底(可选用钠钙玻璃、不锈钢、聚酰亚胺等)，背电极钼薄膜，吸收层CIGS薄膜，缓冲层CdS薄膜，窗口层本征ZnO薄膜和AZO薄膜，栅电极Ni-Al合金薄膜，减反射层MgF2薄膜。
目前，制备CIGS薄膜的方法主要有真空法和非真空法。非真空法主要包括电沉积法、化学喷雾热解法、涂敷法、印刷法等，但是这些技术工艺稳定性较差，电池转换效率普遍不高。真空法主要包括共蒸法和溅射加后硒化法。共蒸法要求对每种元素的蒸发速率和沉积量均要精确控制，要求设备具有很高的控制精度，设备的技术难度和造价均很高。而溅射加硒化法是将Cu、In和Ga溅镀到Mo电极上形成预制层，再使之与H2Se或含Se的气体发生反应，得到满足化学计量比的薄膜。该方法对设备的要求不高，因此成为商业化生产的首选。
柔性衬底CIGS薄膜太阳电池由于其可卷曲、不怕摔撞、抗辐射能力强及重量功率比高等优点受到业界的广泛关注，尤其是它的应用范围更广，不仅可以避开与晶硅电池的竞争，还能结合多种场景，扩展其使用范围。但在制备柔性衬底CIGS薄膜电池的过程中，存在两方面的问题。一方面，柔性衬底中的某些杂质元素(如不锈钢衬底中的Fe、Cr等)会扩散至CIGS吸收层，导致吸收层电学性能恶化；另一方面，柔性衬底上生长的Mo层与CIGS层之间的附着力不佳。为了解决衬底中的有害杂质元素进入吸收层，国际上传统工艺都采用在柔性衬底上制备一层阻挡层，其电池结构为：柔性衬底/阻挡层/底电极/吸收层/缓冲层/窗口层/栅电极。但是阻挡层的存在会带来一些问题。一方面，阻挡层材料与柔性衬底和Mo底电极之间的结合力不佳，会导致柔性衬底CIGS电池龟裂，甚至脱膜，最终失效；另一方面，某些阻挡层元素本身也会扩散至吸收层，导致吸收层的光电性能下降。另外，增加阻挡层也增加了设备和工艺的复杂性。
发明内容
本发明针对上述现有技术所存在的问题，提供一种柔性CIGS薄膜太阳电池背电极结构，该结构无需阻挡层，并可增强Mo膜与衬底之间的结合性能，明显改善吸收层成膜质量，提高光电转换效率。
本申请具体采用以下技术方案：
一种柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极结构，其特征在于：直接在柔性衬底上通过磁控溅射法沉积多层Mo薄膜作为柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极，随后在Mo背电极上依次制备CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征ZnO层、AZO层、Ni-Al栅电极。
本发明还进一步包括以下优选方案：
所述背电极为多层Mo薄膜结构，层数为3～5层。
所述多层Mo薄膜采用磁控溅射法制备，溅射靶材为纯度≥3N的Mo金属靶，本底真空≤3×10-3Pa，工艺气体为高纯氩气，衬底不加热，溅射气压为0.2～5Pa，功率密度为0.2～10W/cm2。
所述的多层Mo薄膜结构为自柔性衬底起，当层数为3层时：第一层厚度为0.05～1μm，第二层厚度为0.05～1μm，第三层厚度为0.1～1μm；当层数为4层时：第一层厚度为0.05～1μm，第二层厚度为0.05～1μm，第三层厚度为0.05～1μm，第四层厚度为0.1～1μm；当层数为5层时：第一层厚度为0.05～1μm，第二层厚度为0.05～1μm，第三层厚度为0.05～1μm，第四层厚度为0.1～1μm；第五层厚度为0.1～1μm；
最终金属Mo薄膜的总厚度0.2～3μm，电阻率≤5×10-5Ω·cm。
本申请还公开了一种采用前述背电极结构的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：
在柔性衬底上通过磁控溅射法沉积多层Mo薄膜作为背电极，随后在Mo背电极上依次制备CIGS吸收层、CdS缓冲层，本征ZnO层、AZO层，Ni-Al栅电极，形成结构依次为柔性衬底/多层Mo背电极/CIGS吸收层/CdS缓冲层/i-ZnO窗口层/AZO透明导电层/Ni-Al栅电极结构的柔性CIGS薄膜太阳电池器件。
本发明的优点：一方面，很好地克服了传统CIGS薄膜太阳电池柔性衬底与Mo层之间结合力差的问题；另一方面，可以有效阻挡衬底中有害杂质元素向CIGS吸收层内扩散，提高CIGS吸收层成膜质量。由于不采用阻挡层，因此也减少了工艺环节，降低了设备和工艺的复杂性，有利于工业化生产时的成本降低。
附图说明
图1为以本发明技术制备的柔性CIGS薄膜太阳能电池结构示意图；
图2为本发明柔性CIGS太阳能电池背电极结构示意图；
图3为本发明柔性CIGS太阳能电池的截面SEM图；
图4为实施例1制备的柔性CIGS薄膜太阳电池I-V曲线。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
实施例1：
如图2所示，为本发明柔性CIGS太阳能电池背电极结构示意图。将柔性不锈钢衬底10清洗干净后，放入磁控溅射机，衬底不加热，待本底真空达3×10-3Pa以下时，通入高纯氩气，调节气压为1Pa，功率密度为2.5W/cm2，在柔性不锈钢衬底10上，溅射一层为0.12μm厚Mo薄膜层20；完成第一层Mo之后，调节气压为0.8Pa，功率密度为3W/cm2，溅射一层为0.08μm厚Mo薄膜层21；完成第二层Mo之后，调节气压为0.3Pa，功率密度为3.5W/cm2，溅射一层为0.6μm厚Mo薄膜层22；Mo层总厚度约为0.8μm，电阻率为3.8×10-5Ω·cm，其截面形貌如图3所示。
在形成多层Mo背电极以后，再继续依次制备CIGS层、CdS缓冲层、i-ZnO层、AZO层、Ni-Al栅电极，形成柔性CIGS薄膜太阳能电池器件。其电池性能如图4所示，开路电压Voc＝540.5mV，短路电流Jsc＝33.41mA/cm2，填充因子FF＝67.22，光电转换效率为14.23％。实施例2：
将柔性铜箔衬底清洗干净后，放入磁控溅射机，待本地真空达3×10-3Pa以下时，通入高纯氩气，调节气压为0.3Pa，功率密度为2.5W/cm2，在柔性铜箔基底10上，开始溅射一层为0.12μm厚钼薄膜层；完成第一层Mo之后，调节气压为0.8Pa，功率密度为3W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.08μm厚钼薄膜层；完成第二层Mo之后，调节气压为1.2Pa，功率密度为3.5W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.6μm厚钼薄膜层，完成第三层Mo之后，调节气压为1.5Pa，功率密度为4W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.2μm厚钼薄膜层，为最外层Mo，依序由下而上覆盖于柔性铜箔衬底。
在形成多层Mo背电极以后，继续依次制备吸收层CIGS，CdS缓冲层，i-ZnO和AZO层，Ni-Al栅电极，最终制成柔性的CIGS薄膜太阳能电池。
实施例3：
将柔性铝箔清洗干净后，放入磁控溅射，待本地真空达3×10-3Pa以下时，通入高纯氩气，调节气压为0.3Pa，功率密度为2.5W/cm2，在柔性不锈钢基底10上，开始溅射一层为0.12μm厚钼薄膜层20；完成第一层Mo之后，调节气压为0.8Pa，功率密度为3W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.08μm厚钼薄膜层21；完成第二层Mo之后，调节气压为1.2Pa，功率密度为3.5W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.6μm厚钼薄膜层22，完成第三层Mo之后，调节气压为1.5Pa，功率密度为4W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.2μm厚钼薄膜层23，完成第四层Mo之后，调节气压为2Pa，功率密度为4.5W/cm2，在此工艺下，溅射一层为0.2μm厚钼薄膜层24，为最外层Mo，依序由下而上覆盖于柔性铝箔衬底。
如附图1所示为采用上述背电极结构柔性CIGS薄膜太阳电池，在形成多层Mo背电极以后，继续依次制备吸收层CIGS，缓冲层CdS，i-ZnO和AZO层，Ni-Al栅电极，最终制成柔性的CIGS薄膜太阳能电池。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。
Claims (5)
1.一种柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极结构，其特征在于：
直接在柔性衬底上通过磁控溅射法沉积多层Mo薄膜作为柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极，随后在Mo背电极上依次制备CIGS吸收层、CdS缓冲层、本征ZnO层、AZO层、Ni-Al栅电极。
2.根据权利要求1所述的柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极结构，其特征在于：
所述背电极为多层Mo薄膜结构，层数为3～5层。
3.根据权利要求2所述的柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极结构，其特征在于：
所述多层Mo薄膜采用磁控溅射法制备，溅射靶材为纯度≥3N的Mo金属靶，本底真空≤3×10-3Pa，工艺气体为高纯氩气，衬底不加热，溅射气压为0.2～5Pa，功率密度为0.2～10W/cm2。
4.根据权利要求2所述的柔性CIGS薄膜太阳电池的背电极结构，其特征在于：
所述的多层Mo薄膜结构为自柔性衬底起，当层数为3层时：第一层厚度为0.05～1μm，第二层厚度为0.05～1μm，第三层厚度为0.1～1μm；当层数为4层时：第一层厚度为0.05～1μm，第二层厚度为0.05～1μm，第三层厚度为0.05～1μm，第四层厚度为0.1～1μm；当层数为5层时：第一层厚度为0.05～1μm，第二层厚度为0.05～1μm，第三层厚度为0.05～1μm，第四层厚度为0.1～1μm；第五层厚度为0.1～1μm；
最终金属Mo薄膜的总厚度0.2～3μm，电阻率≤5×10-5Ω·cm。
5.一种采用权利要求1-4所述的背电极结构的柔性CIGS薄膜太阳电池，其特征在于：
在柔性衬底上通过磁控溅射法沉积多层Mo薄膜作为背电极，随后在Mo背电极上依次制备CIGS吸收层、CdS缓冲层，本征ZnO层、AZO层，Ni-Al栅电极，形成结构依次为柔性衬底/多层Mo背电极/CIGS吸收层/CdS缓冲层/i-ZnO窗口层/AZO透明导电层/Ni-Al栅电极结构的柔性CIGS薄膜太阳电池器件。
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