CN105449010A - 不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池阻挡层制备方法 - Google Patents

不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池阻挡层制备方法 Download PDF

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Abstract

一种不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层制备方法。所述柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池结构包括不锈钢衬底、阻挡层、背电极、吸收层、缓冲层、窗口层、顶电极和减反射层。其特点在于在可弯曲的柔性不锈钢衬底上通过磁控溅射方法制备一层或多层绝缘化合物薄膜作为阻挡层。本发明与现有技术相比，一方面可以有效阻挡衬底材料中的某些杂质元素对铜铟镓硒吸收层的影响，另一方面可以在背电极与柔性衬底之间形成绝缘层，阻碍电流导通。本发明所述的绝缘阻挡层不仅工艺简单、易于控制、成本低廉、生产效率高，而且可以显著提高铜铟镓硒吸收层的电学性能，对于改善柔性衬底CIGS薄膜电池的均匀性和光电转换效率有明显效果。

Description

不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池阻挡层制备方法
技术领域
本发明属于铜铟镓硒薄膜太阳电池技术领域，具体涉及一种不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜电池绝缘阻挡层的制备方法。
背景技术
柔性铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池是根据光伏市场的实际需要而逐步发展起来的一种太阳能电池，其结构与玻璃衬底CIGS太阳电池结构基本相同。柔性CIGS薄膜电池材质柔软可弯曲，可以装配于各种曲面，实现各种新颖应用；可裁剪，尺寸可变，同时具有较高的重量比功率，非常适合用于航空航天等特殊领域，几乎可以涵盖一切需要电能的场合。
典型的柔性CIGS太阳能电池结构包括柔性衬底，阻挡层，背电极Mo，CIGS光吸收层，CdS缓冲层，i-ZnO窗口层和ZnO:Al透明导电层，最后制备栅极电极并在上面再覆盖一层减反射层。作为CIGS太阳能电池的柔性衬底材料通常需要满足以下基本条件：热稳定性好，能承受制备吸收层时的高温环境，同时要有与电池的吸收层材料相近的热膨胀系数，化学性能稳定性好，制备吸收层时，不与Se反应，在化学水浴法(CBD)制备CdS时不会分解，真空中加热时不放气等特性。不锈钢材料是作为CIGS薄膜电池柔性衬底的最佳选择之一，也是一种常用的柔性衬底。
然而，在采用不锈钢衬底制备柔性CIGS薄膜电池的过程中，衬底中的有害元素(如Fe、Cr等)会扩散至CIGS吸收层内，降低电池的光电转换性能。为了阻止衬底中的有害元素扩散至吸收层中，在沉积Mo背电极之前需先沉积一层阻挡层，起到阻止有害元素的扩散的作用。但是，当采用刻划技术形成子电池内联方式制备柔性电池组件时，不仅需要该阻挡层具有阻挡有害元素扩散的作用，而且还应具备电绝缘性能以防止子电池之间短路造成组件性能恶化。
目前普遍使用的阻挡层主要有金属材料(如Cr、WTi合金等)以及一些化合物材料(如Al2O3、SiOx、Si3N4、ZnO等)。金属材料阻挡层虽然可以有效阻止Fe等杂质元素的扩散，但金属材料阻挡层不具备电绝缘性能，不能防止子电池之间短路。通常，化合物材料阻挡层采用溶胶凝胶或PECVD方法制备。虽然化合物材料阻挡层具备电绝缘性能，但是采用溶胶凝胶法制备的化合物薄膜在历经制备吸收层的高温阶段后易出现开裂脱膜，绝缘性变差等问题；采用PECVD方法制备化合物薄膜时沉积速率较低，不利于工业化生产(KessledF,RudmannD.TechnologicalaspectsofflexibleCIGSsolarcellsandmodules[J].SolarEnergy,2004,77:685-695)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不锈钢衬底柔性CIGS薄膜太阳能电池绝缘阻挡层的制备方法。本发明采用磁控溅射法制备一层或多层化合物薄膜材料，并且还可以与金属薄膜形成叠层结构，作为不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜电池的绝缘阻挡层，既可以有效阻挡衬底中杂质元素向吸收层的扩散，又可以有效起到电绝缘作用，防止子电池之间短路，并且在制备吸收层的高温阶段不易开裂掉膜，薄膜均匀性好，沉积速率快，适用工业化生产。
本发明是通过如下技术方案实现：
一种不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法在不锈钢衬底柔性衬底上制备一层或多层绝缘化合物薄膜作为阻挡层。
本发明还进一步包括以下优选方案：
所述一层化合物薄膜材质为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4或TiN等；
所述多层化合物复合薄膜为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4以及TiN中两种或多种化合物薄膜的叠层，或为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4或TiN一种或多种化合物薄膜与金属薄膜的叠层结构。
在不锈钢衬底上先沉积化合物薄膜，然后再沉积金属薄膜，即形成不锈钢衬底/一种或多种化合物薄膜/金属薄膜/Mo背电极层的结构形式。
金属薄膜的材质为铬、铝、钛、铬镍合金、钨钛合金等。
所述化合物薄膜采用反应磁控溅射方法制备，溅射时的本底真空度≤1.0×10-2Pa，功率密度为0.1～20W/cm2，工作气压为0.1～10Pa，不锈钢衬底温度为20～300℃，溅射时间为5～180min，溅射靶材材质为硅、铝、钛、锌等金属材料，溅射时通入O2+Ar或N2+Ar混合气体。
所述绝缘阻挡层的总厚度为0.05～3μm。本发明所述的绝缘阻挡层不仅工艺简单、易于控制、成本低廉、生产效率高，而且可以显著提高铜铟镓硒吸收层的电学性能，对于改善柔性衬底CIGS薄膜电池的均匀性和光电转换效率有明显效果。
附图说明
图1为采用本发明绝缘阻挡层的CIGS薄膜太阳能电池结构示意图。
其中，1-柔性不锈钢衬底，2-双层复合薄膜阻挡层，3-Mo薄膜层。
具体实施方式
下面结合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，但本发明绝非限于实施例。
实施例1：
将柔性不锈钢箔衬底清洗干净后放入磁控溅射机中。溅射靶材为Zn、工作气体采用O2，本底真空为3.0E-3Pa，工作气压为2Pa，溅射功率密度为0.02W/cm2，溅射时间为10min，制备0.1μm的氧化锌薄膜层；然后在氧化锌薄膜上制备金属钛薄膜，待真空度为3.0E-3Pa之后，通入纯Ar，工作气压为3Pa，溅射功率密度为6W/cm2，靶基距为60mm，溅射时间为50min，制备0.5μm金属Ti薄膜，形成ZnO/Ti复合薄膜作为绝缘阻挡层，总厚度为0.6μm。
在所制备的阻挡层表面制备背电极钼层和吸收层CIGS，然后依次制备硫化镉层，本征氧化锌层和掺铝氧化锌层，镍铝栅电极，制成柔性的CIGS薄膜太阳能电池器件。
实施例2：
将柔性不锈钢箔衬底清洗干净后放入磁控溅射机中。工作气体采用O2+N2，本底真空为3.0E-3Pa，工作气压为0.3Pa，溅射功率密度为4W/cm2，靶基距为60mm，溅射时间为20min，制备0.3μm的氮氧化钛薄膜；待真空度为3.0E-3Pa之后，通入纯Ar，工作气压为3Pa，溅射功率密度为6W/cm2，靶基距为60mm，溅射时间为20min，制备0.2μm金属Ti薄膜，形成TiON/Ti复合薄膜作为绝缘阻挡层，总厚度为0.5μm。
在所制备的阻挡层表面制备背电极钼层和吸收层CIGS，然后依次制备硫化镉层，本征氧化锌层和掺铝氧化锌层，镍铝栅电极，制成柔性的CIGS薄膜太阳能电池。
实施例3：
将柔性不锈钢箔衬底清洗干净后放入磁控溅射机中。溅射靶材材质为Al、工作气体采用1:1的氩氧混合气，本底真空为3.0E-3Pa，工作气压为0.4Pa，溅射功率密度为6W/cm2，靶基距为60mm，溅射时间为20min，制备0.3μm的Al2O3薄膜绝缘阻挡层。
在所制备的阻挡层表面制备背电极钼层和吸收层CIGS，然后依次制备硫化镉层，本征氧化锌层和掺铝氧化锌层，镍铝栅电极，制成柔性的CIGS薄膜太阳能电池。
实施例4：
将柔性不锈钢箔衬底清洗干净后放入磁控溅射机中。溅射靶材材质为Si、工作气体采用氧气，本底真空为3.0E-3Pa，工作气压为2Pa，溅射功率密度为2W/cm2，靶基距为60mm，溅射时间为20min，制备0.4μm的SiO2薄膜绝缘阻挡层。
在所制备的阻挡层表面制备背电极钼层和吸收层CIGS，然后依次制备硫化镉层，本征氧化锌层和掺铝氧化锌层，镍铝栅电极，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 (6)

1.一种不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于：
采用磁控溅射法在柔性衬底上制备一层或多层化合物复合薄膜作为绝缘阻挡层。
2.根据权利要求1所述的不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于：
所述一层化合物薄膜材质为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4或TiN等；
所述多层化合物复合薄膜为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4以及TiN中两种或多种化合物薄膜的叠层，或为SiO2、Al2O3、TiO2、ZnO、Si3N4或TiN一种或多种化合物薄膜与金属薄膜的叠层结构。
3.根据权利要求2所述的不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于：
在不锈钢衬底上先沉积化合物薄膜，然后再沉积金属薄膜，即形成不锈钢衬底/一种或多种化合物薄膜/金属薄膜/Mo背电极层的结构形式。
4.根据权利要求2所述的不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于：
金属薄膜的材质为铬、铝、钛、铬镍合金、钨钛合金等。
5.根据权利要求1所述的不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于：
所述化合物薄膜采用反应磁控溅射方法制备，溅射时的本底真空度≤1.0×10-2Pa，功率密度为0.1～20W/cm2，工作气压为0.1～10Pa，不锈钢衬底温度为20～300℃，溅射时间为5～180min，溅射靶材材质为硅、铝、钛、锌等金属材料，溅射时通入O2+Ar或N2+Ar混合气体。
6.根据权利要求1所述的不锈钢衬底柔性铜铟镓硒薄膜太阳电池绝缘阻挡层的制备方法，其特征在于：
所述绝缘阻挡层的总厚度为0.05～3μm。
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