CN105742402B - 一种叠层太阳能电池的制备方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叠层太阳能电池的制备方法及其结构，采用P型单晶硅片制备太阳能电池；在衬底上制备背电极和牺牲层；在牺牲层上制备CIGS薄膜太阳能电池，然后分别在单晶硅电池的P型硅层和CIGS薄膜太阳能电池的窗口层上分别沉积金属键合层；将制备好的单晶硅电池上的金属键合层与CIGS太阳能电池表面的金属键合层进行金属键合；将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行衬底的剥离；在单晶硅电池和CIGS电池上分别沉积电极，即得单晶硅/CIGS叠层太阳能电池。本发明采用剥离技术制备单晶硅/铜铟镓硒(CIGS)叠层太阳电池，首先分开制备单晶硅电池和CIGS薄膜太阳能电池，然后利用金属键合工艺制得叠层电池，其光电转换效率将比单晶硅电池提高5％‑20％。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种叠层太阳能电池的制备方法及其结构，可充分利用光能，提高太阳能电池的转换效率。
背景技术
随着经济社会的发展，人们对能源的需求也与日俱增。由于常规化石能源储量有限，污染环境。因此，发展利用新的清洁能源就成为解决常规能源匮乏、环境污染的唯一途径。由于太阳能取之不尽用之不竭，清洁无污染，是未来最理想最可持续的可再生能源。太阳能电池直接将光能转变为电能，是太阳能利用的一种重要方式。
现代真正意义上的太阳电池起始于1954年美国贝尔实验室，从发现单晶硅PN结光伏效应，到单晶硅电池的效率达到6％，只用了不到一年的时间，开创了太阳电池的新纪元。经历了半个世纪的发展，目前单晶硅电池的转换效率已经达到25％，多晶硅电池的转换效率为20.4％，并且技术成熟，已开始大规模量产，如晶体硅太阳电池能占据了光伏市场的80％以上。铜铟镓硒薄膜太阳能电池具有高光吸收系数、高转化效率、可调的禁带宽度、高稳定性、较强的抗辐射能力等优点，目前转换效率已经超过多晶硅电池，达到21.7％，并仍在不断获得新突破，是一种非常有发展潜力的薄膜太阳电池。铜铟镓硒薄膜电池和单晶硅电池这两种太阳能电池吸收层的禁带宽度不同，对太阳光的波长利用范围存在差别。若只是单结太阳能电池，不但无法充分利用太阳光，还造成电池转换效率很难进一步提升。
发明内容
为此，本发明为了有效利用不同波长的太阳光，提高太阳能电池转换效率，本发明提供了一种叠层太阳能电池的制备方法及其结构。
所采用技术方案如下所述：
一方面，本发明提供了一种叠层太阳能电池的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一、采用P型单晶硅片制备太阳能电池；
步骤二、在衬底上制备背电极层；
步骤三、在背电极层上制备牺牲层；
步骤四、在牺牲层上制备CIGS薄膜太阳能电池；
步骤五，采用热蒸发或溅射的方法，分别在单晶硅电池的P型硅层和CIGS薄膜太阳能电池的窗口层上沉积金属键合层；
步骤六，将制备好的单晶硅电池上的金属键合层与CIGS薄膜太阳能电池上的金属键合层进行金属键合；
步骤七、将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行所述衬底和背电极层的剥离；
步骤八、在单晶硅电池的N+硅层上沉积金属电极；
步骤九、在CIGS薄膜太阳能电池表面制备栅线电极；
步骤十、采用蒸发法在叠层电池的上表面制备抗反射层，即得单晶硅/CIGS叠层太阳能电池。
所述步骤三中的牺牲层为NaF层。
所述步骤五中的金属键合层为厚度0.1nm-10nm的金锡合金层。
所述步骤六中的将制备好的单晶硅电池上的金属键合层与CIGS薄膜太阳能电池上的金属键合层进行金属键合，其具体方法是：
在氮气环境下，将制备好的单晶硅电池的金属键合层与CIGS薄膜太阳能电池上的金属键合层进行对准，在压力5-50000N，加热300℃-500℃下，保持10min-120min，使单晶硅电池与CIGS薄膜太阳能电池通过金 属键合层进行金属键合。
步骤七中的将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行剥离，其具体方法是：将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行机械剥离或浸入水中溶解牺牲层，使CIGS薄膜太阳能电池在牺牲层处与背电极层分离。
另一方面，本发明还提供了一种叠层太阳能电池，依次包括底电池、金属键合层、顶电池和电极，其特征在于，所述底电池为单晶硅电池，所述顶电池为铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池，所述金属键合层设置于所述顶电池与所述底电池之间。
所述的金属键合层为金锡合金层，其厚度为0.1～10nm。
所述的金锡合金层的厚度为5nm。
所述的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池包括CIGS吸收层、CdS缓冲层和窗口层，所述单晶硅电池包括P型硅层和N+硅层，所述金锡合金层与所述单晶硅电池的P型硅层及铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的窗口层相结合。
所述窗口层包括本征窗口层和导电窗口层，所述本征窗口层厚度为30nm～100nm，所述导电窗口层厚度为200nm-1500nm。
本发明相对于现有技术具有如下有益效果：
A.本发明采用剥离技术制备单晶硅/铜铟镓硒(CIGS)叠层太阳电池，首先分开制备单晶硅电池和CIGS薄膜太阳能电池，然后利用金属键合工艺，采用很薄一层合金材料将单晶硅电池P型硅层与CIGS薄膜太阳能电池的窗口层进行键合，同时确保合金层具有足够透过率，然后采用剥离技术，把CIGS薄膜太阳能电池从原衬底上剥离；最后，在叠层电池的上下表面制备输出电极，制备得到叠层电池。光线从P型CIGS吸收层处入射，有效利用不同波长的太阳光，所制得的单晶硅/CIGS叠层电池的光电转换效率比单晶硅电池提高5％-20％。
B.本发明通过将单晶硅作为底电池，大带隙的CIGS薄膜太阳能电池作为顶电池，在顶电池与底电池之间设有将顶电池和底电池实现金属键合的金属键合层，制得叠层电池，单晶硅的禁带宽度为1.1eV左右，而CIGS薄膜太阳能电池的禁带宽度可以在1.04eV-1.67eV改变，将二者通过金属键合层结合可大大拓宽这两种电池对太阳光的吸收波长范围，提高电池转换效率。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为单晶硅太阳电池结构示意图；
图2为CIGS薄膜太阳能电池结构示意图；
图3单晶硅电池和CIGS薄膜太阳电池通过金镍合金键合制成叠层电池；
图4剥离衬底/Mo层结构示意图；
图5单晶硅/CIGS叠层太阳电池结构示意图。
图中：
10-单晶硅电池，101-P型硅层，102-N+硅层；20-铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池，201-衬底，202-Mo背电极层，203-牺牲层，204-CIGS吸收层，205-CdS缓冲层，206-本征i-ZnO层，207-ZnO：Al层；301-金属键合层；302-栅线电极；303-电极；304-抗反射层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图5所示，本发明提供了一种叠层太阳能电池，依次包括底电池、金属键合层301、顶电池和电极302、303，底电池为单晶硅电池10，顶电池为铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池20，设置于顶电池与底电池之间实现顶电池和底电池金属键合的金属键合层，金属键合层为合金薄膜层，其厚度为为0.1-10nm，合金薄膜层的透光率90％-99％。合金薄膜层优选为金锡合金层，单晶硅电池10包括P型硅层101和N+硅层102，金锡合金层与单晶硅电池10的N+硅层102相结合。
其中的铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池20包括CIGS吸收层204、CdS缓冲层205和窗口层，CIGS吸收层204的厚度为500nm-3000nm，CdS缓冲层205的厚度为30nm-100nm。其中的窗口层包括本征窗口层和导电窗口层，分别为图2中的本征ZnO层206和ZnO：Al层207，本征ZnO层206厚度为30-100nm，ZnO：Al层207厚度为200nm-1500nm。
本发明还提供了一种采用剥离技术制备单晶硅/铜铟镓硒叠层太阳电池的方法，本方法首先分别制备单晶硅电池10和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池20，然后利用金属键合工艺，采用很薄一层合金材料将单晶硅电池的P型硅层101与铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池20的窗口层进行键合，然后采用剥离技术，把CIGS电池从原衬底上剥离。最后，在叠层电池的上下表面制备输出电极，制备得到叠层电池。单晶硅电池10作为底电池，铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池20作为顶电池，光线从P型CIGS吸收层204处入射。
具体制备步骤为：
步骤一、在P型单晶硅片制备太阳能电池，如图1所示
(1)清洗：用高纯水或有机溶剂对单晶硅硅片进行清洗，然后用酸(或碱)溶液将单晶硅硅片表面损伤层去除。
(2)制备绒面：用碱溶液对单晶硅硅片进行各向异性腐蚀，在单晶硅硅片表面制备绒面。
(3)磷扩散：采用涂布源(或液态源，或固态氮化磷片状源)进 行扩散，制成PN结，结深一般为0.3-0.5μm。
(4)去磷硅玻璃：采用化学腐蚀法，即采用酸性溶液去除磷硅玻璃。
步骤二、在衬底上制备铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池，如图2所示。
(1)将衬底用超声机清洗干净，衬底201可以为玻璃，金属箔，聚合物等，在玻璃衬底201上，采用直流磁控溅射法制备Mo背电极层202，厚度为100-2000nm。
(2)采用蒸发法沉积NaF牺牲层203，厚度10-200nm，后续剥离将使得电池从此处分开。采用NaF作为牺牲层的另一个优势是可以为CIGS薄膜太阳能电池掺入Na，改善电池性能；
(3)采用蒸发法或溅射后硒化方法在NaF牺牲层203上制备CIGS吸收层204，CIGS吸收层厚度为500-3000nm；
(4)采用化学水浴法或射频(RF)磁控溅射法制备CdS缓冲层205，厚度为30-100nm；
(5)采用磁控溅射法沉积本征i-ZnO层206，厚度为30-100nm；采用磁控溅射方法制备ZnO：Al层207，厚度为200-1500nm。
步骤三，采用热蒸发或溅射的方法，分别在单晶硅电池的P型硅层101和CIGS薄膜太阳能电池20的窗口层上分别沉积厚度0.1-10nm金锡合金层，并确保金锡合金层具有较高的光透过率，如图3所示。
步骤四、将制备好的单晶硅电池10的金锡合金层与CIGS薄膜太阳能电池20表面的金锡合金层进行金属压制键合。
其具体方法是：
在氮气环境下，将制备好的单晶硅电池10的金锡合金层与CIGS电池表面的金锡合金层进行对准，在压力5-50000N，加热300-500℃下，保持10-120mi，使单晶硅电池10与CIGS薄膜太阳能电池20通过金锡合金层进行金属键合。
步骤五、将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行剥离，如 图4所示；
将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行机械剥离或浸入水中溶解NaF牺牲层203，使CIGS薄膜太阳能电池20在NaF牺牲层203处与Mo背电极层202分离，如图4所示，而衬底201/Mo背电极层202通过适当处理可以反复使用。
步骤六、在单晶硅电池10的N+硅层太阳能电池的N型面上采用蒸发法沉积Al电极303，厚度为500-4000nm；
步骤七、在CIGS薄膜太阳能电池表面采用直流磁控溅射法制备500-4000nm厚的Al栅线电极302；
步骤八、采用蒸发法在叠层电池的上表面采用蒸发的方式制备100nm的MgF2抗反射层304，即得单晶硅/CIGS叠层太阳能电池，如图5所示。
实施例1
采用剥离技术制备单晶硅/铜铟镓硒叠层太阳电池，具体制备过程为：
步骤一、采用P型单晶硅硅片制备单晶硅电池，如图1所示：
(1)清洗：采用丙酮溶液将硅片上沾污的尘埃、金属切屑、油脂等去除掉，然后用NaOH溶液将硅片表面的损伤层去除，损伤层厚度为30-50μm。
(2)制备绒面：用浓度约为1％的NaOH稀溶液对硅片进行各向异性腐蚀，腐蚀温度为80℃，在硅片表面制备绒面。
(3)磷扩散：在850℃高温下使用N2将POCI3带入反应容器进行磷扩散，制成PN结，结深为0.4μm。
(4)去磷硅玻璃：把硅片放在氢氟酸溶液中浸泡，去除去磷硅玻璃。
步骤二、制备CIGS薄膜太阳电池，如图2所示：
(1)将苏打玻璃衬底201进行超声清洗，然后用纯氮气吹干装入磁 控溅射真空室内，脱水去气。
(2)待真空度优于1×10-3Pa后，通入氩气(Ar)，溅射气压为2Pa，采用直流磁控溅射法制备Mo层，厚度为1μm。
(3)在Mo背电极层上，采用蒸发法沉积NaF牺牲层203，蒸发本底真空优于1×10- 3Pa，薄膜厚度100nm，如图203所示。
(4)采用三步法共蒸发法制备CIGS吸收层204，第一步衬底温度为350℃，第二三步衬底温度为550℃，薄膜厚度为1.0μm。
(5)采用CdS靶材，用磁控溅射法制备CdS缓冲层205，薄膜厚度为50nm。
(6)采用磁控溅射法沉积本征i-ZnO层206，本底真空度优于1×10-3Pa，厚度为80nm。
(7)采用磁控溅射方法制备ZnO：Al层207，本底真空度优于1×10-3Pa，厚度为800nm。
步骤三、电池键合：采用热蒸发或溅射的方法，分别在单晶硅电池P型硅层101和CIGS薄膜太阳能电池的导电窗口层上沉积厚度5nm金锡合金层材料，确保金锡合金层具有较高的光透过率。
步骤四、在氮气环境下，将制备好的单晶硅电池10金锡合金层与CIGS薄膜太阳能电池20表面的金锡合金层进行对准，保持压力在5-50000N，加热300-500℃，维持10-120分钟，使单晶硅电池10与CIGS薄膜太阳能电池20通过金锡合金层进行金属键合。
步骤五、剥离处理：将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下浸入水中溶解NaF牺牲层203，使CIGS薄膜太阳能电池20在NaF牺牲层203处与Mo背电极层202分离，如图4所示。
步骤六、在叠层电池的单晶硅N+硅层102，采用蒸发法沉积3μm厚的Al电极303。
步骤七、在CIGS薄膜太阳能电池表面采用直流磁控溅射法制备3μm厚的Al栅线电极302；
步骤八、在叠层电池的表面，采用蒸发的方式制备100nm的MgF2抗 反射层304，得到单晶硅/CIGS叠层太阳电池，如图5所示。
采用上述实施例1的方法所制备的叠层太阳能电池的转换效率比单晶硅电池提高5％-20％。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一、采用P型单晶硅片制备太阳能电池；
步骤二、在衬底上制备背电极层；
步骤三、在背电极层上制备牺牲层，所述牺牲层为NaF层；
步骤四、在牺牲层上制备CIGS薄膜太阳能电池；
步骤五、采用热蒸发或溅射的方法，分别在单晶硅电池的P型硅层和CIGS薄膜太阳能电池的窗口层上沉积金属键合层；
步骤六、将制备好的单晶硅电池上的金属键合层与CIGS薄膜太阳能电池上的金属键合层进行金属键合；
步骤七、将键合后的单晶硅/CI GS叠层电池在常温下进行所述衬底和背电极层的剥离；
步骤八、在单晶硅电池的N+硅层上沉积金属电极；
步骤九、在CIGS薄膜太阳能电池表面制备栅线电极；
步骤十、采用蒸发法在叠层电池的上表面制备抗反射层，即得单晶硅/CI GS叠层太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤五中的金属键合层为厚度0.1-10nm的金锡合金层。
3.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤六中的将制备好的单晶硅电池上的金属键合层与CIGS薄膜太阳能电池上的金属键合层进行金属键合，其具体方法是：
在氮气环境下，将制备好的单晶硅电池的金属键合层与CIGS薄膜太阳能电池上的金属键合层进行对准，在压力5N-50000N，加热300℃-500℃下，保持10mi n-120mi n，使单晶硅电池与CIGS薄膜太阳能电池通过金属键合层进行金属键合。
4.根据权利要求1所述的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于，
步骤七中的将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行剥离，其具体方法是：将键合后的单晶硅/CIGS叠层电池在常温下进行机械剥离或浸入水中溶解牺牲层，使CIGS薄膜太阳能电池在牺牲层处与背电极层分离。
5.一种叠层太阳能电池，依次包括底电池、金属键合层、顶电池和电极，其特征在于，所述底电池为单晶硅电池，所述顶电池为铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池，所述金属键合层设置于所述顶电池与所述底电池之间；所述铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池包括CIGS吸收层、CdS缓冲层和窗口层，所述单晶硅电池包括P型硅层和N+硅层，所述金属键合层与所述单晶硅电池的P型硅层及铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池的窗口层相结合。
6.根据权利要求5所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述的金属键合层为金锡合金层，其厚度为0.1-10nm。
7.根据权利要求6所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述金锡合金层的厚度为5nm。
8.根据权利要求7所述的叠层太阳能电池，其特征在于，所述窗口层包括本征窗口层和导电窗口层，所述本征窗口层厚度为30nm-100nm，所述导电窗口层厚度为200nm-1500nm。
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