CN105789351B - 薄膜太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种薄膜太阳能电池组件及其制备方法，该薄膜太阳能电池组件包括基板，背电极层，半导体层，透明导电层，及P1、P2和P3沟槽；其中P1沟槽被半导体层材料填充，在P2沟槽的侧壁和底部都覆盖有高电阻材料膜层，在P2沟槽内填充具有导电性的材料，高电阻材料膜层位于P2沟槽的侧壁和/或底部与透明导电层之间，具有导电性的材料填充于透明导电层上方和/或下方。所述导电性的材料由含有导电性粒子的树脂或油墨构成，所述导电性粒子包括银、铝、钛、铜、钼、碳或及其合金等。本发明能够提升薄膜太阳能电池组件的性能。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种CIGS基薄膜太阳能电池组件及其制备方法。
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。
CIGS基薄膜太阳能电池组件一般都要进行三次的图案化工序，在基板上形成背电极层，接着对背电极层进行图案化使之形成P1沟槽，接着在背电极层上形成铜铟镓硒光吸收层，使铜铟镓硒光吸收层覆盖P1沟槽和背电极层，接着在铜铟镓硒光吸收层上形成缓冲层，接着对铜铟镓硒光吸收层和缓冲层进行图案化使之形成P2沟槽，在P2沟槽底部露出背电极层材料，接着在缓冲层上形成透明导电层，使透明导电层覆盖P2沟槽和缓冲层，接着对透明导电层、缓冲层和光吸收层进行图案化使之形成P3沟槽，在P3沟槽底部露出背电极层材料。
在透明导电层覆盖P2沟槽的侧壁和底部的情况是不相同的，由于膜层的沉积效应在P2沟槽的侧壁所沉积的透明导电层的厚度较薄，这就造成了该区域膜层的电阻较高，这就会使薄膜太阳能电池组件的串联电阻升高，从而影响到薄膜太阳能电池组件的性能。
再者，在P2沟槽的侧壁，透明导电层材料是直接与铜铟镓硒光吸收层材料接触；在P2沟槽的底部，透明导电层材料是直接与背电极层材料接触；由于在铜铟镓硒光吸收层材料及背电极层材料中都含有碱金属元素，若透明导电层直接与其接触，则碱金属就会容易的扩散进入该区域的透明导电层中，这就会造成该区域透明导电层的性能恶化(如电阻升高等)，进而使薄膜太阳能电池组件的性能下降。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而完成的，本发明提供了一种薄膜太阳能电池组件，其特征在于，该薄膜太阳能电池组件包括基板，背电极层，半导体层，透明导电层，及P1、P2和P3沟槽；其中P1沟槽被半导体层材料填充，P2沟槽覆盖透明导电层；在P2沟槽的侧壁和/或底部覆盖有高电阻材料膜层，在P2沟槽内填充具有导电性的材料，高电阻材料膜层位于P2沟槽的侧壁和/或底部与透明导电层之间，具有导电性的材料填充于透明导电层上方和/或下方。
在所述P1沟槽中也可填充具有绝缘性的材料，所述绝缘性的材料可包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氧化钛、氧化锆、氧化铝等。所述P1、P2和P3沟槽的位置可以相互错开，也可以P3沟槽包含在P2沟槽内。
所述高电阻材料膜层的方块电阻为5kΩ/□至350kΩ/□，优选其方块电阻为10kΩ/□至300kΩ/□；所述高电阻材料膜层的厚度为1nm-300nm，优选厚度为5nm-200nm，更优选厚度为10nm-100nm；所述高电阻材料膜层具有透光性，优选其可见光透过率大于80％，更优选其可见光透过率大于85％；所述高电阻材料膜层可由氧化锌膜层、掺杂氧化锌膜层、氧化钛膜层、掺杂氧化钛膜层、氧化铟膜层、氧化锡膜层、锌或镉掺杂的氧化锡膜层、锌镁氧化物膜层、氧化锆膜层、氧化铌膜层、氧化铝膜层、氧化硅膜层、氮化硅膜层或氮氧化硅膜层中的至少一种组成。所述具有导电性的材料由包含导电性粒子的树脂或油墨构成；所述导电性粒子可由银、铝、钛、铜、钼、铬、钨、锆、碳或及其合金，或其他导电性较好的颗粒组成；所述树脂可由丙烯酸树脂、环氧树脂等合适的树脂材料构成。
所述半导体层包括光吸收层和缓冲层。所述光吸收层为铜铟镓硒膜层、铜铟镓硒硫膜层、铜铟镓硫膜层、铜铟镓铝硒膜层、铜铟镓铝硒硫膜层、铜铟镓铝硫膜层、铜铟硒膜层、铜铟硒硫膜层、铜铟硫膜层、铜锌锡硫膜层、碲化镉膜层或它们的组合，所述光吸收层中含有碱金属元素；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、硒化锌、硫硒化锌、硫化铟、硒化铟、硫硒化铟或锌镁氧化物中的一种或两种以上，所述缓冲层可由一层或多层组成。
进一步的，在基板与背电极层之间插入一层阻挡元素扩散的电介质材料层。
本发明还提供了一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于：在基板上形成背电极层；接着对背电极层进行图案化处理使之形成P1沟槽，在P1沟槽的底部没有背电极层材料；接着在图案化后的背电极层上形成半导体层，使半导体层覆盖P1沟槽和背电极层；接着对半导体层进行图案化处理使之形成P2沟槽，在P2沟槽的底部露出背电极层；接着在图案化后的半导体层上形成一高电阻材料膜层，使高电阻材料膜层覆盖半导体层和P2沟槽；接着在高电阻材料膜层上形成透明导电层；接着在P2沟槽内填充具有导电性的材料；接着对透明导电层、高电阻材料膜层和半导体层进行图案化处理使之形成P3沟槽，在P3沟槽的底部露出背电极层。
在P2沟槽内填充具有导电性的材料的工序可置于形成透明导电层的工序之前，或者在P2沟槽内填充具有导电性的材料的工序可置于对透明导电层进行图案化处理使之形成P3沟槽的工序之后。
所述高电阻材料膜层可只覆盖P2沟槽的侧壁和底部，或者所述高电阻材料膜层除了覆盖P2沟槽的侧壁和底部之外还覆盖部分区域的半导体层表面，或者所述高电阻材料膜层只覆盖P2沟槽的侧壁，或者所述高电阻材料膜层除了覆盖P2沟槽的侧壁之外还覆盖部分区域的半导体层表面，或者所述高电阻材料膜层除了覆盖P2沟槽的侧壁之外还覆盖全部的半导体层表面；所述高电阻材料膜层可采用真空溅射法、CVD法、真空蒸镀法等合适的方法来沉积。
所述可采用丝网印刷法、喷墨法等合适的方法在P2沟槽内填充具有导电性的材料；或可使用掩膜版然后进行旋涂、喷涂工艺使之在P2沟槽内填充具有导电性的材料。
所述半导体层包括光吸收层和缓冲层；所述光吸收层为铜铟镓硒膜层、铜铟镓硒硫膜层、铜铟镓硫膜层、铜铟镓铝硒膜层、铜铟镓铝硒硫膜层、铜铟镓铝硫膜层、铜铟硒膜层、铜铟硒硫膜层、铜铟硫膜层、铜锌锡硫膜层、碲化镉膜层或它们的组合，所述光吸收层中含有碱金属元素；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、硒化锌、硫硒化锌、硫化铟、硒化铟、硫硒化铟或锌镁氧化物中的一种或两种以上，所述缓冲层可由一层或多层组成。
进一步的，在基板与背电极层之间插入一层阻挡元素扩散的电介质材料层。所述电介质材料层由氧化硅、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；当衬底为玻璃基板时，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。
所述背电极层为钼电极层、钛电极层、铬电极层、AZO透明导电层或其组合，所述背电极层中还可含有碱金属、氧、氮等元素。
所述透明导电层选用银基透明导电膜层、氧化铟掺杂锡膜层、氧化锌掺杂铝膜层、氧化锌掺杂镓膜层、氧化锌掺杂铟膜层、氧化锌掺杂硼膜层、氧化锡掺杂氟膜层、氧化锡掺碘膜层、氧化锡掺杂锑膜层或石墨烯中的一种和/或两种以上。
所述衬底为钠钙玻璃、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
进一步，在透明导电层上可形成一减反射膜层，所述减反射膜层可由氟化镁或由一层高折射率材料与一层低折射率材料组成。进一步，使用层压工艺将薄膜太阳能电池密封在两块基板之间。
与现有技术相比本发明具有以下优点
1、本发明的一种薄膜太阳能电池组件在P2沟槽的侧壁覆盖有高电阻材料膜层，这可使P2沟槽侧壁区域的光吸收层材料表面实现钝化，因而减少光生载流子在该区域的复合，从而提升薄膜太阳能电池组件的性能。
2、本发明的一种薄膜太阳能电池组件在P2沟槽的侧壁和底部覆盖有高电阻材料膜层，其可防止光吸收层中的碱金属元素和背电极层中的碱金属元素扩散进入透明导电层，由此避免造成透明导电层的性能恶化，进而影响到薄膜太阳能电池组件的性能。
3、本发明的一种薄膜太阳能电池组件在P2沟槽内填充具有导电性的材料，这样可以降低透明导电层与背电极层电连接的串联电阻，进而可降低薄膜太阳能电池组件的串联电阻，提升薄膜太阳能电池组件的性能。
附图说明
图1为传统的CIGS基薄膜太阳能电池组件的截面结构示意图；
图2为本发明薄膜太阳能电池组件的第一种截面结构示意图；
图3为本发明薄膜太阳能电池组件的第二种截面结构示意图；
图4为本发明薄膜太阳能电池组件的第三种截面结构示意图；
图5为本发明薄膜太阳能电池组件的第四种截面结构示意图；
图6为本发明薄膜太阳能电池组件的第五种截面结构示意图。
图中:1—基板，2—背电极层，3—光吸收层，4—缓冲层，5—透明导电层，6—高电阻材料膜层，7—具有导电性的材料，P1—P1沟槽，P2—P2沟槽，P3—P3沟槽。
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。
所述P1沟槽是指通过使用激光或刻针对沉积有背电极层的基板进行刻划所形成的沟槽，使通过以细线形式去除背电极层的一部分来进行构图的第一构图步骤；所述P2沟槽是指通过使用刻针或激光对沉积完半导体层的基板进行刻划，通过以第一构图步骤中形成的图案为参考位置偏移规定量，以细线形式去除半导体层的一部分来进行构图的第二构图步骤；所述P3沟槽是指通过使用刻针或激光对沉积完透明导电层的基板进行刻划，通过以第一构图步骤或第二构图步骤中形成的图案为参考位置偏移规定量，以细线形式去除半导体层、高电阻材料膜层和透明导电层的一部分来进行构图的第三构图步骤。
图1是传统CIGS基薄膜太阳能电池组件的截面结构示意图，从图1可看出P1、P2和P3沟槽相互错开，在P2沟槽的侧壁和底部直接覆盖透明导电层5，由于膜层沉积效应的影响，在P2沟槽的侧壁上沉积的透明导电层5的厚度较薄，这就造成该区域的电阻较大，会阻碍电池内部载流子的输运，进而影响到薄膜太阳能电池组件的性能。
图2是本发明的薄膜太阳能电池组件的截面结构示意图，从图2可看出P1、P2和P3沟槽相互错开，在P2沟槽的侧壁和底部先后覆盖有高电阻材料膜层6和透明导电层5，接着在P2沟槽内填充具有导电性的材料7，高电阻材料膜层6覆盖整个缓冲层4的表面。
图3与图2的结构示意图相似，只是图3中的高电阻材料膜层6只覆盖缓冲层4的部分区域表面。
图4与图2的结构示意图相似，只是图4中的高电阻材料膜层6没有覆盖P2沟槽的底部。
图5与图2的结构示意图相似，与图2中的P2沟槽内填充的具有导电性的材料7的厚度相比，在图5中P2沟槽内填充的具有导电性的材料7的厚度较薄。
图6中P3沟槽包含在P2沟槽内，在P2沟槽内具有导电性的材料7只填充P2沟槽的一侧，而在P2沟槽内没有填充具有导电性的材料7的区域可以填充具有绝缘性的材料或者空着不填充任何物质。在图6示例中，实质上省略了形成P3沟槽的工序。
本发明的薄膜太阳能电池组件的结构示意图不局限于附图中的几种，应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可做出各种修改。
以下通过几个具体实施例来说明本发明的一种薄膜太阳能电池组件及其制备方法。以下涉及的实施例，均是在干净的基板表面上依次沉积上各膜层。
实施例1
参见图2所示，本发明的一种薄膜太阳能电池组件，制作时，在一基板为钠钙玻璃1上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼层作为背电极层2；接着在金属钼电极上使用激光刻划形成P1沟槽；接着在背电极层2上形成具有黄铜矿结构的铜铟镓硒作为光吸收层3；在光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积50nm的CdS膜层作为缓冲层4；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P2沟槽；在P2沟槽的侧壁、底部及缓冲层4上溅射沉积15nm的氧化钛膜层作为高电阻材料膜层6，所述高电阻材料膜层6的方块电阻为350kΩ/□；在高电阻材料膜层6上采用磁控溅射沉积800nmAZO(Al掺杂ZnO)膜层作为透明导电层5；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P3沟槽；接着使用丝网印刷对P2沟槽填充银浆材料，使银浆材料的表面与透明导电层5的表面持平，最后进行固化处理使银浆固化成为具有导电性的材料7。
实施例2
参见图3所示，本发明的一种薄膜太阳能电池组件，制作时，在一基板为钠钙玻璃1上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼层作为背电极层2；接着在金属钼电极上使用激光刻划形成P1沟槽；接着在背电极层2上形成具有黄铜矿结构的铜铟镓硒硫作为光吸收层3；在光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积60nm的CdS膜层作为缓冲层4；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P2沟槽；接着使用掩膜，在P2沟槽的侧壁、底部及缓冲层4的部分区域上溅射沉积10nm的氧化硅膜层作为高电阻材料膜层6，所述高电阻材料膜层6的方块电阻为5kΩ/□；在高电阻材料膜层6上采用磁控溅射沉积600nmGZO(Ga掺杂ZnO)膜层作为透明导电层5；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P3沟槽；接着使用丝网印刷对P2沟槽填充银浆材料，使银浆材料的表面与透明导电层5的表面持平，最后进行固化处理使银浆固化成为具有导电性的材料7。
实施例3
参见图4所示，本发明的一种薄膜太阳能电池组件，制作时，在一基板为钠钙玻璃1上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼层作为背电极层2；接着在金属钼电极上使用激光刻划形成P1沟槽；接着在背电极层2上形成具有黄铜矿结构的铜铟镓硫作为光吸收层3；在光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积40nm的CdS膜层作为缓冲层4；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P2沟槽；接着使用掩膜，在P2沟槽的侧壁及缓冲层4上溅射沉积20nm的铝掺杂的氧化锌膜层作为高电阻材料膜层6，所述高电阻材料膜层6的方块电阻为100kΩ/□；在高电阻材料膜层6上采用CVD法沉积800nmBZO(B掺杂ZnO)膜层作为透明导电层5；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P3沟槽；接着使用丝网印刷对P2沟槽填充银浆材料，使银浆材料的表面与透明导电层5的表面持平，，最后进行固化处理使银浆固化成为具有导电性的材料7。
实施例4
参见图5所示，本发明的一种薄膜太阳能电池组件，制作时，在一基板为钠钙玻璃1上采用磁控溅射沉积600nm的金属钼层作为背电极层2；接着在金属钼电极上使用激光刻划形成P1沟槽；接着在背电极层2上形成具有黄铜矿结构的铜铟镓硒作为光吸收层3；在光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积40nm的CdS膜层作为缓冲层4；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P2沟槽；接着在P2沟槽的侧壁、底部及缓冲层4上溅射沉积25nm的镓掺杂的氧化锌膜层作为高电阻材料膜层6，所述高电阻材料膜层6的方块电阻为180kΩ/□；在高电阻材料膜层6上采用CVD法沉积600nmBZO(B掺杂ZnO)膜层作为透明导电层5；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P3沟槽；接着使用丝网印刷对P2沟槽填充银浆材料，使银浆材料的表面高度低于透明导电层5的表面高度，最后进行固化处理使银浆固化成为具有导电性的材料7。
实施例5
参见图6所示，本发明的一种薄膜太阳能电池组件，制作时，在一基板为钠钙玻璃1上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼层作为背电极层2；接着在金属钼电极上使用激光刻划形成P1沟槽；接着在背电极层2上形成具有黄铜矿结构的铜铟镓硒硫作为光吸收层3；在光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积50nm的ZnS膜层作为缓冲层4；接着使用机械刻针进行刻划，以形成P2沟槽；接着在P2沟槽的侧壁、底部及缓冲层4上溅射沉积35nm的镓掺杂的氧化锌膜层作为高电阻材料膜层6，所述高电阻材料膜层6的方块电阻为260kΩ/□；接着使用丝网印刷对P2沟槽填充银浆材料，使银浆材料只填充P2沟槽的一侧，使银浆材料的表面与高电阻材料膜层6的表面持平，接着进行固化处理使银浆固化成为具有导电性的材料7，接着使用掩膜，在高电阻材料膜层6上采用CVD法沉积600nmBZO(B掺杂ZnO)膜层作为透明导电层5。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种薄膜太阳能电池组件及其制作方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种薄膜太阳能电池组件，该薄膜太阳能电池组件包括基板，背电极层，半导体层，透明导电层，及P1、P2和P3沟槽；其中P1沟槽被半导体层材料填充，P2沟槽覆盖透明导电层，其特征在于：在P2沟槽的侧壁和/或底部覆盖有高电阻材料膜层，在P2沟槽内填充具有导电性的材料；高电阻材料膜层位于P2沟槽的侧壁和/或底部与透明导电层之间，具有导电性的材料填充于透明导电层上方和/或下方。
2.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池组件，其特征在于：所述高电阻材料膜层的方块电阻为5kΩ/□至350kΩ/□，膜层的厚度为1nm-300nm，膜层具有透光性，可见光透过率大于80％。
3.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池组件，其特征在于：所述具有导电性的材料由包含导电性粒子的树脂或油墨构成。
4.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池组件，其特征在于：所述半导体层包括光吸收层和缓冲层。
5.根据权利要求4所述的一种薄膜太阳能电池组件，其特征在于：所述光吸收层为铜铟镓硒膜层、铜铟镓硒硫膜层、铜铟镓硫膜层、铜铟镓铝硒膜层、铜铟镓铝硒硫膜层、铜铟镓铝硫膜层、铜铟硒膜层、铜铟硒硫膜层、铜铟硫膜层、铜锌锡硫膜层、碲化镉膜层中的一种或它们的组合，所述光吸收层中含有碱金属元素；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、硒化锌、硫硒化锌、硫化铟、硒化铟、硫硒化铟或锌镁氧化物中的一种或两种以上，所述缓冲层由一层或多层组成。
6.根据权利要求1所述的一种薄膜太阳能电池组件，其特征在于：在基板与背电极层之间插入一层阻挡元素扩散的电介质材料层。
7.一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于：在基板上形成背电极层；接着对背电极层进行图案化处理使之形成P1沟槽，在P1沟槽的底部没有背电极层材料；接着在图案化后的背电极层上形成半导体层，使半导体层覆盖P1沟槽和背电极层；接着对半导体层进行图案化处理使之形成P2沟槽，在P2沟槽的底部露出背电极层；接着在图案化后的半导体层上形成一高电阻材料膜层，使高电阻材料膜层覆盖半导体层和P2沟槽；接着在高电阻材料膜层上形成透明导电层；接着在P2沟槽内填充具有导电性的材料；接着对透明导电层、高电阻材料膜层和半导体层进行图案化处理使之形成P3沟槽，在P3沟槽的底部露出背电极层。
8.根据权利要求7所述的一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于：在P2沟槽内填充具有导电性的材料的工序置于形成透明导电层的工序之前，或者在P2沟槽内填充具有导电性的材料的工序置于对透明导电层进行图案化处理使之形成P3沟槽的工序之后。
9.根据权利要求7所述的一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于：所述半导体层包括光吸收层和缓冲层；所述光吸收层为铜铟镓硒膜层、铜铟镓硒硫膜层、铜铟镓硫膜层、铜铟镓铝硒膜层、铜铟镓铝硒硫膜层、铜铟镓铝硫膜层、铜铟硒膜层、铜铟硒硫膜层、铜铟硫膜层、铜锌锡硫膜层、碲化镉膜层中的一种或它们的组合，所述光吸收层中含有碱金属元素；所述缓冲层为硫化镉、氧化锌、硫化锌、硒化锌、硫硒化锌、硫化铟、硒化铟、硫硒化铟或锌镁氧化物中的一种或两种以上，所述缓冲层可由一层或多层组成。
10.根据权利要求7所述的一种薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于：进一步的，在基板与背电极层之间插入一层阻挡元素扩散的电介质材料层。
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