CN106024937A - 一种cigs基薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池领域，特别地涉及一种CIGS基薄膜太阳能电池及其制备方法。本发明公开了一种CIGS基薄膜太阳能电池，包括衬底，以及沿远离衬底的方向依次设置在衬底上的背电极层、光吸收层、缓冲层和透明导电层，还包括含碲的半导体膜层，所述含碲的半导体膜层设置在背电极层与光吸收层之间。本发明还公开了一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法。本发明通过在背电极层与光吸收层之间设置一层含有碲的半导体膜层，可有效提高薄膜电池的填充因子，从而提高太阳能电池的性能，且不会使其制备工艺控制变复杂。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体地涉及一种CIGS基薄膜太阳能电池及其制备方法。
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22%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基薄膜太阳能电池的基本构造如图1所示，是通过被称为P1刻划形成的分割槽来分割沉积在衬底1上的背电极层2，进而通过被称为P2刻划以及P3刻划形成的分割槽来分割在背电极层2上制膜的CIGS基光吸收层5、缓冲层6、本征氧化锌膜层7以及透明导电窗口层9，从而串联连接多个电池单元而成的太阳能电池组件。
在制作CIGS基薄膜太阳电池的过程中，当采用对溅射沉积的金属预制层经硒化热处理或者先硒化后硫化热处理形成光吸收层5，或者采用共蒸发法形成铜铟镓硒或铜铟镓硒硫光吸收层5，由于硒的扩散反应，在背电极层2与光吸收层5之间都会附带形成硒化钼膜层3。由于硒化钼膜层3具有一定的电阻率，若由于形成的硒化钼膜层3的厚度较厚这将会影响到光吸收层5与背电极层2之间的欧姆接触，会造成电池的串联电阻升高，从而使薄膜电池的填充因子降低。为解决上述问题，传统的做法是通过控制硒化钼膜层3的厚度，以此来降低薄膜电池的串联电阻。
然而要控制硒化钼膜层3的厚度，就要通过改变各个膜层的沉积参数、硒化温度及硒量等的控制，这将使整个工艺过程的控制变得更加复杂，因而使形成性能较佳的薄膜电池变得更加困难。
发明内容
本发明目的在于为解决上述问题而提供一种不会使制备工艺过程控制变得更复杂的情况下就可增加薄膜电池的填充因子，从而提高薄膜太阳能电池性能的CIGS基薄膜太阳能电池及其制备方法。
为此，本发明公开了一种CIGS基薄膜太阳能电池，包括衬底，以及沿远离衬底的方向依次设置在衬底上的背电极层、光吸收层、缓冲层和透明导电层，还包括含碲的半导体膜层，所述含碲的半导体膜层设置在背电极层与光吸收层之间。
进一步的，所述含碲的半导体膜层还含有硒元素、硫元素或硒硫组合元素。
进一步的，所述含碲的半导体膜层的厚度不大于800nm，优选含碲的半导体膜层的厚度不大于400nm，更优选含碲的半导体膜层的厚度不大于200nm。
进一步的，所述光吸收层为p型铜铟镓硒膜层、p型铜铟镓硒硫膜层、p型铜铟镓硫膜层、p型铜铟镓铝硒膜层、p型铜铟镓铝硒硫膜层、p型铜铟镓铝硫膜层、p型铜铟硒膜层、p型铜铟硒硫膜层、p型铜铟硫膜层或它们的任一组合中的一种；所述缓冲层为硫化镉膜层、硫化锌膜层、硒化锌膜层、硫硒化锌膜层、氧化锌膜层、锌镁氧化物膜层、硫化铟膜层、硒化铟膜层、硫硒化铟膜层或它们的任一组合中的一种；所述背电极层为钼电极层、钛电极层、铬电极层、AZO透明导电层或它们的任一组合中的一种；所述透明导电层为银基透明导电膜层、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、石墨烯膜层或它们的任一组合中的一种；所述衬底为钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
进一步的，还包括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设置在所述缓冲层与透明导电层之间。
进一步的，还包括电介质材料层，所述电介质材料层设置在衬底与背电极层之间。
更进一步的，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任意混合物组成，或所述电介质材料层为钼的氧化物层、氮化物层或氮氧化物层，并且其中包含硅、锆和钛中的至少一种元素，或所述衬底为玻璃基板时，所述电介质材料层为含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层，该碱过滤层还包含Si、Al、O三种元素。
进一步的，所述透明导电层上设置有一减反射膜层，所述减反射膜层由氟化镁膜层、氧化硅膜层或由高折射率材料膜层与低折射率材料膜层组合组成。
本发明还公开了一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤
S1，准备衬底；
S2，在衬底上沿远离衬底的方向依次制备背电极层、含碲的半导体膜层、光吸收层、缓冲层和透明导电层。
进一步的，采用溅射沉积或真空蒸镀沉积来制备含碲的半导体膜层。
进一步的，采用先溅射后硒化和/或硫化法、共蒸镀法、真空溅射法或非真空法来制备光吸收层。
进一步的，还包括在缓冲层与透明导电层之间制备一具有高电阻率的氧化锌膜层。
进一步的，还包括在衬底与背电极层之间制备一电介质材料层。
进一步的，还包括在透明导电层上制备一减反射膜层。
本发明的有益技术效果：
本发明通过在背电极层与光吸收层之间设置一层含碲的半导体膜层，可以使光吸收层与背电极之间形成良好的欧姆接触，降低其接触电阻，可以提高CIGS基薄膜太阳能电池的填充因子，从而提高CIGS基薄膜太阳能电池的性能，同时不会使制备薄膜电池的整个工艺过程控制变得更复杂；再者，形成的含碲的半导体膜层对采用金属刻针进行P2和P3的刻划可以起到很好的润滑作用。
附图说明
图1为传统的CIGS基薄膜太阳能电池的一个单元电池结构示意图；
图2为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的一个单元电池结构示意图；
图3为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池的另一个单元电池结构示意图；
图4为本发明的CIGS基薄膜太阳能电池组件的一个区域的电池结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图2和图3所示，一种CIGS基薄膜太阳能电池，包括衬底1，以及沿远离衬底1的方向依次设置在衬底1上的背电极层2、含碲的半导体膜层4、光吸收层5、缓冲层6和透明导电层9。
具体的，含碲的半导体膜层4还含有硒元素、硫元素或硒硫组合元素，其厚度不大于800nm，优选不大于400nm，更优选不大于200nm，光吸收层5为p型铜铟镓硒膜层、p型铜铟镓硒硫膜层、p型铜铟镓硫膜层、p型铜铟镓铝硒膜层、p型铜铟镓铝硒硫膜层、p型铜铟镓铝硫膜层、p型铜铟硒膜层、p型铜铟硒硫膜层、p型铜铟硫膜层或它们的任一组合中的一种，缓冲层6为硫化镉膜层、硫化锌膜层、硒化锌膜层、硫硒化锌膜层、氧化锌膜层、锌镁氧化物膜层、硫化铟膜层、硒化铟膜层、硫硒化铟膜层或它们的任一组合中的一种，背电极层2为钼电极层、钛电极层、铬电极层、AZO透明导电层或它们的任一组合中的一种，透明导电层9为银基透明导电膜层、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、石墨烯膜层或它们的任一组合中的一种，衬底1为钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
进一步的，还包括具有高电阻率的氧化锌膜层8，具有高电阻率的氧化锌膜层8设置在所述缓冲层6与透明导电层9之间。具体地，具有高电阻率的氧化锌膜层8为本征氧化锌膜层、具有电阻率为0.08Ωcm至120Ωcm的掺杂氧化锌膜层或它们的组合。
进一步的，还包括电介质材料层10，所述电介质材料层10设置在衬底1与背电极层2之间，具体的，电介质材料层10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任意混合物组成，当然，电介质材料层10也可以为钼的氧化物层、氮化物层或氮氧化物层，并且其中包含硅、锆和钛中的至少一种元素，尤其是当衬底为玻璃基板时，电介质材料层10还可以为含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层，该碱过滤层还包含Si、Al、O三种元素。
进一步的，还包括减反射膜层11，减反射膜层11设置在透明导电层上，具体的，减反射膜层11由氟化镁膜层、氧化硅膜层或由高折射率材料膜层与低折射率材料膜层组合组成。
上述CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
S1，准备衬底1；
S2，在衬底1上沿远离衬底1的方向依次制备电介质材料层10、背电极层2、含碲的半导体膜层4、光吸收层5、缓冲层6、具有高电阻率的氧化锌膜层8、透明导电层9和减反射膜层11。
具体的，采用溅射沉积或真空蒸镀沉积来制备含碲的半导体膜层4，采用先溅射后硒化和/或硫化法、共蒸镀法、真空溅射法或非真空法来制备光吸收层5。采用溅射法或蒸镀法来沉积背电极层2，采用水浴法、溅射法、蒸镀法、原子层沉积法（ALD法）或CVD法沉积缓冲层6，采用溅射法、蒸镀法、原子层沉积法（ALD法）或CVD法沉积具有高电阻率的氧化锌膜层8，采用溅射法、CVD法、喷涂法或蒸镀法来沉积透明导电层9，采用溅射沉积或蒸镀沉积减反射膜层11，采用溅射沉积或蒸镀沉积电介质材料层10。
下面将通过几个具体实施例来说明本发明的CIGS基薄膜太阳能电池及其制备方法。以下涉实施例及对比例，均是在干净的衬底表面上依次形成各膜层。
实施例1
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层作为背电极层2；接着在背电极层2上采用磁控溅射法形成厚度为150nm的碲化钼半导体膜层4；接着在碲化钼半导体膜层4上形成厚度为2.0um的铜铟镓硒膜层作为光吸收层5；接着在光吸收层5上采用水浴法形成厚度为40nm的硫化镉膜层作为缓冲层6；接着在缓冲层6上采用磁控溅射法形成厚度为50nm的本征氧化锌膜层8；接着在本征氧化锌膜层8上采用磁控溅射法形成厚度为800nm的氧化锌掺杂铝膜层作为透明导电层9。本实施例的CIGS基薄膜太阳能电池的结构如图2所示。经测试，电池的填充因子FF=64.1%。
实施例2
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积90nm的氮化硅膜层作为电介质材料层10；接着在氮化硅膜层10上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层作为背电极层2；接着在背电极层2上采用磁控溅射法形成厚度为200nm的碲化钼半导体膜层4；接着在碲化钼半导体膜层4上形成厚度为1.9um的铜铟镓硒硫膜层作为光吸收层5；接着在光吸收层5上采用水浴法形成厚度为40nm的硫化镉膜层作为缓冲层6；接着在缓冲层6上采用磁控溅射法形成厚度为50nm的本征氧化锌膜层8；接着在本征氧化锌膜层上采用磁控溅射法形成厚度为600nm的氧化锌掺杂铝膜层作为透明导电层9；接着在透明导电层上蒸镀100nm的氟化镁膜层作为减反射膜层11。本实施例的CIGS基薄膜太阳能电池的结构如图3所示。经测试，电池的填充因子FF=64.7%。
实施例3
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积100nm的氮氧化硅膜层作为电介质材料层10；接着在氮氧化硅膜层10上采用磁控溅射沉积600nm的金属钼电极层作为背电极层2；接着在背电极层2上采用磁控溅射法形成厚度为250nm的碲硒化钼半导体膜层4；接着在碲硒化钼半导体膜层4上形成厚度为2.0um的铜铟镓硒硫膜层作为光吸收层5；接着在光吸收层5上采用水浴法形成厚度为35nm的硫化锌膜层作为缓冲层6；接着在缓冲层6上采用磁控溅射法形成厚度为60nm的本征氧化锌膜层8；接着在本征氧化锌膜层8上采用CVD法形成厚度为800nm的氧化锌掺杂硼膜层作为透明导电层9。经测试，电池的填充因子FF=65.2%。
实施例4
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积100nm的氮氧化硅膜层作为电介质材料层10；接着在氮氧化硅膜层10上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层作为背电极层2；接着在背电极层2上采用磁控溅射法形成厚度为200nm的碲硒化钼半导体膜层4；将采用激光器对金属钼电极层2进行P1刻划；接着在碲硒化钼半导体膜层4上形成厚度为2.0um的铜铟镓硒硫膜层作为光吸收层5；接着在光吸收层5上采用水浴法形成厚度为35nm的硫化锌膜层作为缓冲层6；接着在缓冲层6上采用磁控溅射法形成厚度为60nm的本征氧化锌膜层8；接着采用金属刻针进行P2刻划；接着在本征氧化锌膜层8上采用CVD法形成厚度为800nm的氧化锌掺杂硼膜层作为透明导电层9；最后采用金属刻针进行P3刻划，以此形成由多个单元电池串联而成的电池组件。本实施例的CIGS薄膜太阳能电池的结构如图4所示。经测试，电池的填充因子FF=65.5%。
对比例1
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层作为背电极层2；接着在钼电极层2上形成厚度为2.0um的铜铟镓硒膜层作为光吸收层5，在形成光吸收层5后会在光吸收层5与背电极层2之间形成一硒化钼膜层3；接着在光吸收层5上采用水浴法形成厚度为40nm的硫化镉膜层作为缓冲层6；接着在缓冲层6上采用磁控溅射法形成厚度为50nm的本征氧化锌膜层7；接着在本征氧化锌膜层7上采用磁控溅射法形成厚度为800nm的氧化锌掺杂铝膜层作为透明导电层9。本实施例的CIGS薄膜太阳能电池的结构如图1所示。经测试，电池的填充因子FF=61.6%。
对比例2
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积90nm的氮化硅膜层作为电介质材料层10；接着在氮化硅膜层10上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层作为背电极层2；接着在钼电极层2上形成厚度为2.0um的铜铟镓硒硫膜层作为光吸收层5；接着在光吸收层5上采用水浴法形成厚度为40nm的硫化镉膜层作为缓冲层6；接着在缓冲层6上采用磁控溅射法形成厚度为50nm的本征氧化锌膜层7；接着在本征氧化锌膜层7上采用磁控溅射法形成厚度为800nm的氧化锌掺杂铝膜层作为透明导电层9；接着在透明导电层9上采用蒸镀法沉积100nm氟化镁膜层作为减反射膜层11。经测试，电池的填充因子FF=62.4%。
从实施例与对比实施例进行比较可以看出，本发明可提升CIGS基薄膜太阳能电池的填充因子，因而可提高异质结太阳能电池的性能，同时不会使制备薄膜电池的整个工艺过程控制变得更复杂；再者，形成的含碲的半导体膜层4对采用金属刻针进行P2和P3的刻划可以起到很好的润滑作用。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种CIGS基薄膜太阳能电池，包括衬底，以及沿远离衬底的方向依次设置在衬底上的背电极层、光吸收层、缓冲层和透明导电层，其特征在于：还包括含碲的半导体膜层，所述含碲的半导体膜层设置在背电极层与光吸收层之间。
2.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述含碲的半导体膜层还含有硒元素、硫元素或硒硫组合元素。
3.根据权利要求1或2所述的CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述含碲的半导体膜层的厚度不大于800nm。
4.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述光吸收层为p型铜铟镓硒膜层、p型铜铟镓硒硫膜层、p型铜铟镓硫膜层、p型铜铟镓铝硒膜层、p型铜铟镓铝硒硫膜层、p型铜铟镓铝硫膜层、p型铜铟硒膜层、p型铜铟硒硫膜层、p型铜铟硫膜层或它们的任一组合中的一种；所述缓冲层为硫化镉膜层、硫化锌膜层、硒化锌膜层、硫硒化锌膜层、氧化锌膜层、锌镁氧化物膜层、硫化铟膜层、硒化铟膜层、硫硒化铟膜层或它们的任一组合中的一种；所述背电极层为钼电极层、钛电极层、铬电极层、AZO透明导电层或它们的任一组合中的一种；所述透明导电层为银基透明导电膜层、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、石墨烯膜层或它们的任一组合中的一种；所述衬底为钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
5.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：还包括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设置在所述缓冲层与透明导电层之间。
6.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：还包括电介质材料层，所述电介质材料层设置在衬底与背电极层之间。
7.根据权利要求1所述的CIGS基薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电层上设置有一减反射膜层，所述减反射膜层由氟化镁膜层、氧化硅膜层或由高折射率材料膜层与低折射率材料膜层组合组成。
8.一种CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括如下步骤
S1，准备衬底；
S2，在衬底上沿远离衬底的方向依次制备背电极层、含碲的半导体膜层、光吸收层、缓冲层和透明导电层。
9.根据权利要求8所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：采用溅射沉积或真空蒸镀沉积来制备含碲的半导体膜层。
10.根据权利要求8所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：采用先溅射后硒化和/或硫化法、共蒸镀法、真空溅射法或非真空法来制备光吸收层。
11.根据权利要求8所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：还包括在缓冲层与透明导电层之间制备一具有高电阻率的氧化锌膜层。
12.根据权利要求8所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：还包括在衬底与背电极层之间制备一电介质材料层。
13.根据权利要求8所述的CIGS基薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：还包括在透明导电层上制备一减反射膜层。
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