CN107039554A - 一种碲化镉薄膜太阳能电池和制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括衬底，所述衬底上设置有叠层薄膜，所述叠层薄膜由下往上依次包括透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层、背反射层和背电极层；所述窗口层为硫化镉薄膜层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层，所述背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层，所述背反射层为银薄膜层。所述电池在保证太阳光的吸收效率的基础上，减小光吸收层的厚度，降低Te原料的消耗，降低生产成本，批量生长可行性高。
Description
技术领域
本发明涉及领域太阳能电池技术领域，具体涉及一种碲化镉薄膜太阳能电池和制备方法。
背景技术
在社会、环境、能源和可持续性发展等要求的推动下，新能源的推广应用已成为全球共识。而太阳能作为新能源中最主要的可再生能源，在未来发展中占有重要地位。薄膜太阳电池主要包括非晶硅、碲化镉、铜铟镓硒以及染料敏化等多种类型，其由于消耗材料少，具有所共识的很大的降低成本空间，受到世界各国的越来越多的关注。
其中，碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池，其结构主体由的光吸收层CdTe层与窗口层CdS层形成，吸光效率系数>105cm-1，可吸收90％以上的光，转换效率以在8％以上，是新一代高效、低成本、可大规模工业化生产的太阳电池。而目前常用的碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池CdTe层厚度为3微米到8微米，元素Te是稀有元素，材料稀少且价格昂贵，造成碲化镉(CdTe)薄膜太阳电池生产成本高，成为限制其发展的一大因素。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种碲化镉薄膜太阳能电池和制备方法，所述电池在保证太阳光的吸收效率的基础上，减小光吸收层的厚度，降低Te原料的消耗，降低生产成本，批量生长可行性高。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括衬底，所述衬底上设置有叠层薄膜，所述叠层薄膜由下往上依次包括透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层、背反射层和背电极层；所述窗口层为硫化镉薄膜层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层，所述背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层，所述背反射层为银薄膜层。
优选的，所述衬底为玻璃或高分子聚合物。
优选的，所述高分子聚合物为聚酰亚胺。
优选的，所述透明导电膜为TCO薄膜。
优选的，所述背电极层包括镍薄膜层和铬薄膜层。
优选的，所述窗口层厚度为10nm～200nm。
优选的，所述光吸收层厚度为50nm～2000nm。
优选的，所述光吸收层厚度为500nm～2000nm。
优选的，所述光吸收层厚度为500nm。
优选的，所述背接触层厚度为5nm～100nm。
优选的，所述背接触层厚度为20nm。
优选的，所述背反射层厚度为30nm～800nm。
优选的，所述背反射层厚度为80nm～800nm。
优选的，所述背反射层厚度为80nm
优选的，所述叠层薄膜还包括封装材料层和背板，所述封装材料层和所述背板依次设置于所述背电极层上。
优选的，所述背板为玻璃。
本发明还提供了一种碲化镉薄膜太阳能电池的制作方法，包括：衬底上由下往上依次沉积透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层、背反射层和背电极层；所述窗口层为硫化镉薄膜层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层，所述背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层，所述背反射层为银薄膜层。
优选的，采用溅射法或近空间升华法沉积所述窗口层。
优选的，采用近空间升华法或气象运输沉积所述光吸收层。
优选的，采用热蒸发沉积所述背接触层。
优选的，所述热蒸发沉积蒸发源温度为300～1000℃，蒸发压力为10～1000pa。
优选的，所述热蒸发沉积蒸发源温度为800℃。
优选的，蒸发压力为300pa。
优选的，采用溅射法沉积所述背反射层。
优选的，所述制作方法还包括进行封装。
在本申请技术方案中，衬底上依次沉积透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层、背反射层和背电极后进行封装；所述窗口层为硫化镉薄膜层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层；所述背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层，硫氰酸亚铜薄膜层与碲化镉薄膜层容易实现欧姆接触，透明导电膜有减反效果，能够使更多的光进入电池内部；加上为银薄膜层的背反射层，能够使到达电池底部的光充分反射回电池内部进行再次吸收，提升对入射太阳光的捕捉效率，提高电池的光利用率；背电极包括镍薄膜层和铬薄膜层，为多层结构，具有良好的导电性；因此，本申请提供的碲化镉薄膜太阳能电池能使太阳光被非常有效地反射，在光吸收层的路径上可以实现非常好的量子效率，在保证太阳光的吸收效率的基础上，实现减小光吸收层的厚度，降低Te原料的消耗，降低生产成本。本申请与现有技术相比，其详细说明如下：本申请设置银薄膜层，在600nm至1200nm的波长范围内具有大于等于95％的积分全反射率，有效提升对入射太阳光的捕捉效率，进而提高对太阳光的吸收效率，并获得高效率碲化镉薄膜太阳能电池，降低生产成本；同时，银薄膜层厚度为30nm～800nm，也有效控制了成本；
采用廉价的硫氰酸亚铜薄膜层作背接触层，硫氰酸亚铜薄膜层与碲化镉薄膜层容易实现欧姆接触，提高太阳光的吸收效率；
本申请在光吸收层的路径上可以实现非常好的量子效率，在保证太阳光的吸收效率的基础上，减小光吸收层的厚度，降低Te原料的消耗，降低生产成本；
本申请采用溅射法或近空间升华法沉积窗口层，采用近空间升华法或气象运输沉积所述光吸收层，采用热蒸发沉积所述背接触层，采用溅射法沉积所述背反射层，可大面积制备、批量生长可行性高，从而降低成本。
附图说明
图1是本申请所述的碲化镉薄膜电池结构示意图；
图2是本申请所述的碲化镉薄膜电池样品、市售碲化镉薄膜太阳能电池和硫氰酸亚铜薄膜层的I-V曲线图；
图3是本申请所述的碲化镉薄膜电池样品和对照样品的I-V曲线图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示的一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括衬底1，所述衬底1上设置有叠层薄膜，所述叠层薄膜由下往上依次包括透明导电膜2、窗口层3、光吸收层4、背接触层5、背反射层6、背电极层7、封装材料层8和背板9；其中，所述衬底1为玻璃或高分子聚合物，所述高分子聚合物为聚酰亚胺；所述透明导电膜2为TCO薄膜；所述窗口层3为硫化镉薄膜层，厚度为10nm～200nm；所述光吸收层4为碲化镉薄膜层，厚度为500nm；所述背接触层5为硫氰酸亚铜薄膜层，厚度为20nm；所述背反射层6为银薄膜层，厚度为80nm；所述背电极层7包括镍薄膜层10和铬薄膜层11，所述背板9为玻璃。
本实施例所述碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法，包括：衬底1上依次沉积透明导电膜2、窗口层3、光吸收层4、背接触层5、背反射层6和背电极层7，最后进行封装；其中，采用近空间升华法沉积所述窗口层3和所述光吸收层4，采用热蒸发沉积所述背接触层5，所述热蒸发沉积蒸发源温度为800℃，蒸发压力为300pa，采用溅射法沉积所述背反射层6。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施例碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法中：采用近空间升华法沉积所述窗口层3和所述光吸收层4，采用热蒸发沉积所述背接触层5，所述热蒸发沉积蒸发源温度为600℃，蒸发压力为300pa。
实施例3
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施例碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法中：采用近空间升华法沉积所述窗口层3和所述光吸收层4，采用热蒸发沉积所述背接触层5，所述热蒸发沉积蒸发源温度为300℃，蒸发压力为10pa。
实施例4
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施例碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法中：采用近空间升华法沉积所述窗口层3和所述光吸收层4，采用热蒸发沉积所述背接触层5，所述热蒸发沉积蒸发源温度为1000℃，蒸发压力为1000pa。
实施例5
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：
本实施例碲化镉薄膜太阳能电池的制备方法中：采用溅射法沉积所述窗口层3，采用近气象运输沉积所述光吸收层4，采用热蒸发沉积所述背接触层5，所述热蒸发沉积蒸发源温度为800℃，蒸发压力为300pa。
实施例6
热蒸发沉积条件对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例1-4所述的碲化镉薄膜电池样品；
2、实验方法：实施例1-4所述的碲化镉薄膜电池样品为4块，4块样品采用不同的蒸发源温度和蒸发压力热蒸发沉积背接触层，其中，第一块热蒸发沉积蒸发源温度为800℃，蒸发压力为300pa，第二块热蒸发沉积蒸发源温度为600℃，第三块热蒸发沉积蒸发源温度为300℃，蒸发压力为10pa，蒸发压力为100pa，第四块热蒸发沉积蒸发源温度为1000℃，蒸发压力为1000pa。采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试。
3、实验结果：见表1。
表1热蒸发沉积条件对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 12.1 | 0.812 | 22.1 | 67.43 |
| 实施例2 | 10.3 | 0.791 | 20.7 | 62.91 |
| 实施例3 | 9.78 | 0.780 | 19.3 | 64.96 |
| 实施例4 | 11.3 | 0.801 | 21.2 | 66.54 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出实施例1所述的样品其电池性能最好，即热蒸发沉积蒸发源温度为800℃，蒸发压力为300pa，为最优选方案。
实施例7
光吸收层厚度对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：碲化镉薄膜太阳能电池样品A、B、C、D(光吸收层厚度分别为50nm、300nm、500nm、2000nm)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表2。
表2光吸收层厚度对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 样品A | 4.35 | 0.623 | 15.2 | 45.936 |
| 样品B | 7.64 | 0.795 | 18.7 | 51.352 |
| 样品C | 12.85 | 0.824 | 22.4 | 69.619 |
| 样品D | 12.93 | 0.822 | 22.8 | 68.991 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出吸收层厚度为500nm～2000nm时，电池性能较好，为优选方案，结合不同厚度原料消耗量，吸收层厚度为500nm为最优选方案。
实施例8
背接触层厚度对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：碲化镉薄膜太阳能电池样品a、b、c(背接触层厚度分别为5nm、20nm、100nm)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表3。
表3背接触层厚度对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 样品a | 9.26 | 0.788 | 21.3 | 0.5517 |
| 样品b | 12.85 | 0.824 | 22.4 | 69.619 |
| 样品c | 7.87 | 0.791 | 20.1 | 49.500 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出的样品b电池性能最好，即背接触层的厚度在20nm时，其电池性能更好，为最优选方案。
实施例9
背反射层厚度对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：碲化镉薄膜太阳能电池样品d、e、f(背反射层厚度分别为30nm、80nm、800nm)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表4。
表4背反射层厚度对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响结果
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 样品d | 7.54 | 0.798 | 14.2 | 44.85 |
| 样品e | 12.41 | 0.825 | 22.3 | 67.455 |
| 样品f | 12.85 | 0.824 | 22.4 | 69.619 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出，背反射层厚度为80nm～800nm时，电池性能较好，为优选方案，结合不同厚度原料消耗量，背反射层厚厚度为80nm时，为最优选方案。
实施例10
背接触层选择对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：样品1(本申请实施例1所述的碲化镉薄膜太阳能电池样品，背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层)，样品2(市售碲化镉薄膜太阳能电池样品，背接触层为传统碳浆)，样品3(硫氰酸亚铜薄膜层)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表5、图2。
图2为本申请所述的碲化镉薄膜电池样品、市售碲化镉薄膜太阳能电池和硫氰酸亚铜薄膜层的I-V曲线图
表5背接触层选择对碲化镉薄膜电池样品的电池性能影响
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 样品1 | 7.64 | 0.795 | 18.7 | 51.352 |
| 样品2 | 4.54 | 0.772 | 13.2 | 44.5 |
| 样品3 | 11.22 | 0.832 | 21.63 | 61.4 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。
从以上数据可以看出，本发明采用的硫氰酸亚铜薄膜层具有较高的充放电效率、开路电压、短路电流和填充因子，选择器作为背接触层相较于样品2，电池性能更好。
实施例11
反射层选择对碲化镉薄膜太阳能电池样品的电池性能影响
1、实验样品：样品1(本申请实施例1所述的碲化镉薄膜太阳能电池样品，反射层为银薄膜层)，对照样品(无反射层)；
2、实验方法：采用GB/T 6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表6、图3。
图2为本申请所述的碲化镉薄膜电池样品和对照样品的I-V曲线图
表6反射层选择对碲化镉薄膜电池样品的电池性能影响
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 样品1 | 7.64 | 0.795 | 18.7 | 51.352 |
| 对照样品 | 5.9 | 0.787 | 15.3 | 49.5 |
其中，Eff为充放电效率，Voc为开路电压，Jsc为短路电流，FF为填充因子。从上表数据可看出，对于有反射层的样品1，其电池性能相较于无反射层的对照样品更好。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种碲化镉薄膜太阳能电池，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有叠层薄膜，所述叠层薄膜由下往上依次包括透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层、背反射层和背电极层；所述窗口层为硫化镉薄膜层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层，所述背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层，所述背反射层为银薄膜层。
2.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述背电极层包括镍薄膜层和铬薄膜层。
3.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层厚度为50nm～2000nm。
4.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述背接触层厚度为5nm～100nm。
5.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述背反射层厚度为30nm～800nm。
6.根据权利要求1所述的一种碲化镉薄膜太阳能电池，其特征在于，所述叠层薄膜还包括封装材料层和背板，所述封装材料层和所述背板依次设置于所述背电极层上。
7.一种碲化镉薄膜太阳能电池的制作方法，其特征在于，包括：衬底上由下往上依次沉积透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层、背反射层和背电极层；所述窗口层为硫化镉薄膜层，所述光吸收层为碲化镉薄膜层，所述背接触层为硫氰酸亚铜薄膜层，所述背反射层为银薄膜层。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，采用热蒸发沉积所述背接触层。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述热蒸发沉积蒸发源温度为300～1000℃，蒸发压力为10～1000pa。
10.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述制作方法还包括进行封装。
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