CN107742649A - 一种CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法，所述CdTe薄膜太阳能电池组件包括衬底，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1‑xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层；所述窗口层厚度薄，所述薄膜太阳能电池组件短路电流、开路电压、填充因子和转化效率高。
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CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法。
背景技术
随着化石燃料逐渐枯竭及化石燃料燃烧引起的日趋严重的环境污染，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、CdTe、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，CdTe薄膜太阳能电池组件制备过程，包括：在透明导电膜层上依次沉积CdS层和CdTe层后，进行CdCl2活化处理以及背电极的Cu扩散掺杂；其中，制备过程存在高温处理条件，包括：沉积CdTe层过程沉积温度为500℃～630℃，CdCl2活化处理过程温度为350℃～420℃，Cu扩散掺杂过程温度为180℃～250℃。而高温条件下CdS层和CdTe层易相互扩散，形成CdTexS1-x结构，导致下述问题：当x＜0.6时，CdTexS1-x结构吸收太阳光但无法产生光电流；因CdS层和CdTe层相互扩散，CdS层变薄，为保证强的p-n结以得到高的开路电压和填充因子，需增加CdS层厚度，增加厚度的CdS层与扩散形成的CdTexS1-x结构，导致到达CdTe层的强减弱，影响CdTe薄膜太阳电池的短路电流。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法，所述薄膜太阳能电池组件中窗口层为镁掺杂的硫化镉层，所述窗口层厚度薄，所述薄膜太阳能电池组件短路电流、开路电压、填充因子和转化效率高。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层。
优选的，所述窗口层厚度为2nm～500nm。
优选的，所述窗口层厚度为50nm～100nm。
优选的，所述窗口层厚度为70nm。
优选的，所述衬底材料为玻璃。
更优选的，所述玻璃为钠钙玻璃或高硼玻璃。
优选的，所述外延叠层还包括：阻挡层，所述透明导电膜层设置于所述阻挡层上。
优选的，所述阻挡层为SiO2层。
优选的，所述透明导电膜层为FTO膜层、ITO膜层或掺杂氧化锌膜层。FTO膜层为氟掺杂的氧化锡膜层，ITO膜层为氧化铟锡膜层。
优选的，所述外延叠层还包括：高阻层，所述高阻层设置于所述透明导电膜和所述窗口层之间。
优选的，所述高阻层为ZnO层、SnO2层或Zn2xSn1-xO2层；其中，0＜x＜1。
优选的，所述高阻层厚度为0nm～1000nm。
优选的，所述高阻层厚度为50nm。
本发明还提供一种CdTe薄膜太阳能电池组件的制备方法，包括：衬底上由下往上依次外延生长透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1- xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层。
优选的，外延生长所述窗口层方法选自磁控溅射法、水浴沉积法和热扩散法中一种或多种。
更优选的，外延生长所述窗口层方法为磁控溅射法、水浴沉积法或热扩散法。
优选的，所述制备方法还包括：在所述衬底上外延生长阻挡层，所述透明导电膜层外延生长于所述阻挡层上。
优选的，所述制备方法还包括：在所述透明导电膜层上外延生长高阻层，所述窗口层外延生长于所述高阻层上。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
本发明提供的CdTe薄膜太阳能电池组件中窗口层为MgxCd1-xS层，Mg2+的掺杂有利于提高窗口层的结晶性，避免CdS和CdTe相互扩散形成CdTexS1-x结构，保证了CdTe薄膜太阳能电池组件短路电流、开路电压和填充因子、转化效率高；同时，降低了窗口层厚度，提高了电池短波响应，进一步提高了CdTe薄膜太阳能电池组件短路电流、开路电压和填充因子、转化效率。
此外，本发明提供的CdTe薄膜太阳能电池组件衬底和透明导电膜层之间设置阻挡衬底中元素扩散的阻挡层，透明导电膜层和所述窗口层之间设置高阻层。阻挡层避免衬底中元素扩散出衬底进入透明导电膜层导致入射到透明导电膜的光减少，提高了电池组件转化效率。而高阻层从以下方面的作用，提高了CdTe薄膜太阳能电池组件短路电流、开路电压和填充因子、转化效率：避免透明导电膜中杂质离子扩散出透明导电膜层进入吸收层，导致入射到吸收层的光减少；高阻层的高阻作用使得，本发明窗口层厚度小存在微孔的情况下，高阻层与吸收层接触形成p-n结，维持电势，避免对电池的开路电压和填充因子；本发明窗口层厚度小，避免高阻层阻挡透明导电膜层的尖峰刺穿窗口层和吸收层之间，有效保护了吸收层和窗口层之间的p-n结；提高了电池组件的短路电流、开路电压和填充因子；促使界面平滑过渡、减少界面态势垒，促进载流子的自由移动，同时，利于窗口层外延生长。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层。
按照本发明，优选的，所述窗口层厚度为2nm～500nm。更优选的，所述窗口层厚度为50nm～100nm。最优选的，所述窗口层厚度为70nm。
优选的，所述衬底材料为玻璃。更优选的，所述玻璃为钠钙玻璃或高硼玻璃。
按照本发明，所述外延叠层还包括：阻挡层，所述透明导电膜层设置于所述阻挡层上。优选的，所述阻挡层为SiO2层。
按照本发明，优选的，所述透明导电膜层为FTO膜层、ITO膜层或掺杂氧化锌膜层。FTO膜层为氟掺杂的氧化锡膜层，ITO膜层为氧化铟锡膜层。
按照本发明，所述外延叠层还包括：高阻层，所述高阻层设置于所述透明导电膜和所述窗口层之间。优选的，所述高阻层为ZnO层、SnO2层或Zn2xSn1-xO2层；其中，0＜x＜1。优选的，所述高阻层厚度为0nm～1000nm。更优选的，所述高阻层厚度为50nm。
本发明还提供一种CdTe薄膜太阳能电池组件的制备方法，包括：衬底上由下往上依次外延生长透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1- xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层。
按照本发明，外延生长所述窗口层方法选自磁控溅射法、水浴沉积法和热扩散法中一种或多种。优选的，外延生长所述窗口层方法为磁控溅射法、水浴沉积法或热扩散法。
按照本发明，所述制备方法还包括：在所述衬底上外延生长阻挡层，所述透明导电膜层外延生长于所述阻挡层上。
按照本发明，所述制备方法还包括：在所述透明导电膜层上外延生长高阻层，所述窗口层外延生长于所述高阻层上。
实施例1
一种CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：阻挡层、透明导电膜、高阻层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层。
其中，所述衬底为材料为钠钙玻璃；所述阻挡层为SiO2层；所述透明导电膜为FTO膜层；所述高阻层为ZnO层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层；所述背接触层为ZnTe层，所述背电极层为Mo/Al/Cr层。
所述窗口层厚度为70nm，所述高阻层厚度为50nm。所述背电极层中Mo层厚度为20nm，Al层厚度为200nm，Cr层厚度为50nm。
本实施例所述薄膜太阳能电池的制备方法，包括：衬底上由下往上依次外延生长所述阻挡层、所述透明导电膜、所述高阻层、所述窗口层、所述光吸收层、所述背接触层和所述背电极层。其中，外延生长所述窗口层方法为磁控溅射法。
实施例2
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述窗口层厚度为2nm。
实施例3
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述窗口层厚度为100nm。
实施例4
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述窗口层厚度为50nm。
实施例5
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述高阻层厚度为1000nm。
实施例6
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述高阻层为SnO2层。
实施例7
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述高阻层为Zn2xSn1-xO2层；其中，0＜x＜1。
实施例8
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述衬底为材料为高硼玻璃。
实施例9
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述透明导电膜为ITO膜层。
实施例10
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：所述透明导电膜为掺杂氧化锌膜层。
实施例11
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：外延生长所述窗口层方法为水浴沉积法。
实施例12
本实施例除下述特征外，其他均与实施例1相同：外延生长所述窗口层方法为热扩散法。
实施例13
一种CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：阻挡层、透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层。
其中，所述衬底为材料为钠钙玻璃；所述阻挡层为SiO2层；所述透明导电膜为FTO膜层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层；所述背接触层为掺杂铜的石墨层，所述背电极层为Mo/Al/Cr层。所述窗口层厚度为70nm。所述背电极层中Mo层厚度为20nm，Al层厚度为200nm，Cr层厚度为50nm。
本实施例所述薄膜太阳能电池的制备方法，包括：衬底上由下往上依次外延生长所述阻挡层、所述透明导电膜、所述窗口层、所述光吸收层、所述背接触层和所述背电极层。其中，外延生长所述窗口层方法为磁控溅射法。
实施例14
一种CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜、高阻层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层。
其中，所述衬底为材料为钠钙玻璃；所述透明导电膜为FTO膜层；所述高阻层为ZnO层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层；所述背接触层为ZnTe层，所述背电极层为Mo/Al层。所述窗口层厚度为70nm，所述高阻层厚度为50nm。所述背电极层中Mo层厚度为20nm，Al层厚度为200nm。
本实施例所述薄膜太阳能电池的制备方法，包括：衬底上由下往上依次外延生长所述透明导电膜、所述高阻层、所述窗口层、所述光吸收层、所述背接触层和所述背电极层。其中，外延生长所述窗口层方法为磁控溅射法。
实施例15
一种CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层。
其中，所述衬底为材料为钠钙玻璃；所述透明导电膜为FTO膜层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层；所述背接触层为掺杂铜的石墨层，所述背电极层为Mo层。所述窗口层厚度为70nm。所述背电极层度为200nm。
本实施例所述薄膜太阳能电池的制备方法，包括：衬底上由下往上依次外延生长所述透明导电膜、所述窗口层、所述光吸收层、所述背接触层和所述背电极层。其中，外延生长所述窗口层方法为磁控溅射法。
实施例16
窗口层厚度对CdTe薄膜太阳能电池组件样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例1～4所述的CdTe薄膜太阳能电池组件样品(窗口层厚度分别为70nm、2nm、50nm、500nm)；
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1。
窗口层厚度对CdTe薄膜太阳能电池组件样品的电池性能影响
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 15.2 | 0.83 | 25.7 | 71.3 |
| 实施例2 | 6.81 | 0.54 | 24.1 | 52.3 |
| 实施例3 | 14.01 | 0.77 | 26.1 | 69.7 |
| 实施例4 | 10.54 | 0.81 | 18.9 | 68.9 |
其中，Eff为光电转换效率，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，本发明提供的薄膜太阳能电池窗口层厚度为2～500nm，实施例3样品电池性能较好，实施例1样品电池性能最好，即窗口层厚度为50～100nm时，其电池性较好，为优选方案，窗口层厚度为70nm时，其电池性最好，为最优选方案。
实施例17
阻挡层和高阻层对CdTe薄膜太阳能电池组件样品的电池性能影响
1、实验样品：实施例1、13～15所述的CdTe薄膜太阳能电池组件样品(分别为薄膜太阳能电池包括阻挡层和高阻层，薄膜太阳能电池包括减阻挡层、薄膜太阳能电池包括减高阻层、薄膜太阳能电池不包括阻挡层和高阻层)；
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2。
表2阻挡层和高阻层对CdTe薄膜太阳能电池组件样品的电池性能影响
| 电池样品 | Eff(％) | Voc(V) | Jsc(mA/cm2) | FF(％) |
| 实施例1 | 15.2 | 0.83 | 25.7 | 71.3 |
| 实施例13 | 14.46 | 0.81 | 25.71 | 70.3 |
| 实施例14 | 14.31 | 0.812 | 24.99 | 70.5 |
| 实施例15 | 13.47 | 0.791 | 24.3 | 70.1 |
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13、14样品电池性能较好，的实施例1样品电池性能最好，即薄膜太阳能电池外延叠层由下往上依次包括：阻挡层、透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层，或所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜、高阻层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层时，其电池性较好，为优选方案；薄膜太阳能电池外延叠层由下往上依次包括：阻挡层、透明导电膜、高阻层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层，其电池性最好，为最优选方案。
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CdTe薄膜太阳能电池组件，包括衬底，其特征在于，所述衬底上设置有外延叠层，所述外延叠层由下往上依次包括：透明导电膜层、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述窗口层厚度为2nm～500nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述外延叠层还包括：阻挡层，所述透明导电膜层设置于所述阻挡层上。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述透明导电膜层为FTO膜层、ITO膜层或掺杂氧化锌膜层。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述外延叠层还包括：高阻层，所述高阻层设置于所述透明导电膜和所述窗口层之间。
6.根据权利要求4所述的薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述高阻层为ZnO层、SnO2层或Zn2xSn1-xO2层；其中，0＜x＜1。
7.一种CdTe薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，包括：衬底上由下往上依次外延生长透明导电膜、窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层为MgxCd1-xS层，其中，0＜x＜1；所述光吸收层为CdTe层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，外延生长所述窗口层方法选自磁控溅射法、水浴沉积法和热扩散法中一种或多种。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述衬底上外延生长阻挡层，所述透明导电膜层外延生长于所述阻挡层上。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在所述透明导电膜层上外延生长高阻层，所述窗口层外延生长于所述高阻层上。
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Citations (4)
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| WO2017100393A2 (en) * | 2015-12-09 | 2017-06-15 | First Solar, Inc. | Photovoltaic devices and method of manufacturing |
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2017
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