CN108172645A - 一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池及其制作方法，所述CIGS/CdTe叠层太阳能电池的结构自下至上依次包括衬底玻璃、CIGS底电池、SiOx绝缘膜层、CdTe顶电池和背板玻璃；所述CIGS底电池自下而上依次包括AZO前透明导电层、MoSe2导电膜层、CIS光吸收层、Zn(O,S)缓冲层和AZO后透明导电层；所述CdTe顶电池自下而上依次包括FTO前电极层、SnO2高阻层、CdS窗口层、CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层。本发明改进了单结电池的开路电压低及吸收光不完全的现象，提高了电池转换效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池及其制作方法，属于薄膜太阳能电池技术领域。
背景技术
常规的单结太阳能电池对太阳光谱的利用率并不高，光子能量大于吸收层带宽的光子被吸收转变为光生载流子，但光子高于禁带宽度的部分能量则以声子发射的方式损失掉，光子能量小于禁带宽度的光子不能转化为光生载流子。采用不同带宽吸收层多结组合方式拓宽吸收层的太阳光谱利用范围是提升太阳能电池转化效率的重要途径。
铜铟镓硒(CIGS)和碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池具有转换效率高、长期稳定性好、抗辐射能力强等优点，是太阳能电池领域的两个主要发展方向，技术成熟度相对较高。目前CdTe薄膜太阳能电池实验室最高转换效率达到21.5％，工业化生产的CdTe电池组件转换效率达到16.5％，CIGS太阳能电池实验室最高转换效率大大21.7％，工业化生产的CIGS电池组件转换效率达到15％。
目前CdTe电池面临的问题是：(1)开路电压的提升(2)窗口层的替代(3)背接触层的选择。虽然CIGS电池具有高效率和低材料成本的优势，但它也面临三个主要的问题：(1)制程复杂，投资成本高(2)关键原料的供应不足(3)缓冲层CdS具有潜在的毒性。目前做的比较主流的叠层电池一般都是同质结，界面处理相对容易，而将CdTe和CIGS做成叠层电池，面临的主要问题是，异质结电池在叠层时接触界面的处理问题，很难做到良好的接触及界面匹配，所以不但不会提升电池的电性能，反而有可能对电池的效率起到反作用。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术的不足，本发明提供一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池及其制作方法，提高了太阳能电池的电池转换效率。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案采用了一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其结构自下至上依次包括衬底玻璃、CIGS底电池、SiOx绝缘膜层、CdTe顶电池和背板玻璃；所述CIGS底电池自下而上依次包括AZO前透明导电层、MoSe2导电膜层、CIS光吸收层、Zn(O,S)缓冲层和AZO后透明导电层；所述CdTe顶电池自下而上依次包括FTO前电极层、SnO2高阻层、CdS窗口层、CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层。
进一步的，所述SiOx绝缘膜层的厚度为10nm。
进一步的，所述衬底玻璃和背板玻璃为钠钙玻璃。
进一步的，所述AZO前透明导电层的厚度为为200nm，MoSe2导电膜层的厚度为为200nm，CIS光吸收层的厚度为为1.5μm，Zn(O,S)缓冲层的厚度为为50nm，AZO后透明导电层的厚度为为400nm。
进一步的，所述FTO前电极层的厚度为为200nm，SnO2高阻层的厚度为为20nm，CdS窗口层的厚度为为50nm，CdTe光吸收层的厚度为为2μm，ZnTe背接触层的厚度为为40nm，MO背电极层的厚度为为200nm。
同时，本发明还提供一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，它包括以下步骤：采用磁控溅射法在衬底玻璃上沉积CIGS底电池的所有膜层，然后采用sol-gel法沉积SiOx绝缘膜层，同时预留出CIGS底电池的电极，之后在SiOx绝缘膜层上沉积CdTe顶电池的所有膜层，将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联。
具体操作步骤如下所述：
(1)在钠钙衬底玻璃上采用磁控溅射法沉积AZO前透明导电层，AZO前透明导电层的材料为铝掺杂的氧化锌；
(2)在AZO前透明导电层上采用磁控溅射法依次沉积MoSe2导电膜层、CIS光吸收层、Zn(O,S)缓冲层和AZO后透明导电层，AZO后透明导电层的材料为铝掺杂的氧化锌，MoSe2导电膜层作为AZO前透明导电层和CIS光吸收层的缓冲，使AZO前透明导电层和CIS光吸收层形成良好的欧姆接触；
(3)在AZO后透明导电层上采用sol-gel法沉积SiOx绝缘膜层,并预留出CIGS底电池与CdTe顶电池相连的电极；
(4)在SiOx绝缘膜层上依次沉积FTO前电极层、SnO2高阻层、CdS窗口层、CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层，FTO前电极层的材料选自氟掺杂的氧化锡和铝掺杂的氧化锌，FTO前电极层和SnO2高阻层的沉积方法为化学气相沉积法或磁控溅射法，CdS窗口层的沉积方法为化学水浴法或磁控溅射法，CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层的沉积方法为磁控溅射法；
(5)将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联，加装背板玻璃完成叠层电池的封装。
进一步的，所述步骤(4)中CdTe光吸收层沉积好后进行活化处理，即在CdTe光吸收层上涂覆一层氯化铵溶液，干燥后用去离子水冲洗。
与现有技术相比，本发明改进了单结电池的开路电压低及吸收光不完全的现象，使得到的CIGS/CdTe薄膜太阳能电池可以有较高的开路电压，电池转换效率高，有效拓宽了吸收层的太阳光谱利用范围，并且同时实现通过绝缘层N，P电极互联技术及制备无镉缓冲层的CIGS电池。
附图说明
图1为本发明提供的CIGS/CdTe叠层太阳能电池的结构示意图。
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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明提供了一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其结构自下至上依次包括衬底玻璃1、CIGS底电池2、SiOx绝缘膜层3、CdTe顶电池4和背板玻璃5；所述CIGS底电池2自下而上依次包括AZO前透明导电层21、MoSe2导电膜层22、CIS光吸收层23、Zn(O,S)缓冲层24和AZO后透明导电层25；所述CdTe顶电池4自下而上依次包括FTO前电极层41、SnO2高阻层42、CdS窗口层43、CdTe光吸收层44、ZnTe背接触层45和MO背电极层46。
进一步的，所述SiOx绝缘膜层的厚度为10nm。
进一步的，所述衬底玻璃和背板玻璃为钠钙玻璃。
进一步的，所述AZO前透明导电层的厚度为为200nm，MoSe2导电膜层的厚度为为200nm，CIS光吸收层的厚度为为1.5μm，Zn(O,S)缓冲层的厚度为为50nm，AZO后透明导电层的厚度为为400nm。
进一步的，所述FTO前电极层的厚度为为200nm，SnO2高阻层的厚度为为20nm，CdS窗口层的厚度为为50nm，CdTe光吸收层的厚度为为2μm，ZnTe背接触层的厚度为为40nm，MO背电极层的厚度为为200nm。
同时，本发明还提供一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，它包括以下步骤：采用磁控溅射法在衬底玻璃上沉积CIGS底电池的所有膜层，然后采用sol-gel法沉积SiOx绝缘膜层，同时预留出CIGS底电池的电极，之后在SiOx绝缘膜层上沉积CdTe顶电池的所有膜层，将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联。
具体操作步骤如下所述：
(1)在钠钙衬底玻璃上采用磁控溅射法沉积AZO前透明导电层，AZO前透明导电层的材料为铝掺杂的氧化锌；
(2)在AZO前透明导电层上采用磁控溅射法依次沉积MoSe2导电膜层、CIS光吸收层、Zn(O,S)缓冲层和AZO后透明导电层，AZO后透明导电层的材料为铝掺杂的氧化锌，MoSe2导电膜层作为AZO前透明导电层和CIS光吸收层的缓冲，使AZO前透明导电层和CIS光吸收层形成良好的欧姆接触；
(3)在AZO后透明导电层上采用sol-gel法沉积SiOx绝缘膜层,并预留出CIGS底电池与CdTe顶电池相连的电极；
(4)在SiOx绝缘膜层上依次沉积FTO前电极层、SnO2高阻层、CdS窗口层、CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层，FTO前电极层的材料选自氟掺杂的氧化锡和铝掺杂的氧化锌，FTO前电极层和SnO2高阻层的沉积方法为化学气相沉积法或磁控溅射法，CdS窗口层的沉积方法为化学水浴法或磁控溅射法，CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层的沉积方法为磁控溅射法；
(5)将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联，加装背板玻璃完成叠层电池的封装。
进一步的，所述步骤(4)中CdTe光吸收层沉积好后进行活化处理，即在CdTe光吸收层上涂覆一层氯化铵溶液，干燥后用去离子水冲洗。
实施例1：
制备本发明CIGS/CdTe叠层太阳能电池：
(1)在钠钙衬底玻璃上采用磁控溅射法沉积透明导电氧化物形成AZO前透明导电层，所述透明导电氧化物为铝掺杂的氧化锌；
(2)在AZO前透明导电层上采用磁控溅射法依次沉积MoSe2薄膜形成MoSe2导电膜层、沉积多晶CIS薄膜形成CIS光吸收层、沉积氧化锌、硫化锌薄膜形成Zn(O,S)缓冲层，沉积透明导电氧化物即铝掺杂的氧化锌形成AZO后透明导电层；
(3)完成CIGS电池的制备后，在AZO后透明导电层上采用sol-gel法沉积SiOx薄膜形成SiOx绝缘膜层,并预留出CIGS底电池与CdTe顶电池相连的电极；
(4)采用磁控溅射法在SiOx绝缘膜层上依次沉积氟掺杂的氧化锡形成FTO前电极层、沉积本征氧化锡形成SnO2高阻层、沉积CdS形成CdS窗口层、沉积CdTe形成CdTe光吸收层、沉积ZnTe形成ZnTe背接触层、沉积MO薄膜形成MO背电极层，CdTe光吸收层沉积好在CdTe光吸收层上涂覆一层氯化铵溶液，干燥后用去离子水冲洗，然后再沉积ZnTe背接触层；
(5)将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联，加装背板玻璃完成叠层电池的封装。
对所得CIGS/CdTe叠层太阳能电池的电池转换效率进行检测，可得制备的CIGS/CdTe叠层太阳能电池的开路电压为920mv，电池转换效率为16.9％。
实施例2：
制备常规的CdTe单结太阳能电池：
使用FTO基底采取CSS(基底500℃左右)/VTD(基底200℃左右)方法制备CdTe单结太阳能电池。
对所得CdTe单结太阳能电池的电池转换效率进行检测，可得制备的CdTe单结太阳能电池的开路电压为890mv，电池转换效率为13％。
实施例3：
制备常规的CIGS单结太阳能电池：
普通的基底通过溅射硒化法或三步共蒸发法制备CIGS电池。
对所得CIGS单结太阳能电池的电池转换效率进行检测，可得制备的CdTe单结太阳能电池的开路电压为900mv，电池转换效率为14％。
由上述实施例可以看出，本发明提供的CIGS/CdTe叠层太阳能电池的开路电压高，电池转换效率高，有效拓宽了吸收层的太阳光谱利用范围。
应当指出的是，上述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CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其特征在于：所述CIGS/CdTe叠层太阳能电池的结构自下至上依次包括衬底玻璃、CIGS底电池、SiOx绝缘膜层、CdTe顶电池和背板玻璃；所述CIGS底电池自下而上依次包括AZO前透明导电层、MoSe2导电膜层、CIS光吸收层、Zn(O,S)缓冲层和AZO后透明导电层；所述CdTe顶电池自下而上依次包括FTO前电极层、SnO2高阻层、CdS窗口层、CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层。
2.根据权利要求1所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其特征在于：所述SiOx绝缘膜层的厚度为10nm。
3.根据权利要求1所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其特征在于：所述衬底玻璃和背板玻璃为钠钙玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其特征在于：所述AZO前透明导电层的厚度为为200nm，MoSe2导电膜层的厚度为为200nm，CIS光吸收层的厚度为为1.5μm，Zn(O,S)缓冲层的厚度为为50nm，AZO后透明导电层的厚度为为400nm。
5.根据权利要求1所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池，其特征在于：所述FTO前电极层的厚度为为200nm，SnO2高阻层的厚度为为20nm，CdS窗口层的厚度为为50nm，CdTe光吸收层的厚度为为2μm，ZnTe背接触层的厚度为为40nm，MO背电极层的厚度为为200nm。
6.一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：采用磁控溅射法在衬底玻璃上沉积CIGS底电池的所有膜层，然后采用sol-gel法沉积SiOx绝缘膜层，同时预留出CIGS底电池的电极，之后在SiOx绝缘膜层上沉积CdTe顶电池的所有膜层，将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联。
7.根据权利要求6所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在钠钙衬底玻璃上采用磁控溅射法沉积AZO前透明导电层，AZO前透明导电层的材料为铝掺杂的氧化锌；
(2)在AZO前透明导电层上采用磁控溅射法依次沉积MoSe2导电膜层、CIS光吸收层、Zn(O,S)缓冲层和AZO后透明导电层，AZO后透明导电层的材料为铝掺杂的氧化锌；
(3)在AZO后透明导电层上采用sol-gel法沉积SiOx绝缘膜层,并预留出CIGS底电池与CdTe顶电池相连的电极；
(4)在SiOx绝缘膜层上依次沉积FTO前电极层、SnO2高阻层、CdS窗口层、CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层，FTO前电极层的材料选自氟掺杂的氧化锡和铝掺杂的氧化锌；
(5)将CIGS底电池与CdTe顶电池的N、P电极互联完成叠层电池的串联。
8.根据权利要求7所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中FTO前电极层和SnO2高阻层的沉积方法为化学气相沉积法或磁控溅射法。
9.根据权利要求7所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中CdS窗口层的沉积方法为化学水浴法或磁控溅射法，CdTe光吸收层、ZnTe背接触层和MO背电极层的沉积方法为磁控溅射法。
10.根据权利要求7所述的一种CIGS/CdTe叠层太阳能电池的制作方法，其特征在于：所述步骤(4)中CdTe光吸收层沉积好后进行活化处理，即在CdTe光吸收层上涂覆一层氯化铵溶液，干燥后用去离子水冲洗。
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