CN109786481A - 一种CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents

一种CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种CdTe薄膜太阳能电池组件，其特征在于，由下往上依次包括：衬底、窗口层、光吸收层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层；所述电池组件增加了短波和长波波段的吸收，使CdTe薄膜太阳能电池组件的开路电压和填充因子高，提高电池的性能，转换效率高，长期稳定性佳，同时，其制备方法操作简单，工艺简单，容易控制。

Description

一种CdTe薄膜太阳能电池组件及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏技术领域，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
CdTe薄膜太阳能电池在生产成本大大低于晶体硅和其他材料的太阳能电池技术，其次它和太阳的光谱最一致，可吸收95％以上的阳光。标准工艺，低能耗，生命周期结束后，可回收，强弱光均可发电，温度越高表现越好。拥有这么多优势的碲化镉薄膜太阳能电池在全球市场占有率上已经开始向传统晶体硅太阳能电池发起了挑战。
目前CdTe薄膜太阳能电池通常采用CdS层作为窗口层，采用CdS，第一、会使短波的吸收降低，从而降低电池的性能。第二、CdS是有毒的物质，对环境和工作的人员都是不利的，而且传统的硫化镉的制备方法大多采用化学水浴法，这种工艺还会产生大量废液，工艺控制难。
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，所述电池组件增加了短波和长波波段的吸收，使CdTe薄膜太阳能电池组件的开路电压和填充因子高，提高电池的性能，转换效率高，长期稳定性佳，同时，其制备方法操作简单，工艺简单，容易控制。
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，由下往上依次包括：衬底、窗口层、光吸收层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层。
优选的，所述窗口层由下往上依次包括：MZO层、ZIS层和CdSe层。
优选的，所述窗口层的厚度为50～80nm。
优选的，所述光吸收层的厚度为2.5～4.5μm。
优选的，所述背电极层的厚度为200～250nm。
优选的，所述背电极层材料为纯镍金属材料或含镍金属材料。
本发明还提供了一种CdTe太阳能电池组件的制备方法，包括：衬底上由下往上依次沉积窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层。
优选的，所述制备方法具体包括：由下往上依次沉积MZO层、ZIS层和CdSe层。
优选的，沉积所述窗口层中MZO层、ZIS层和CdSe层的方法均为磁控溅射方法。
优选的，沉积所述光吸收层的方法为近空间升华法。
优选的，沉积所述背电极层的方法为电子束蒸发法。
优选的，所述制备方法还包括：对所述窗口层和所述光吸收层进行退火处理。
优选的，所述退火处理条件为：退火时间10～60min，退火温度380℃～415℃。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
本发明采用包括MZO层、ZIS层和CdSe层的窗口层，所述光吸收层CdTe层，可增加CdTe薄膜太阳能电池组件在短波波段的相响在短波波段的响应，增加对短波的吸收，采用MZO层，MZO为氧化锌掺氧化镁与CdTe属于异质结的结构，对短波波段(400nm)的吸收增强，但是MZO(氧化锌掺氧化镁)与CdTe属于异质结的结构导致内建电场较弱，从而使得填充因子和开路电压降低。ZIS层为硫化锌掺硫化铟，本发明采用窗口层中ZIS层为缓冲层，避免是MZO与CdTe属于异质结的结构导致内建电场较弱，导致的填充因子和开路电压降低情况。采用CdSe层为保护层，CdSe与CdTe相互间的扩散，形成CdSexTe1-x结构，该结构增加CdTe电池在长波波段的吸收，形成了一个较强的内建电场，不仅增加了短波和长波波段的吸收，而且增加了填充因子和开路电压，同时铟和硒扩散后，也会提升电池的开路电压，从而提高了CdTe薄膜太阳能电池组件性能。利用了MZO层作窗口层QE响应好的特性，同时避免了直接采用MZO层作窗口层电池组件的整体性能下降的问题。
本发明沉积窗口层中MZO层、ZIS层和CdSe层的方法均为磁控溅射方法。沉积光吸收层的方法为近空间升华法。沉积背电极层的方法为电子束蒸发法。本发明制备方法得到的CdTe薄膜太阳能电池组件，初始性能、长期稳定性优异，转换效率高本方法操作简单，工艺简单，容易控制。
进一步的，本发明制备方法还包括：对窗口层和光吸收层进行退火处理，所述退火处理条件为：退火时间10～60min，退火温度380℃～415℃，对所述背接触层进行退火处理，实现了对窗口层和光吸收层退火和去氧化层处理，从而提高了CdTe薄膜太阳能电池组件性能。
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。
实施例1
一种碲化镉太阳能电池组件的制备方法，包括：衬底上由下往上依次沉积窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层。
本实施例所述窗口层由下往上依次包括：MZO层、ZIS层和CdSe层。
所述窗口层的厚度为50～80nm，所述光吸收层的厚度为2.5～4.5μm，所述背电极层的厚度为200～250nm。
所述背电极层材料为纯镍金属材料或含镍金属材料。
MZO为氧化锌掺氧化镁，ZIS为硫化锌掺硫化铟。
本实施例所述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沉积窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层。
其中，所述制备方法具体包括：由下往上依次沉积MZO层、ZIS层和CdSe层。
沉积所述窗口层中MZO层、ZIS层和CdSe层的方法均为磁控溅射方法。具体包括：采用磁控溅射一站式镀膜；即在第一溅射镀膜腔沉积MZO层，第二溅射镀膜腔沉积ZIS层，第三溅射镀膜腔沉积保护层CdSe层，每个镀膜腔室之间都用缓冲腔室隔开，防止相互污染。
沉积所述光吸收层的方法为近空间升华法。沉积所述背电极层的方法为电子束蒸发法。
所述制备方法还包括：对所述窗口层和所述光吸收层进行退火处理；所述退火处理条件为：退火时间10～60min，退火温度380℃～415℃。
实施例2
窗口层材料对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
1、实验样品：样品A1～A9
样品A1为实施例1中的CdTe薄膜太阳能电池组件(窗口层由下往上依次包括：MZO层、ZIS层和CdSe层)；
样品A2～A6和样品A1的区别仅在于；
样品A2：窗口层为CdS层，
样品A3：窗口层为MZO层(氧化锌掺氧化镁层)，
样品A4：窗口层为ZnS层，
样品A5：窗口层为InS层，
样品A6：窗口层为CdSe层，
样品A7：窗口层为ZIS层(硫化锌掺硫化铟)，
样品A8：窗口层由下往上依次包括：ZIS层、CdSe层和MZO层，
样品A9：窗口层由下往上依次包括：CdSe层、MZO层和ZIS层；
2、实验方法：采用GB/T6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表1。
表1窗口层材料对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
样品 Eff(％) Voc(V) Jsc(mA/cm<sup>2</sup>) FF(％)
样品A1 12.24 0.829 23.35 63.23
样品A2 10.97 0.803 22.08 61.89
样品A3 9.53 0.754 21.35 59.23
样品A4 10.19 0.782 21.27 61.26
样品A5 10.26 0.784 21.64 60.47
样品A6 6.57 0.769 17.46 48.96
样品A7 10.28 0.764 22.35 60.22
样品A8 5.43 0.652 17.27 48.23
样品A9 5.57 0.663 18.11 46.42
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。
由表1可以看出，采用本发明公开的采用包括：MZO层、ZIS层和CdSe层的窗口层CdTe薄膜太阳能电池组件充放电效率，开路电压，电流密度和填充因子与其他几种电池相比都有明显的提高。
实施例3
窗口层的厚度对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
1、实验样品：样品B1～B8，样品B1～B8为实施例1中的CdTe薄膜太阳能电池组件，各样品窗口层厚度不同，见表2；
2、实验方法：采用GB/T6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表2。
表2窗口层的厚度对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
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。
由表2可以看出，窗口层厚度为60nm时，该电池的充放电效率，开路电压，短路电流和填充因子均达到最大值，此时电池组件的光电转化效率最高。
实施例4
退火处理退火时间对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
1、实验样品：样品C1～C6，样品C1～C6为实施例1中的CdTe薄膜太阳能电池组件，各样品对所述窗口层和所述光吸收层退火时间不同，见表3；
2、实验方法：采用GB/T6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表3。
表3退火时间对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
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。
由表3可以看出，本发明CdTe薄膜太阳能电池组件制备过程对所述窗口层和所述光吸收层进行退火处理，退火时间10～60min。退火时间为30min时，该电池组件的充放电效率，开路电压，短路电流和填充因子均达到最大值，此时电池组件的光电转化效率最高。
实施例5
退火温度对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
1、实验样品：样品D1～D8，样品D1～D8为实施例1中的CdTe薄膜太阳能电池组件，各样品对窗口层和光吸收层退火温度不同，见表4；
2、实验方法：采用GB/T6495.1-1996中所述方法进行性能测试；
3、实验结果：见表4。
表4退火温度对CdTe薄膜太阳能电池组件的性能影响
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。
由表4可以看出，本发明CdTe薄膜太阳能电池组件制备过程对窗口层和光吸收层进行退火处理，退火温度380℃～415℃。当退火温度为395℃时，该电池组件的充放电效率，开路电压，短路电流和填充因子均达到最大值，此时电池组件的光电转化效率最高。
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，其特征在于，由下往上依次包括：衬底、窗口层、光吸收层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层。
2.根据权利要求1所述的CdTe太阳能电池组件，其特征在于，所述窗口层由下往上依次包括：MZO层、ZIS层和CdSe层。
3.根据权利要求1所述的CdTe太阳能电池组件，其特征在于，所述窗口层的厚度为50～80nm。
4.根据权利要求1所述的CdTe太阳能电池组件，其特征在于，所述光吸收层的厚度为2.5～4.5μm。
5.根据权利要求1所述的CdTe太阳能电池组件，其特征在于，所述背电极层材料为纯镍金属材料或含镍金属材料。
6.一种CdTe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沉积窗口层、光吸收层、背接触层和背电极层；所述窗口层包括MZO层、ZIS层和CdSe层，所述光吸收层CdTe层。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括：由下往上依次沉积MZO层、ZIS层和CdSe层。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，沉积所述窗口层中MZO层、ZIS层和CdSe层的方法均为磁控溅射方法。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，沉积所述光吸收层的方法为近空间升华法。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：对所述窗口层和所述光吸收层进行退火处理。
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