CN110098268A - 柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构及制备方法。该阻挡结构包括：柔性金属衬底；杂质阻挡层，设置于所述柔性金属衬底上；背电极层，设置于所述杂质阻挡层上；其中，所述杂质阻挡层包括叠层设置的导电阻挡层和绝缘阻挡层，所述绝缘阻挡层中设置有导电通道，所述导电通道用于电导通所述柔性金属衬底和所述背电极层。该阻挡结构可以有效减少衬底中的Fe、Cr等杂质元素以及金属阻挡层中的杂质元素的向CIGS吸收层中的扩散，并且获得较好的附着力；同时绝缘阻挡层上形成有序的电流传输通道并且不损失导电阻挡层，从而有利于制备外联式柔性CIGS太阳能组件。另外，该制备方法的工艺也较为简单。
Description
技术领域
本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，特别涉及一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构及制备方法。
背景技术
CIGS(铜铟镓硒)太阳能电池是效率最高的薄膜太阳能电池之一，玻璃基底小面积电池的效率高达23.2％，大面积组件的效率高达19.2％，具有极大的科研和应用价值。但是，基于柔性金属衬底的CIGS太阳能电池和组件的效率远低于玻璃基底的电池和组件效率，仅为19.4％和17.4％。基于不锈钢基底CIGS太阳能电池的主要挑战在于基底中的Fe等杂质元素会在CIGS高温退火过程中扩散进入CIGS吸收层，从而影响电池的性能。因此，常用的方法是在金属基底上沉积一层阻挡层，减少杂质元素扩散进入CIGS吸收层。
目前世界上最先进的科研团队以及公司所使用的阻挡层主要包括Mo(不使用阻挡层)、氧化物或者氮化物、搪瓷以及导电的金属薄膜等。最早报道高效率不锈钢基底CIGS薄膜太阳能电池的是美国的国家能源中心(NREL)，在2000年他们在不锈钢基底上未使用杂质元素阻挡层，仅在Mo背电极之上增加了一层含Na的缓冲层(buffer)，获得了高达17.5％的效率。瑞士国家联邦实验室(EMPA)在未使用杂质元素阻挡层而是利用低温三步共蒸发工艺降低杂质元素的扩散以及优化Mo背电极的制备工艺获得了17％以上的效率。利用磁控溅射、热喷雾等方法制备Al2O3、SiO2、Si3N4等绝缘层用作阻挡层也是研究较多的，虽然其对杂质元素的阻挡效果较好，但是利用这类阻挡层获得的效率不高，但是其附着力以及机械性能存在一定问题。Ti、Ni、Gr等纳米金属薄膜是目前应用对多的导电类杂质元素阻挡层。目前报道的效率超过18％的不锈钢基底CIGS太阳能电池都是利用此类阻挡层，金属薄膜阻挡层的优势是可以制备外联式柔性不锈钢基底CIGS薄膜太阳能组件，简化组件的制备步骤。但是EMPA发现Ni和Cr等金属也会在高温下扩散进入CIGS吸收层内，降低电池的性能，因此他们选择的是Ti作为阻挡层。汉能旗下的MiaSolé公司选用的是Cr作为阻挡层，他们获得了19.4％(1.0cm2)的电池效率和17.4％(3001cm2)的组件效率。德国巴登符腾堡州太阳能和氢能研究中心(ZSW)利用830度空气氛围中烧结搪瓷，在1mm厚的不锈钢基底上获得了17.6％的小面积电池效率。
但是，目前的杂质元素阻挡层也存在一些问题，Ti、Ni、Gr等导电类阻挡层本身也会高温下扩散进入CIGS吸收层，影响电池效率；Al2O3、SiO2、Si3N4等绝缘杂质元素阻挡层会阻挡金属衬底与Mo背电极间的电流传输，需改变目前柔性金属衬底CIGS太阳能组件的外联方式，利用三道划线实现电池的内联，大大增加了组件制备的难度与工艺复杂程度。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何减小衬底中的杂质元素向吸收层扩散以提高电池效率。
(二)本发明所采用的技术方案
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，包括：
柔性金属衬底；
杂质阻挡层，设置于所述柔性金属衬底上；
背电极层，设置于所述杂质阻挡层上；
其中，所述杂质阻挡层包括叠层设置的导电阻挡层和绝缘阻挡层，所述绝缘阻挡层中设置有导电通道，所述导电通道用于电导通所述柔性金属衬底和所述背电极层。
优选地，所述导电阻挡层贴合于所述柔性金属衬底上，所述绝缘阻挡层贴合于所述导电阻挡层上；所述导电通道为开设于所述绝缘阻挡层中的通孔，所述背电极层的部分填充于所述通孔中，以接触所述导电阻挡层。
或者，所述绝缘阻挡层贴合于所述柔性金属衬底上，所述导电阻挡层贴合于所述绝缘阻挡层上；所述导电通道为开设于所述绝缘阻挡层中的通孔，所述导电阻挡层的部分填充于所述通孔中，以接触所述柔性金属衬底。
优选地，所述通孔的数量为多个，且多个所述通孔呈阵列排布。
优选地，所述背电极层包括第一电极层和第二电极层，所述第一电极层设置于所述杂质阻挡层上，所述第二电极层设置于所述第一电极层上，其中所述第二电极层的密度大于所述第一电极层的密度。
本发明还公开了一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构的制备方法，包括：
在柔性金属衬底上制作形成杂质阻挡层；
在所述杂质阻挡层上制作形成背电极层；
其中，所述杂质阻挡层包括叠层设置的导电阻挡层和绝缘阻挡层，所述绝缘阻挡层中设置有导电通道，所述导电通道用于电导通所述柔性金属衬底和所述背电极层。
优选地，所述在柔性金属衬底上制作形成杂质阻挡层的方法包括：
在所述柔性金属衬底上形成导电阻挡层；
在所述导电阻挡层上形成绝缘阻挡层；
在所述绝缘阻挡层上开设通孔，其中所述通孔用作导电通道。
优选地，所述在柔性金属衬底上制作形成杂质阻挡层的方法包括：
在所述柔性金属衬底上形成绝缘阻挡层；
在所述绝缘阻挡层上开设通孔，其中所述通孔用作导电通道；
在所述绝缘阻挡层上生成导电阻挡层。
优选地，所述在所述杂质阻挡层上制作形成背电极层的方法包括：
在所述杂质阻挡层上形成第一电极层；
在所述第一电极层上形成第二电极层，其中所述第二电极层的密度大于所述第一电极层的密度。
本发明还公开了一种柔性太阳能电池和组件，包括上述任一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，或者包括上述任一种制备方法制成的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构。
(三)有益效果
本发明公开的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构及其制备方法，制成的阻挡结构可以有效减少衬底中的Fe、Cr等杂质元素以及金属阻挡层中的杂质元素的向CIGS吸收层中的扩散，并且获得较好的附着力；同时绝缘阻挡层上形成有序的电流传输通道并且不损失导电阻挡层，从而有利于制备外联式柔性CIGS太阳能组件。另外，该制备方法的工艺也较为简单。
附图说明
图1是本发明的实施例一的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构的示意图；
图2是本发明的实施例二的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如1图所示，根据本发明的实施例一的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构的制备方法包括如下步骤S10至步骤S30：
步骤S10：在柔性金属衬底10上制作形成杂质阻挡层20。
具体地，在制作杂质阻挡层20之前，先对柔性金属衬底进行清洗处理。本实施例一的柔性金属衬底10优选采用不锈钢，不锈钢的型号为SS430，厚度为50μm。依次用丙酮、酒精、去离子水超声清洗不锈钢15分钟，以去除不锈钢表面的有机污渍和灰尘，并在烘箱中用90℃将不锈钢基底烘烤10分钟，以去除水气。进一步地，制作杂质阻挡层20的步骤具体包括如下步骤：
步骤S11：在柔性金属衬底10上形成导电阻挡层21。
具体地，导电阻挡层21的材料优选采用金属钛Ti，所用Ti靶材纯度为99.99％。采用直流磁控溅射工艺在不锈钢上生长Ti阻挡层，以形成导电阻挡层21，该生长过程中柔性金属衬底10不用加热。其中导电阻挡层21的厚度范围为50-200nm，且导电阻挡层21的制备环境的功率密度为3W/cm2，Ti材料的导电阻挡层21在不锈钢上具有良好的附着力。
当然在其他实施方式中，导电阻挡层21的材料优选采用金属铬Cr，所用Cr靶材纯度为99.99％。采用直流磁控溅射工艺在不锈钢上生长Cr阻挡层，以形成导电阻挡层21，该生长过程中柔性金属衬底10不用加热。其中导电阻挡层21的厚度范围为100-200nm，且导电阻挡层21的制备环境的功率密度为4W/cm2，铬材料的导电阻挡层21在不锈钢上具有良好的附着力。
步骤S12：在导电阻挡层21上形成绝缘阻挡层22。
具体地，利用交流反应磁控溅射制备SiO2绝缘阻挡层，制备过程中柔性金属衬底10不用加热，所用Si靶材纯度为99.999％，氧气与氩气流量比为2:20，制备环境压强为1.0Pa，当然制备环境压强范围可以为0.1～3Pa，制成的绝缘阻挡层22总厚度为200nm-1000nm，功率密度为4W/cm2，绝缘阻挡层22具有很好的绝缘性。
当然在其他实施方式中，还可以利用等离子体增强化学的气相沉积法(PECVD)制备SiO2绝缘阻挡层。制备过程中，控制衬底温度为250～300℃，SiH4流量为40-50sccm，N2O气体流量为300-400sccm，N2气体流量为750-850sccm，制成的绝缘阻挡层22总厚度为1μm-6μm，且绝缘阻挡层22具有很好的绝缘性。
进一步地，在另一实施方式中，利用交流反应磁控溅射制备SiOxNy绝缘阻挡层，制备过程中柔性金属衬底10不用加热，所用Si靶材纯度为99.999％，溅射过程中，O2、N2和Ar的气体流速比为2:3:20sccm，制备环境压强为1.0Pa，制成的绝缘阻挡层22总厚度为200nm-1000nm，功率密度为4W/cm2，绝缘阻挡层22具有很好的绝缘性。
步骤S13：在绝缘阻挡层22上开设通孔22a，其中通孔22a用作导电通道。
具体地，利用皮秒激光在绝缘阻挡层22上开设多个通孔22a，多个通孔22a呈阵列排布，其中通孔22a可为圆形孔或正方形孔，其中当通孔22a为圆形孔时，圆形孔的直径为50-200μm，相邻两个圆形孔的圆心间距为4mm。其中当通孔22a为正方形孔时，正方形孔的边长为50-200μm，相邻两个正方形中心的间距为8mm。当然，通孔22a的形状不限于上述形状，还可以为其他形状。本实施例中的皮秒激光的波长为355nm或532nm。
步骤S20：在杂质阻挡层20上制作形成背电极层30。
首先，在绝缘阻挡层22上形成第一电极层31。具体地，采用直流磁控溅射工艺制备第一电极层31，第一电极层31的部分填充于通孔22a中以接触导电阻挡层21。其中，第一电极层31的材料为钼，钼靶材纯度为99.95％，其中第一电极层31的制备环境的功率密度为2W/cm2，制备环境的压强为2.0Pa，制成的第一电极层31的厚度为200nm至400nm。
接着，在第一电极层31上形成第二电极层32。具体地，采用直流磁控溅射工艺制备第二电极层32，第二电极层32的材料为钼，钼靶材纯度为99.95％，其中第二电极层32的制备环境的功率密度为4W/cm2，制备环境的压强为2.0Pa，制成的第二电极层32的厚度为600nm。需要保证第二电极层32的密度大于第一电极层31的密度，第一电极层31为疏松层，第二电极层32为致密层，使得背电极层30可起到阻挡衬底中的部分杂质扩散。
本实施例一提供的制备太阳能电池的阻挡结构的方法，制成的阻挡结构包括金属导电/无机绝缘叠层杂质元素阻挡层结构，可以有效减少衬底中的Fe、Cr等杂质元素以及金属阻挡层中的杂质元素的向CIGS吸收层中的扩散，并且获得较好的附着力；同时利用短波激光开孔技术在无机绝缘层上形成有序的电流传输通道并且不损失金属导电阻挡层，从而有利于制备外联式柔性CIGS太阳能组件。另外，该制备方法的工艺也较为简单。
实施例二
如图2所示，根据本发明的实施例二的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构的制备方法包括如下步骤S10’至步骤S20’：
步骤S10’：在柔性金属衬底10上制作形成杂质阻挡层20。
在制作杂质阻挡层20之前，先对柔性金属衬底10进行清洗处理，具体方法与步骤S10中一致，在此不进行赘述。制作杂质阻挡层20的步骤具体包括如下步骤：
步骤S11’：在柔性金属衬底10上形成绝缘阻挡层22。
制作绝缘阻挡层22的具体方法已在步骤S11中描述，在此不进行赘述。
步骤S12’：在绝缘阻挡层22上开设通孔22a，其中通孔22a用作导电通道制作通孔22a的具体方法已在步骤S13中描述，在此不进行赘述。
步骤S13’：在绝缘阻挡层22上形成导电阻挡层21。
制作导电阻挡层21的具体方法已在步骤S11中描述，在此不进行赘述。需要说明的是，导电阻挡层21的部分填充于通孔22a中以接触柔性金属衬底层10。
步骤S20’：在杂质阻挡层20上制作形成背电极层30。
首先，在绝缘阻挡层22上形成第一电极层31。接着，在第一电极层31上形成第二电极层32。第一电极层31和第二电极层32的制备方法已在步骤S20中描述，在此不进行赘述。
实施例三
如1图所示，本实施例三公开的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构包括柔性金属衬底10、杂质阻挡层20和背电极层30，杂质阻挡层20设置于柔性金属衬底10上，背电极层30设置于杂质阻挡层20上。其中，杂质阻挡层20包括叠层设置的导电阻挡层21和绝缘阻挡层22，绝缘阻挡层22中设置有导电通道，导电通道用于电导通柔性金属衬底10和背电极层30。
进一步地，导电阻挡层21贴合于柔性金属衬底10上，绝缘阻挡层22贴合于导电阻挡层21上，导电通道为开设于绝缘阻挡层22中的通孔22a，背电极层30的部分填充于通孔22a中，以接触导电阻挡层21。这样杂质阻挡层20在有效阻挡衬底中杂质元素与金属导电阻挡层中元素扩散的同时，也有利于制造外联式的柔性太阳能电池和组件。导电阻挡层21的材料可选为Ni、Ti、Cr等金属材料，绝缘阻挡层22的材料可选为Al2O3、SiO2、Si3N4、SiOxNy等氧化物、氮化物和氮氧化物。
如图2所示，当然在其他实施方式中，导电阻挡层21和绝缘阻挡层22可相互调换位置，即绝缘阻挡层22贴合于柔性金属衬底10上，导电阻挡层21贴合于绝缘阻挡层22上，导电通道为开设于绝缘阻挡层22中的通孔22a，导电阻挡层21的部分填充于所述通孔22a中，以接触柔性金属衬底10。
进一步地，通孔22a的数量为多个，且多个通孔22a呈阵列排布。通孔22a可为圆形孔或正方形孔，其中当通孔22a为圆形孔时，圆形孔的直径为50-200μm，相邻两个圆形孔的圆心间距为4mm。其中当通孔22a为正方形孔时，正方形孔的边长为50-200μm，相邻两个正方形中心的间距为8mm。通孔22a提供电流传输通道，防止由于绝缘阻挡层的加入导致电池串联电阻增大。
进一步地，背电极层30包括第一电极层31和第二电极层32，第一电极层31设置于杂质阻挡层20上，第二电极层32设置于第一电极层31上，其中所述第二电极层32的密度大于所述第一电极层31的密度。这样第一电极层31为疏松层，第二电极层32为致密层，使得背电极层30可起到阻挡衬底中的部分杂质扩散。
本实施例公开的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构可以有效减少衬底中的Fe、Cr等杂质元素以及金属阻挡层中的杂质元素的向CIGS吸收层中的扩散，并且获得较好的附着力，有利于制备外联式柔性CIGS太阳能组件。
进一步地，本发明还公开了一种柔性太阳能电池和组件，该柔性太阳能电池和组件包括上述实施例三中的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构或者包括实施例一、实施例二中的制备方法制成的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (10)
1.一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，其特征在于，包括：
柔性金属衬底(10)；
杂质阻挡层(20)，设置于所述柔性金属衬底(10)上；
背电极层(30)，设置于所述杂质阻挡层(20)上；
其中，所述杂质阻挡层(20)包括叠层设置的导电阻挡层(21)和绝缘阻挡层(22)，所述绝缘阻挡层(22)中设置有导电通道，所述导电通道用于电导通所述柔性金属衬底(10)和所述背电极层(30)。
2.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，其特征在于，所述导电阻挡层(21)贴合于所述柔性金属衬底(10)上，所述绝缘阻挡层(22)贴合于所述导电阻挡层(21)上；所述导电通道为开设于所述绝缘阻挡层(22)中的通孔(22a)，所述背电极层(30)的部分填充于所述通孔(22a)中，以接触所述导电阻挡层(21)。
3.根据权利要求1所述的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，其特征在于，所述绝缘阻挡层(22)贴合于所述柔性金属衬底(10)上，所述导电阻挡层(21)贴合于所述绝缘阻挡层(22)上；所述导电通道为开设于所述绝缘阻挡层(22)中的通孔(22a)，所述导电阻挡层(21)的部分填充于所述通孔(22a)中，以接触所述柔性金属衬底(10)。
4.根据权利要求2或3所述的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，其特征在于，所述通孔(22a)的数量为多个，且多个所述通孔(22a)呈阵列排布；所述通孔(22a)是通过激光开孔技术制成的。
5.根据权利要求1至3任一项所述的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，其特征在于，所述背电极层(30)包括第一电极层(31)和第二电极层(32)，所述第一电极层(31)设置于所述杂质阻挡层(20)上，所述第二电极层(32)设置于所述第一电极层(31)上，其中所述第二电极层(32)的功率密度大于所述第一电极层(31)的功率密度。
6.一种柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构的制备方法，其特征在于，包括：
在柔性金属衬底(10)上制作形成杂质阻挡层(20)；
在所述杂质阻挡层(20)上制作形成背电极层(30)；
其中，所述杂质阻挡层(20)包括叠层设置的导电阻挡层(21)和绝缘阻挡层(22)，所述绝缘阻挡层(22)中设置有导电通道，所述导电通道用于电导通所述柔性金属衬底(10)和所述背电极层(30)。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在柔性金属衬底(10)上制作形成杂质阻挡层(20)的方法包括：
在所述柔性金属衬底(10)上形成导电阻挡层(21)；
在所述导电阻挡层(21)上形成绝缘阻挡层(22)；
在所述绝缘阻挡层(22)上开设通孔(22a)，其中所述通孔(22a)用作导电通道。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在柔性金属衬底(10)上制作形成杂质阻挡层(20)的方法包括：
在所述柔性金属衬底(10)上形成绝缘阻挡层(22)；
在所述绝缘阻挡层(22)上开设通孔(22a)，其中所述通孔(22a)用作导电通道；
在所述绝缘阻挡层(22)上生成导电阻挡层(21)。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述在所述杂质阻挡层(20)上制作形成背电极层(30)的方法包括：
在所述杂质阻挡层(20)上形成第一电极层(31)；
在所述第一电极层(31)上形成第二电极层(32)，其中所述第二电极层(32)的密度大于所述第一电极层(31)的密度。
10.一种柔性太阳能电池和组件，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构，或者包括权利要求6至9任一项所述的制备方法制成的柔性太阳能电池和组件的阻挡层结构。
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