CN110098269A - 薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种薄膜太阳能电池及其制备方法。该薄膜太阳能电池包括：金属衬底和背电极，所述金属衬底和背电极之间设置有阻挡层，其中，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氧化物和金属氮化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种。本申请采用金属氧化物和/或金属氮化物掺杂稀土元素氧化物作为制备阻挡层的材料，能够通过具有阻挡性能的材料及钉扎晶界的活性元素效应，阻碍金属衬底中的Fe、Cu等元素向Mo电极和CIGS吸收层的扩散，同时由于稀土元素氧化物的增韧效应使该阻挡层体系更加稳定，从而在较薄的阻挡层厚度下获得更为优异的阻挡性能。

Description

薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别涉及一种薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池中，杂质对于吸收层光电性能的影响较大，因此要求对吸收层的铜铟镓硒四种元素比例精确控制。诸如不锈钢等金属衬底中的Fe、Cu等元素在吸收层的高温制备条件下会通过钼(Mo)电极向CIGS吸收层扩散，在CIGS中形成深能级缺陷，影响CIGS的结晶质量，从而影响电池的光电性能。因此，选择在金属衬底和Mo电极之间制备合适的阻挡层体系，对于提升CIGS性能具有非常重要的实用价值。
有文献公开了柔性CIGS阻挡层采用三层结构，靠近基底层由钛、铬、氮化钛、或氮化钽制成，中间层由氮化钛、氮化钽、氮化钨或氮化锆的任一种制成，靠近电极层的由钛、铬或氮化钛制成，通过筛选扩散阻挡层的结构及各结构的组成成分，获得的扩散阻挡层能有效阻挡不锈钢箔的杂质元素进入吸收层，提高电池性能。但是该三层结构相对复杂，生产成本过高。
有文献公开了柔性CIGS阻挡层采用的是1-2μm的铬(Cr)扩散阻挡层，通过Cr单层对金属衬底上的Fe、Cu等元素扩散的抑制，提高柔性CIGS电池的转化效率。该技术的缺陷是，单层Cr过薄对Fe、Cu等元素扩散的阻挡作用有限，过厚则在生产中耗费较大的时间和材料成本。
有文献公开了柔性CIGS绝缘阻挡层采用的是一层或多层氮化物或氧化物的叠层结构，在不锈钢衬底上先沉积化合物薄膜，然后再沉积金属薄膜，即形成不锈钢衬底/一种或多种化合物薄膜/金属薄膜/Mo背电极层的结构形式，以期通过叠层结构的阻挡性能和绝缘性能，采用激光刻划技术实现内联的电池组件结构。该技术的缺陷在于，纯氮氧化物叠层材料的脆性和断裂能释放机制容易导致膜层的开裂与脱膜，从而降低对Fe、Cu等杂质元素扩散的阻挡作用。
还有文献公开了扩散阻挡层为钨钛合金层，通过阻挡衬底中有害元素的扩散，提升柔性电池的光电性能。但是该技术所采用的钨和钛的阻挡效果相比传统的Cr、Ti和陶瓷材料效果有限。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种包含阻挡层的薄膜太阳能电池及其制备方法，该阻挡层可以提高金属衬底柔性CIGS薄膜太阳能电池阻挡性能。
本申请一个实施例提供的具体技术方案如下：
一种薄膜太阳能电池，包括：
金属衬底和背电极，所述金属衬底和背电极之间设置有阻挡层，其中，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氧化物和金属氮化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种。
本申请另一个实施例提供的具体技术方案如下：
一种薄膜太阳能电池的制备方法，包括：
在金属衬底上形成阻挡层，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氮化物和金属氧化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种；
在所述阻挡层上形成背电极。
本申请实施例的薄膜太阳能电池采用金属氧化物和/或金属氮化物掺杂稀土元素化合物作为制备阻挡层的材料，能够通过具有阻挡性能的材料及钉扎晶界的活性元素效应，阻碍金属衬底中的Fe、Cu等元素向Mo电极和CIGS吸收层的扩散，同时由于稀土元素化合物的增韧效应使该阻挡层体系更加稳定，从而在较薄的阻挡层厚度下获得更为优异的阻挡性能，为提升CIGS太阳能电池光电转换效率和降低光伏电池生产成本提供可行的途径。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例提供的一种薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的另一种薄膜太阳能电池的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种薄膜太阳能电池的制备方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
本发明一方面提供了一种薄膜太阳能电池，包括：金属衬底和背电极，金属衬底和背电极之间设置有阻挡层，且该所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氧化物和金属氮化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种。
图1示出了本发明一个实施例提供的一种薄膜太阳能电池的结构示意图。如图1所示，薄膜太阳能电池包括：金属衬底1和背电极3，金属衬底1和背电极3之间设置有阻挡层2。本实施例提供的薄膜太阳能电池，由于金属衬底和背电极之间设置有阻挡层，可以有效阻挡金属衬底中的有害元素通过背电极向吸收层扩散，所以可以提高薄膜太阳能电池的光电转换性能。
其中，该阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氧化物和金属氮化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种。其中，所述陶瓷材料与所述稀土元素化合物的质量比为80％∶20％～99.99％∶0.01％，例如，为98∶2，或者99∶1。
在本发明实施例中，所述金属氧化物选自以下物质组成的组：氧化铝(AlxOy)、氧化锆(ZrxOy)、氧化钼(MoxOy)、氧化钛(TixOy)、氧化镍(NixOy)、氧化铬(CrxOy)、氧化锌(ZnxOy)。所述金属氮化物选自以下物质组成的组：氮化铝(AlxNy)、氮化锆(ZrxNy)、氮化钼(MoxNy)、氮化钛(TixNy)、氮化镍(NixNy)、氮化铬(CrxNy)、氮化锌(ZnxNy)。
所述稀土元素氧化物为以下物质的至少一种：氧化镧(LaxOy)、氧化铈(CexOy)、氧化镨(PrxOy)、氧化钕(NdxOy)、氧化钷(PmxOy)、氧化钐(SmxOy)、氧化铕(EuxOy)、氧化钆(GdxOy)、氧化铽(TbxOy)、氧化镝(DyxOy)、氧化钬(HoxOy)、氧化铒(ErxOy)、氧化铥(TmxOy)、氧化镱(YbxOy)、氧化镥(LuxOy)、氧化钇(YxOy)、氧化钪(ScxOy)的一种。所述稀土元素氮化物为以下物质的至少一种：氮化镧(LaxNy)、氮化铈(CexNy)、氮化镨(PrxNy)、氮化钕(NdxNy)、氮化钷(PmxNy)、氮化钐(SmxNy)、氮化铕(EuxNy)、氮化钆(GdxNy)、氮化铽(TbxNy)、氮化镝(DyxNy)、氮化钬(HoxNy)、氮化铒(ErxNy)、氮化铥(TmxNy)、氮化镱(YbxNy)、氮化镥(LuxNy)、氮化钇(YxNy)、氮化钪(ScxNy)的一种。
在本实施例中，阻挡层突破传统的金属阻挡层体系和叠层阻挡层体系，采用金属氧化物、金属氮化物与稀土元素化合物的复合材料体系，获得优异的阻挡性能。而且，利用稀土元素化合物的活性元素效应，在金属氧化物、金属氮化物材料中钉扎晶界，弥补缺陷，牢固占据元素扩散的途径，从而有效抑制金属衬底中Fe、Cu等元素向Mo电极层和CIGS吸收层的扩散，从而获得优异的阻挡性能。此外，稀土元素化合物的活性元素效应能够增强阻挡层的韧性，膜层能在后续CIGS的高温沉积过程中保持良好的附着力和完整性，以保证阻挡层的阻挡性能。
在本发明实施例中，阻挡层的厚度可以设置得较小，示例的，阻挡层的厚度可以为0.01微米～3微米。当阻挡层薄膜的厚度较小时，薄膜的韧性较好，脆性较小，这样一来，在吸收层的高温制备环境下，薄膜不易在热应力过大的情况下通过裂纹的产生和扩展来释放热量，所以避免了薄膜发生开裂或脱膜现象，这样也就不会为金属衬底中的有害元素向吸收层扩散提供便利通道了，因此可以进一步提高对金属衬底中有害元素的阻挡效果，提高薄膜太阳能电池的光电转换性能。
本发明实施例的薄膜太阳能电池中，金属衬底可以由不锈钢箔制成。背电极可以由Mo制成。薄膜太阳能电池可以为CIGS薄膜太阳能电池。
进一步的，如图2所示，该薄膜太阳能电池还可以包括：设置在背电极3上的吸收层4、缓冲层5、窗口层6和顶电极7。可以理解的是，图2示出的仅仅是薄膜太阳能电池的常见结构，其还可以包括其他结构。例如，该薄膜太阳能电池还可以包括设置在顶电极上的减反射层。减反射层可以用于减少光线的反射，增加光线的吸收，从而进一步提高薄膜太阳能电池的光电转换性能。
综上所述，本发明实施例提供的薄膜太阳能电池，由于金属衬底和背电极之间设置有阻挡层，且该阻挡层通过金属氧化物、金属氮化物阻挡Fe、Cu等元素向CIGS吸收层的扩散，同时通过将稀土元素化合物分散在金属氧化物、金属氮化物层中钉扎晶界，抑制不锈钢衬底中有害元素向电极层和吸收层的扩散，提升Mo电极层和CIGS吸收层的结晶质量，从而获得优异的光电性能；稀土元素化合物的活性元素效应能够增强阻挡层的韧性，从而使该阻挡层体系适应后续CIGS的高温制备环境，确保膜层的良好的附着力和完整性。
本发明另一方面还提供了包含上述阻挡层的薄膜太阳能电池的制备方法，该方法包括：在金属衬底上形成阻挡层，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氮化物和金属氧化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种；在所述阻挡层上形成背电极。通过该制备方法能够得到具有较高的光电转换性能的薄膜太阳能电池，同时电池生产成本降低。
图3示出了本发明一个实施例提供的一种薄膜太阳能电池的制备方法，如图3所示，该方法包括：
步骤101、在金属衬底上形成阻挡层，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氮化物和金属氧化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种。
其中，所述陶瓷材料与所述稀土元素化合物的质量比为80％∶20％～99.99％∶0.01％，例如，为98∶2，或者99∶1。
金属衬底可以由不锈钢箔制成。背电极可以由Mo制成。在发明实施例中，薄膜太阳能电池可以为CIGS薄膜太阳能电池。
可以采用气相沉积方式在金属衬底上形成阻挡层。其中，气相沉积方式一般可以分为两类，一类是物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)方式，一类是化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)方式。在本步骤中，可以采用PVD方式在金属衬底上形成阻挡层，也可以采用CVD方式在金属衬底上形成阻挡层，本发明实施例对此不做限定。示例的，当采用PVD方式在金属衬底上形成阻挡层时，可以采用磁控溅射镀膜方式、多弧离子镀膜方式或热蒸发镀膜方式等在金属衬底上形成阻挡层。
在本发明实施例中，所述金属氧化物选自以下物质组成的组：氧化铝(AlxOy)、氧化锆(ZrxOy)、氧化钼(MoxOy)、氧化钛(TixOy)、氧化镍(NixOy)、氧化铬(CrxOy)、氧化锌(ZnxOy)。所述金属氮化物选自以下物质组成的组：氮化铝(AlxNy)、氮化锆(ZrxNy)、氮化钼(MoxNy)、氮化钛(TixNy)、氮化镍(NixNy)、氮化铬(CrxNy)、氮化锌(ZnxNy)。
所述稀土元素氧化物为以下物质的至少一种：氧化镧(LaxOy)、氧化铈(CexOy)、氧化镨(PrxOy)、氧化钕(NdxOy)、氧化钷(PmxOy)、氧化钐(SmxOy)、氧化铕(EuxOy)、氧化钆(GdxOy)、氧化铽(TbxOy)、氧化镝(DyxOy)、氧化钬(HoxOy)、氧化铒(ErxOy)、氧化铥(TmxOy)、氧化镱(YbxOy)、氧化镥(LuxOy)、氧化钇(YxOy)、氧化钪(ScxOy)的一种。所述稀土元素氮化物为以下物质的至少一种：氮化镧(LaxNy)、氮化铈(CexNy)、氮化镨(PrxNy)、氮化钕(NdxNy)、氮化钷(PmxNy)、氮化钐(SmxNy)、氮化铕(EuxNy)、氮化钆(GdxNy)、氮化铽(TbxNy)、氮化镝(DyxNy)、氮化钬(HoxNy)、氮化铒(ErxNy)、氮化铥(TmxNy)、氮化镱(YbxNy)、氮化镥(LuxNy)、氮化钇(YxNy)、氮化钪(ScxNy)的一种。
示例的，在本步骤中，可以将金属-稀土元素合金作为溅射靶材，将Ar+O2作为工艺气体(即溅射时通入的气体)，采用磁控溅射镀膜方式在金属衬底上形成一层阻挡层，在溅射过程中，实现氧元素的添加，形成金属氧化物和稀土元素氧化物。或者，将金属-稀土元素合金作为溅射靶材，将Ar+N2作为工艺气体，采用磁控溅射镀膜方式在金属衬底上形成一层阻挡层，在溅射过程中，实现氮元素的添加，形成金属氮化物和稀土元素氮化物。
例如，在不锈钢衬底表面采用磁控溅射法沉积一层Al2O3掺杂Y2O3的阻挡层，溅射靶材为AlY合金靶，Al2O3与Y2O3质量百分比为98∶2，工艺气体采用Ar+O2，本底真空为5*10- 4Pa，工作气压为0.5Pa，脉冲频率为100kHz，脉冲宽度为6μs，溅射功率密度为3W/em2，靶基距为60mm，制得厚度为200nm的阻挡层。类似地，可以在不锈钢衬底表面采用磁控溅射法沉积一层Al2N3掺杂Y2N3的阻挡层，溅射靶材为AlY合金靶，此时，工艺气体采用Ar+N2即可实现。
示例的，在本步骤中，还可以将金属氧化物-稀土元素化合物、金属氮化物-稀土元素化合物、(金属氧化物+金属氮化物)-稀土元素化合物的混合材料作为溅射靶材，将Ar作为工艺气体，采用磁控溅射镀膜方式在金属衬底上形成一层阻挡层。通常，将金属氧化物、金属氮化物、稀土元素化合物以粉末的形式进行混合，作为溅射靶材。该三种物质的粒径一般为100纳米以下。
例如，在不锈钢衬底表面采用磁控溅射法沉积一层ZrO2掺杂La2O3的阻挡层，溅射靶材为ZrO2-La2O3复合靶，ZrO2与La2O3质量百分比为99∶1，工艺气体采用Ar，本底真空为5*10-4Pa，工作气压为0.6Pa，电源频率为13.56MHz，占空比为40％，溅射功率密度为0.5W/cm2，靶基距为60mm，制得厚度为150nm的阻挡层。
步骤102、在阻挡层上形成背电极。
如图2所示，在阻挡层2上形成背电极3。示例的，可以采用磁控溅射镀膜方式在阻挡层上形成背电极。
步骤103、在背电极上依次形成吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极。
如图2所示，在背电极3上依次形成吸收层4、缓冲层5、窗口层6和顶电极7。形成吸收层、缓冲层、窗口层和顶电极的方式可以有多种，比如可以采用共蒸发方式在背电极上形成吸收层，采用化学水浴方式在吸收层上形成缓冲层，采用磁控溅射镀膜方式在缓冲层上形成窗口层，采用磁控溅射镀膜方式在窗口层上形成顶电极。上述磁控溅射镀膜方式、化学水浴方式、共蒸发方式均为现有技术中常用的方式，在此对其操作过程以及操作参数不做赘述。
综上所述，本发明实施例提供的薄膜太阳能电池的制备方法，由于在金属衬底上形成阻挡层，可以有效阻挡金属衬底中的有害元素通过背电极向吸收层扩散，因此，可以提高薄膜太阳能电池的光电转换性能。且该制备方法工艺简单，易于实现产业化生产。
需要理解的是，本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池，包括：
金属衬底和背电极，所述金属衬底和背电极之间设置有阻挡层，其中，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氧化物和金属氮化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，
所述陶瓷材料与所述稀土元素化合物的质量比为80％∶20％～99.99％∶0.01％。
3.根据权利要求1或2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，
所述金属氧化物选自以下物质组成的组：氧化铝、氧化锆、氧化钼、氧化钛、氧化镍、氧化铬、氧化锌。
4.根据权利要求1或2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，
所述金属氮化物选自以下物质组成的组：氮化铝、氮化锆、氮化钼、氮化钛、氮化镍、氮化铬、氮化锌。
5.根据权利要求1或2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，
所述阻挡层的厚度为0.01微米～3微米。
6.一种薄膜太阳能电池的制备方法，包括：
在金属衬底上形成阻挡层，所述阻挡层的材质为掺杂有稀土元素化合物的陶瓷材料，所述陶瓷材料选自金属氮化物和金属氧化物中的至少一种，所述稀土元素化合物选自稀土元素氧化物和稀土元素氮化物中的至少一种；
在所述阻挡层上形成背电极。
7.根据权利要求6所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，采用以下任一方式在所述金属衬底上形成所述阻挡层：磁控溅射、多弧离子镀、热蒸发镀膜、化学气相沉积。
8.根据权利要求6或7所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，
所述陶瓷材料与所述稀土元素化合物的质量比为80％∶20％～99.99％∶0.01％。
9.根据权利要求6或7所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，
所述金属氧化物选自以下物质组成的组：氧化铝、氧化锆、氧化钼、氧化钛、氧化镍、氧化铬、氧化锌。
10.根据权利要求6或7所述的薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于，
所述金属氮化物选自以下物质组成的组：氮化铝、氮化锆、氮化钼、氮化钛、氮化镍、氮化铬、氮化锌。
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