CN110416325A - 一种薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种薄膜太阳能电池，设置背电极结构包括依次设置的支撑层、第一背电极层及第二背电极层；支撑层设置在基底的表面，用于增加背电极结构与基底的结合力；第一背电极层设置在支撑层背离基底一侧的表面，其电阻率小于Mo的电阻率小于Mo，其对光的反射率大于Mo对光的反射率，其对光的吸收率小于Mo对光的吸收率；第二背电极层设置在第一背电极层背离支撑层一侧的表面，第二背电极层为Mo。在Mo材料的第二背电极层下方设置相对于Mo具有较小电阻率、较大反射率以及较小吸收率的第一背电极层，可以采用较薄的Mo作为第二背电极层，在不增加背电极结构厚度的同时，提高对反射率，降低吸收率，降低阻抗，从而提高光电转换效率。

Description

一种薄膜太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳发电技术领域，更具体的说，涉及一种薄膜太阳能电池。
背景技术
随着科学技术的不断发展，越来越多的电子设备被广泛的应用于人们日常生活中，为人们的日常生活以及工作带来了巨大的便利，成为当今人们不可或缺的重要工具。电能是维持电子设备正常工作的前提条件。随着人类社会的不断进步，各种电子设备对电能的需求也越来越大，能源危机导致的电能短缺是当今人们不得不面对的一个重大难题。
利用太阳能发电是解决能源危机的一个重要发展方向。薄膜太阳能电池由于具有制作成本低、转换效率高、稳定性好以及能源回收周期端等优点，成为当今太阳发电领域的一个主要发展方向。
传统的薄膜太阳能电池中，一般是在基底表面制备一层Mo作为背电极，但是由于Mo对光具有较高的吸收率，在一定程度上限制了薄膜太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种薄膜太阳能电池，采用特定的背电极结构，相对于传统的Mo背电极，大大提高了光电转换效率。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池包括：
基底；
背电极结构，所述背电极结构包括依次设置的支撑层、第一背电极层以及第二背电极层；所述支撑层设置在所述基底的表面，用于增加所述背电极结构与所述基底的结合力；所述第一背电极层设置在所述支撑层背离所述基底一侧的表面，其电阻率小于Mo的电阻率，其对光的反射率大于Mo对光的反射率，其对光的吸收率小于Mo对光的吸收率；所述第二背电极层设置在所述第一背电极层背离所述支撑层一侧的表面，所述第二背电极层为Mo；
光电转换功能层，所述光电转换功能层设置在所述背电极结构背离所述衬底一侧的表面；
顶电极结构，所述顶电极结构位于所述光电转换功能层背离所述背电极结构一侧的表面。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述支撑层为Cr层、Cu层、Ni层、NiCr合金层、Nb层、氧化物层以及氮化物层中的任一种。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述氧化物层为氧化钛层、氧化锌层、氧化锡层、氧化硅层以及掺铝氧化锌层中的任一种；
所述氮化物层为氮化硅层、氮化钛层以及氮化铌层中的任一种。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述第一背电极层为Cu层、Au层以及Al层中的任一种。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述支撑层的厚度小于0.1μm。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述第一背电极层的厚度小于0.1μm。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述第二背电极层的厚度为0.1μm-0.4μm。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述基底为脱脂的钙钠玻璃。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述光电转换功能层包括吸收层，所述吸收层为CIGS层；
所述CIGS层中，Ga的浓度在厚度方向上由中间向两边递增，Cu的浓度在厚度方向上由中间向两边递减。
优选的，在上述薄膜太阳能电池中，所述光电转换功能层包括吸收层，所述吸收层为CIGS层；
所述CIGS层中，晶粒的尺寸由背电极结构指向顶电极结构的方向上逐渐增大。
通过上述描述可知，本发明技术方案提供的薄膜太阳能电池包括：基底；背电极结构，所述背电极结构包括依次设置的支撑层、第一背电极层以及第二背电极层；所述支撑层设置在所述基底的表面，用于增加所述背电极结构与所述基底的结合力；所述第一背电极层设置在所述支撑层背离所述基底一侧的表面，其电阻率小于Mo的电阻率，其对光的反射率大于Mo对光的反射率，其对光的吸收率小于Mo对光的吸收率；所述第二背电极层设置在所述第一背电极层背离所述支撑层一侧的表面，所述第二背电极层为Mo；光电转换功能层，所述光电转换功能层设置在所述背电极结构背离所述衬底一侧的表面；顶电极结构，所述顶电极结构位于所述光电转换功能层背离所述背电极结构一侧的表面。
可见，本发明技术方案中，在Mo材料的第二背电极层下方设置相对于Mo材料具有较小电阻率、较大反射率以及较小吸收率的第一背电极层，这样，可以采用较薄的Mo作为第二背电极层，在不增加背电极结构厚度的同时，提高对光的反射率，降低对光的吸收，降低背电极结构的阻抗，从而大大提高光电转换效率。而且通过设置所述支撑层可以提高背电极结构与所述基底的结合力，避免发生翘曲问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明技术方案提供的一种薄膜太能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种制备方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
自从第一个薄膜太阳能电池问世以来，薄膜太阳能电池以其在日光曝晒下性能稳定、抗辐射能力强，转化效率提升空间大、可沉积在柔性衬底上等优点，受到了光伏产业研究者的广泛关注。其产品可以基于刚性玻璃的大尺寸基板，在光照强烈的地方建造光伏发电站，也可用于建筑幕墙，BIPV(光伏建筑一体化)等。
薄膜太阳能电池一般是玻璃等廉价衬底上沉积6层或以上化合物半导体和金属薄膜材料，薄膜总厚度约3-4μm。薄膜太阳能电池的主要结构包括：基底(如钙钠玻璃)、背电极Mo、吸收层(如CIGS膜)、缓冲层(如CdS膜)、窗口层(如ZnO或AZO)以及顶电极(如Al如Ni等)。
薄膜太阳能电池结构中底电极最大的功能是将吸收层中产生的电流导出，所以其电阻率越低，电流损失越小，电池的性能越好。现行薄膜太阳能电池结构中的背电极为Mo电极，Mo电极可以与CIGS膜形成良好的欧姆接触，具有一定的光反射性，电阻低等优点，是优良的底电极材料，但其本身具有较高的吸收率，当太阳光通过窗口层、缓冲层，穿过吸收层CIGS膜，到达底Mo电极层时，除了一部分被Mo层反射回吸收层被利用，还有相当一部分光照被Mo电极自身吸收，不利于薄膜太阳能电池对太阳能的有效利用。
为了解决上述问题，本发明实施例提供的技术方案通过改变薄膜太阳能电池的背电极结构，在Mo材料的第二背电极层下方设置相对于Mo材料具有较小电阻率、较大反射率以及较小吸收率的第一背电极层，这样，可以采用较薄的Mo作为第二背电极层，在不增加背电极结构厚度的同时，提高对光的反射率，降低对光的吸收，降低背电极结构的阻抗，从而大大提高光电转换效率。而且通过设置所述支撑层可以提高背电极结构与所述基底的结合力，避免发生翘曲问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明技术方案提供的一种薄膜太能电池的结构示意图，该薄膜太阳能电池包括：基底11、背电极结构12、光电转换功能层13以及顶电极结构14。
所述背电极结构12包括依次设置的支撑层121、第一背电极层122以及第二背电极层123。所述支撑层121设置在所述基底11的表面，用于增加所述背电极结构12与所述基底11的结合力。所述第一背电极层122设置在所述支撑层121背离所述基底11一侧的表面，其电阻率小于Mo的电阻率，其对光的反射率大于Mo对光的反射率，其对光的吸收率小于Mo对光的吸收率。所述第二背电极层123设置在所述第一背电极层122背离所述支撑层121一侧的表面，所述第二背电极层122为Mo。
所述光电转换功能层13设置在所述背电极结构12背离所述衬底11一侧的表面。如图1所示，所示光电转换层13包括吸收层131，所示吸收层131为CIGS层。所述CIGS层中，Ga的浓度在厚度方向上由中间向两边递增，Cu的浓度在厚度方向上由中间向两边递减，这样可以使得吸收层131具有较高的光电转换效率。
特别的，所述CIGS层中，晶粒的尺寸由背电极结构12指向顶电极结构14的方向上逐渐增大，这样，一方面，在靠近背电极结构12的位置，由于CIGS层具有较小的晶粒尺寸，可以使得CIGS层较好的附着在背电极结构12表，另一方面，在远离背电极结构12的方向上，CIGS层的晶粒逐渐增大，可以使得其内部晶界减少，进而使得缺陷减少，可以提高光电转换效率。
如图1所示，所述光电转换功能层13中，所述吸收层131设置在所述第二背电极层123背离所述第一背电极层122一侧的表面。所述光电转换功能层13还包括缓冲层132以及窗口层133。所述缓冲层132设置在所述吸收层131背离所述背电极结构12一侧的表面。所述窗口层133设置在所述缓冲层132背离所述吸收层131一侧的表面。其中，所述缓冲层132可以为CdS层，其厚度可以为0.02μm-0.06μm，如可以为0.04μm；所述窗口层133可以为i-ZnO(本征ZnO半导体膜层)或者ZnO膜层，其厚度可以为0.03μm-0.08μm，如可以为0.05μm。
所述顶电极结构14位于所述光电转换功能层13背离所述背电极结构12一侧的表面。如图1所示，所述顶电极结构14包括透明导电层141以及顶电极142。所述透明导电层141设置在所述窗口层133背离所述缓冲层132一侧的表面。所述顶电极142设置在所述透明导电层141背离所述窗口层133一层的表面。
所述透明导电层141为透明AZO层(Al掺杂的ZnO膜层)。所述透明导电层141的厚度可以为0.4μm-10μm，例如可以为0.6μm。透明AZO层形成透明导电层141，与i-ZnO材质的窗口层133具有较好的附着力。所述顶电极142可以为预设电极图案的Al层或者Ni层，其厚度可以为0.03μm-0.08μm，例如可以为0.05μm。
本发明实施例所述薄膜太阳能电池中，所述基底11可以为玻璃基底，具体的，所述基底11可以为脱脂的钙钠玻璃。所述基底11的厚度以及尺寸可以根据需求设置，例如可以设置其厚度小于10mm，具体的，其厚度可以为0.55mm，其尺寸为1000mm×1000mm。
所述支撑层121为Cr层、Cu层、Ni层、NiCr合金层、Nb层、氧化物层以及氮化物层中的任一种。其中，所述氧化物层为氧化钛层、氧化锌层、氧化锡层、氧化硅层以及掺铝氧化锌层中的任一种；所述氮化物层为氮化硅层、氮化钛层以及氮化铌层中的任一种。所述支撑层121的厚度小于0.1μm，例如所述支撑层121的厚度可以为0.02μm。采用上述材料制备的所述支撑层121和玻璃材质的基底121之间的结合力要大于Mo与基底11的结合力，可以有效避免翘曲问题的发生。
本发明实施例所述薄膜太阳能电池中，通过相应的成膜工艺形成各层结构。所述支撑层121与所述基底11的结合力大于Mo金属层与基底11的结合力。所述支撑层不包括Mo，这样，通过所述支撑层可以比现有Mo背电极结构具有较好的结合效果，可以有效避免翘曲问题。由于支撑层11是用于增加基板11和背电极结构12的结合力，故其可以为导电层或是非导电层，通过其上方的第一背电极层122和第二背电极层123实现导电作用。
所述第一背电极层122为Cu层、Au层以及Al层中的任一种。本发明实施例所述薄膜太阳能电池中，所述第一背电极层122不包括Ag，虽然Ag相对于Mo具有较小的电阻率以及较大的反射率，但是Ag容易向上扩散到光电转换功能层13的吸收层131，从而会降低光电转换效率，如果采用Ag作为第一背电极层122，为了避免Ag向上扩散需要采用较大厚度的Mo作为第二背电极层123，一方面会增大厚度以及制作成本，另一方面，较大厚度的Mo作为第二背电极层123会导致对光具有较大的吸收，影响光电转换效率。可选的，所述第一背电极层122的厚度小于0.1μm，例如，所述第一背电极层122的厚度可以为0.02μm。
可选的，所述第二背电极层123的厚度为0.1μm-0.4μm，包括端点值。例如，所述第二背电极层123的厚度可以为0.2μm。传统的采用单层Mo作为背电极结构的薄膜太阳能电池一般需要厚度大于0.5μm的Mo作为背电极结构。
而本申请中通过所述背电极结构12具有三层结构，相对于传统的直接在基底采用Mo作为背电极结构的薄膜太阳能电池，支撑层121与基底11的结合力要大于Mo直接和基底的结合力。上述材料的支撑侧121表面可以很好的附着上述材料的第一背电极层122，二者之间具有较好的结合力，可以有效避免翘曲问题。
同时，由于所述第一背电极层122的电阻率小于Mo的电阻率小于Mo，其对光的反射率大于Mo对光的反射率，其对光的吸收率小于Mo对光的吸收率，因此，只需要在所述第一背电极层122表面设置一层较薄的Mo作为第二背电极层123，既可以使得背电极结构12具有较高的反射率以及较低的吸收率，同时还可以通过Mo材料的第二背电极层123实现与吸收层131较好的欧姆接触，并且复用Mo材料较为稳定的特性，避免背电极结构12对吸收层131的污染。
基于上述薄膜太阳能电池实施例，本发明另一实施例还提供了一种制备方法，用于制备上述实施例所述薄膜太阳能电池，所述制备方法如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种制备方法的流程示意图，该制备方法包括：
步骤S11：提供一基底。
该基底可以为脱脂的钙钠玻璃，厚度可以0.55mm，尺寸为1000mm×1000mm。
步骤S12：在基底的表面形成支撑层。
通过磁控溅射工艺形成该支撑层。具体的，使用磁控溅射装置，放电气体为Ar，溅射压力小于5Pa，如可以为0.5Pa，直流电源在上述基底上沉积Nb层作为支撑层。支撑层的厚度可以为0.02μm。
步骤S13：在支撑层的表面形成第一背电极层。
通过磁控溅射工艺形成该第一背电极层。具体的，使用磁控溅射装置，放电气体为Ar，溅射压力小于5Pa，如可以为0.5Pa，直流电源在上述支撑层的表面沉积Cu作为第一背电极层。第一背电极层的厚度可以为0.02μm。
步骤S14：在第一背电极层表面形成第二背电极层。
通过磁控溅射工艺形成第二背电极层。具体的，使用磁控溅射装置，放电气体为Ar，溅射压力小于5Pa，如可以为0.5Pa，直流电源在上述第一背电极层表面沉积Mo作为第二背电极层。第二背电极层的厚度可以为0.2μm。传统的单层Mo的背电极结构或是在Mo层下方设置Ag层的背电极结构，需要设置Mo层厚度大于0.5μm，以使得足够大厚度的Mo降低阻抗以及避免Ag向上扩散污染吸收层。
步骤S15：在第二背电极层表面形成吸收层。
可以通过该蒸镀工艺形成所述吸收层。具体的，在真空蒸镀装置的四个不同腔室中分别配置Cu、In、Se和Ga作为蒸镀源。当腔室内的真空度小于10-3Pa(如可以设定真空度为10-4Pa)时，使得具有Cu蒸镀源的腔室温度达到Cu的蒸镀温度1100℃，使得具有In蒸镀源的腔室温度达到In的蒸镀温度780℃，使得具有Ga蒸镀源的腔室温度达到Ga的蒸镀温度950℃，使得具有Se蒸镀源的腔室温度达到Se的蒸镀温度280℃，采用下述三步共蒸发方法在第二背电极层上形成CIGS层作为吸收层。
所述三步共蒸发方法包括：第一步，将基底温度维持在第一设定温度，如可以为400℃，同时蒸发In、Ga和Se，以使得该三种蒸镀源沉积；第二步，将基底温度升高至第二设定温度，如可以为500，并维持在该第二设定温度，同时蒸镀Cu和Se，以使该两种蒸镀源沉积；第三步，将基底温度升高至第三设定温度，如可以为520℃，并维持在该第三设定温度，同时蒸镀In、Ga和Se，以使得该三种蒸镀源沉积。最终形成的CIGS层厚度为1μm-3μm，具体可以为2μm。CIGS层中，Cu的含量为10％-30％，In的含量为10％-30％，Ga的含量为6％-8％，Se的含量为40％-60％，具体的Cu的含量可以为23.5％，In的含量可以为19.5％，Ga的含量可以为7％，Se的含量可以为50％。
本发明实施例所述制备方法中，在形成所述CIGS层时，设置三步共蒸发过程中，三个工艺阶段的温度各自恒定，且设置后一阶段的温度高于前一阶段的温度，这样，可以使得CIGS层中靠近背电极结构的部分晶粒较小，附着力较好，远离背电极结构的部分晶粒较大，晶界较少，缺陷少，从而提高转换效率。
第一步和第三步的蒸镀源具有Ga，第二步的蒸镀源没有Ga，这样，CIGS层中，工艺完成后，部分Ga扩散到中间部分，中间部分Ga含量较少，靠近上下两端的Ga含量较高。同样，分析，CIGS层中，中间部分Cu含量最大，靠近上下两端的Cu含量较低。第一步至第三步均有蒸镀源Se，Se的含量在厚度方向上均匀。这样，可以提高光电转换效率。
步骤S16：在吸收层表面形成缓冲层。
通过CBD(化学水浴法)在吸收层表面形成CdS层作为缓冲层。其厚度0.02μm-0.06μm，如可以为0.04μm。
步骤S17：在缓冲层表面形成窗口层。
通过磁控溅射工艺形成该窗口层。具体的，使用磁控溅射装置，放电气态为Ar，溅射压力小于5Pa，如可以为0.5Pa，射频电源在上述缓冲层上沉积i-ZnO作为窗口层。厚度为0.03μm-0.08μm，例如可以为0.05μm。
步骤S18：在窗口层表面形成透明导电层。
通过磁控溅射工艺形成该透明导电层。具体的，使用磁控溅射装置，放电气态为Ar，溅射压力小于5Pa，如可以为0.5Pa，射频电源在上述窗口层上沉积透明AZO层作为透明导电层。其厚度为0.4μm-10μm，例如可以为0.6μm。
步骤S19：在透明导电层表面形成顶电极。
通过磁控溅射工艺形成该顶电极。具体的，使用磁控溅射装置，放电气态为Ar，溅射压力小于5Pa，如可以为0.5Pa，直流电源在透明导电层上沉积Al层作为顶电极，其厚度为0.03μm-0.08μm，例如可以为0.05μm。
采用上述制备方法可以用于制备上述薄膜太阳能电池，制作工艺简单，制作成本低，且形成的薄膜太阳能电池具有较高的光电转换效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的制备方法而言，由于其与实施例公开的薄膜太阳能电池相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见薄膜太阳能电池相关部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述薄膜太阳能电池包括：
基底；
背电极结构，所述背电极结构包括依次设置的支撑层、第一背电极层以及第二背电极层；所述支撑层设置在所述基底的表面，用于增加所述背电极结构与所述基底的结合力；所述第一背电极层设置在所述支撑层背离所述基底一侧的表面，其电阻率小于Mo的电阻率，其对光的反射率大于Mo对光的反射率，其对光的吸收率小于Mo对光的吸收率；所述第二背电极层设置在所述第一背电极层背离所述支撑层一侧的表面，所述第二背电极层为Mo；
光电转换功能层，所述光电转换功能层设置在所述背电极结构背离所述衬底一侧的表面；
顶电极结构，所述顶电极结构位于所述光电转换功能层背离所述背电极结构一侧的表面。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述支撑层为Cr层、Cu层、Ni层、NiCr合金层、Nb层、氧化物层以及氮化物层中的任一种。
3.根据权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述氧化物层为氧化钛层、氧化锌层、氧化锡层、氧化硅层以及掺铝氧化锌层中的任一种；
所述氮化物层为氮化硅层、氮化钛层以及氮化铌层中的任一种。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述第一背电极层为Cu层、Au层以及Al层中的任一种。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述支撑层的厚度小于0.1μm。
6.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述第一背电极层的厚度小于0.1μm。
7.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述第二背电极层的厚度为0.1μm-0.4μm。
8.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述基底为脱脂的钙钠玻璃。
9.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光电转换功能层包括吸收层，所述吸收层为CIGS层；
所述CIGS层中，Ga的浓度在厚度方向上由中间向两边递增，Cu的浓度在厚度方向上由中间向两边递减。
10.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光电转换功能层包括吸收层，所述吸收层为CIGS层；
所述CIGS层中，晶粒的尺寸由背电极结构指向顶电极结构的方向上逐渐增大。
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