CN110854239A - 一种薄膜太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了薄膜太阳能电池制作方法，包括在衬底的第一表面形成前电极层；在前电极层背离衬底的表面形成窗口层；在窗口层背离前电极层的表面形成吸收层；在吸收层背离窗口层的表面形成氮化钛层；在氮化钛层背离吸收层的表面形成背电极层，得到待处理薄膜太阳能电池；在预设温度下，对待处理薄膜太阳能电池进行热处理，得到薄膜太阳能电池；其中，第一表面为衬底的上表面或者下表面。该方法形成层叠的衬底、前电极层、窗口层、吸收层、氮化钛层和背电极层后进行热处理，使电池产生形变，满足对形状的需求，且高温下氮化钛层性能稳定，可阻挡背电极层中的金属或杂质向吸收层扩散，提高电池的效率。本申请还提供具有上述优点的薄膜太阳能电池。

Description

一种薄膜太阳能电池及其制作方法
技术领域
本申请涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种薄膜太阳能电池及其制作方法。
背景技术
薄膜太阳能电池是太阳能电池中的一种，太阳能电池通过光电效应可以将太阳能转换为电能，这个过程不产生任何的污染物，并且太阳能储量无限，在全球面临的能源与环境危机下，太阳能电池行业迅速发展。
现有的薄膜太阳能电池在制作过程中，在玻璃衬底的下表面依次沉积有前电极层、窗口层、吸收层以及背电极层，得到规则平面型薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池因外观美观、弱光响应好及可制成不同的透光性，可代替传统的玻璃幕墙，在光伏建筑一体化上有着广泛的应用。但是，在某些特定场景下薄膜太阳能电池的应用，如与呈一定弧度的建筑或其它物体等结合，需要在一定温度下热处理，使之产生形变，以满足形状上的需求。然而，在较高温热处理过程中，会加剧背金属向吸收层扩散，恶化电池性能，降低其光电转换效率，难以满足对太阳能电池发电需求。
因此，如何制备非平面型预定形状且具有高性能的薄膜太阳能电池是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种薄膜太阳能电池及其制作方法，以得到具有非平面型预定形状的高性能薄膜太阳能电池。
为解决上述技术问题，本申请提供一种薄膜太阳能电池制作方法，包括：
在衬底的第一表面形成前电极层；
在所述前电极层背离所述衬底的表面形成窗口层；
在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层；
在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层；
在所述氮化钛层背离所述吸收层的表面形成背电极层，得到待处理薄膜太阳能电池；
在预设温度下，对所述待处理薄膜太阳能电池进行热处理，得到薄膜太阳能电池；
其中，所述第一表面为所述衬底的上表面或者下表面。
可选的，所述预设温度的取值范围为100℃至700℃，包括端点值。
可选的，在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层包括：
采用直流磁控溅射法、射频磁控溅射法、热蒸发法、等离子体化学气相沉积法中的任一种方法，在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成所述氮化钛层。
可选的，当采用直流磁控溅射法或射频磁控溅射法形成氮化钛层时，溅射功率的取值范围为400瓦至450瓦，溅射气压的取值范围为0.8帕至1.2帕，氩气与氮气的体积比的取值范围为1至50，包括所有端点值。
可选的，在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层之后，还包括：
在所述吸收层的背离所述窗口层的表面喷涂氯化镉，并进行退火处理。
可选的，在衬底的第一表面形成前电极层之后，还包括：
在所述前电极层背离所述衬底的表面形成前缓冲层；
相应的，在所述前电极层背离所述衬底的表面形成窗口层包括：
在所述前缓冲层背离所述前电极层的表面形成窗口层。
可选的，在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层之后，还包括:
在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成背缓冲层；
相应的，在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层包括：
在所述背缓冲层背离所述吸收层的表面形成氮化钛层。
本申请还提供一种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池由上述任一种所述的薄膜太阳能电池制作方法得到。
可选的，所述氮化钛层包括多层子氮化钛层，且多层所述子氮化钛层中氮含量不同。
可选的，所述氮化钛层中氮含量的取值范围为15％至30％，包括端点值。
本申请所提供的薄膜太阳能电池制作方法，包括：在衬底的第一表面形成前电极层；在所述前电极层背离所述衬底的表面形成窗口层；在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层；在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层；在所述氮化钛层背离所述吸收层的表面形成背电极层，得到待处理薄膜太阳能电池；在预设温度下，对所述待处理薄膜太阳能电池进行热处理，得到薄膜太阳能电池；其中，所述第一表面为所述衬底的上表面或者下表面。
可见，本申请中的薄膜太阳能电池制作方法，衬底的第一表面依次沉积有层叠的前电极层、窗口层、吸收层、氮化钛层以及背电极层，且在背电极层沉积结束后进行一定温度下热处理，高温时背电极层中的金属或者杂质向吸收层扩散，但氮化钛层在高温下性能稳定，可以有效阻挡背电极层中的金属或者杂质向吸收层扩散，避免恶化吸收层性能，使薄膜太阳能电池的效率得到提高。此外，本申请还提供一种具有上述优点的薄膜太阳能电池。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种薄膜太阳能电池制作方法的流程图；
图2为本申请实施例所提供的另一种薄膜太阳能电池制作方法的流程图；
图3为本申请实施例所提供的一种薄膜太阳能电池的结构示意图；
图4为本申请实施例所提供的另一种薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，为了使薄膜太阳能电池产生形变，需要在一定温度下对太阳能电池进行热处理，但是，在热处理过程中背金属易向吸收层扩散，导致太阳能电池性能较低。
有鉴于此，本申请提供了一种薄膜太阳能电池，请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种薄膜太阳能电池制备方法流程图，该方法包括：
步骤S101：在衬底的第一表面形成前电极层。
步骤S102：在所述前电极层背离所述衬底的表面形成窗口层。
具体的，可以采用磁控溅射法在前电极层背离衬底的表面制备窗口层。
步骤S103：在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层。
具体的，可以采用近空间升华法在窗口层背离前电极层的表面制备吸收层，并利用NP酸液(硝酸、磷酸、水组成的酸混合液)腐蚀吸收层背离窗口层的表面，并用氮气吹干该表面。
步骤S104：在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层。
具体的，可以采用直流磁控溅射法、射频磁控溅射法、热蒸发法、等离子体化学气相沉积法中的任一种方法，在吸收层背离窗口层的表面制备所述氮化钛层。
优选地，当采用直流磁控溅射法或射频磁控溅射法形成氮化钛层时，溅射功率的取值范围为400瓦至450瓦，溅射气压的取值范围为0.8帕至1.2帕，氩气与氮气的体积比的取值范围为1至50，包括所有端点值。
步骤S105：在所述氮化钛层背离所述吸收层的表面形成背电极层，得到待处理薄膜太阳能电池。
具体的，利用磁控溅射法在氮化钛层背离吸收层的表面制备背电极层。
步骤S106：在预设温度下，对所述待处理薄膜太阳能电池进行热处理，得到薄膜太阳能电池。
其中，所述第一表面为所述衬底的上表面或者下表面。
本实施例中对待处理太阳能电池进行一定温度下热处理，可以得到非平面预定形状的薄膜太阳能电池，以适应特定环境的需求。
进一步地，本实施例中在吸收层背离窗口层的表面沉积有氮化钛层，氮化钛在高温下性能稳定，可以有效阻挡背电极层中的金属或者杂质向吸收层扩散，避免吸收层产生缺陷以及发生界面复合，从而使得吸收层保持良好的性能，从而提高薄膜太阳能电池的功率。
可选的，在本申请的一个实施例中，所述预设温度的取值范围为100℃至700℃，包括端点值，可根据实际情况选择热处理温度。
本实施例中的薄膜太阳能电池制作方法，在衬底的第一表面依次沉积有层叠的前电极层、窗口层、吸收层、氮化钛层以及背电极层，且在背电极层沉积结束后在一定温度下热处理，使太阳能电池产生形变，以满足对形状的需求，由于氮化钛层在高温下性能稳定，可以有效阻挡背电极层中的金属或者杂质向吸收层扩散，避免金属扩散形成光生载流子复合中心，使薄膜太阳能电池的效率得到提高。
优选地，在本申请的一个实施例中，在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层之后，还包括：
在所述吸收层的背离所述窗口层的表面喷涂氯化镉，并进行退火处理。
具体的，氯化镉的浓度在0.1％至5％之间，退火温度在380℃至460℃之间，包括所有端点值。氯化镉可以促进吸收层晶界合并，减少缺陷，提高掺杂浓度，并且可以促进PN结界面材料互扩，减少PN结界面复合。
请参考图2，图2为本申请实施例所提供的另一种薄膜太阳能电池制备方法流程图，该方法包括：
步骤S201：在衬底的第一表面形成前电极层。
步骤S202：在所述前电极层背离所述衬底的表面形成前缓冲层。
具体的，可以采用磁控溅射法在前电极层背离衬底的表面形成前缓冲层。
本实施例中形成前缓冲层的目的是，一方面阻止或减弱窗口层在后续生产工艺中向前电极层2扩散而消耗掉，使薄膜太阳能电池效率降低；另一方面因为窗口层对短波有较强的吸收作用，导致对太阳能光线的利用率降低，前缓冲层可以减薄窗口层的厚度，提高薄膜太阳能电池对太阳光短波段的吸收利用，提高薄膜太阳能电池的光电转换效率。
步骤S203：在所述前缓冲层背离所述前电极层的表面形成窗口层。
步骤S204：在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层。
步骤S205：在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成背缓冲层。
需要说明的是，本实施例中对背缓冲层的沉积方法不做具体限定，视背缓冲层的具体种类而定。例如，当背缓冲层为碲、碲化锡时，可以采用热蒸发法；当背缓冲层为掺铜碲化锌时，可以采用磁控溅射法；当背缓冲层为掺铜碳浆时，可以采用丝网印刷法。
本实施例中形成背缓冲层的目的是增加金属与吸收层表面之间的接触，降低薄膜太阳能电池的串联电阻，提高填充因子和薄膜太阳能电池效率。
步骤S206：在所述背缓冲层背离所述吸收层的表面形成氮化钛层。
步骤S207：在所述氮化钛层背离所述吸收层的表面形成背电极层，得到待处理薄膜太阳能电池。
步骤S208：在预设温度下，对所述待处理薄膜太阳能电池进行热处理，得到薄膜太阳能电池。
其中，所述第一表面为所述衬底的上表面或者下表面。
本申请还提供一种薄膜太阳能电池，所述薄膜太阳能电池上述任一种所述的薄膜太阳能电池制作方法得到。请参考图3，薄膜太阳能电池至少包括由上至下依次层叠的衬底1、前电极层2、窗口层3、吸收层4、氮化钛层5、背电极层6。
一般的，衬底1为玻璃衬底，前电极层2的材料为透明导电氧化物，例如，氧化锌、氧化铟、氧化锡、掺铝氧化锌、掺铟氧化锌等。背电极层6一般选用钼、铬等高熔点金属包裹导电性性好的金属构成复合背电极层。
需要指出的是，本实施例中对吸收层4的材料不做具体限定，视情况而定。例如，吸收层4可的材料以为碲化镉或者铜铟镓硒，相应的，薄膜太阳能电池为碲化镉太阳能电池或者铜铟镓硒太阳能电池。
具体的，当吸收层4的材料为碲化镉时，窗口层3可以为硫化镉，当吸收层4的材料为铜铟镓硒时，窗口层3可以为硫化锌或者氧化锌等。
优选地，在本申请的一个实施例中，窗口层3的厚度取值范围为5纳米至100纳米，包括端点值，以提高薄膜太阳能电池对短波段的吸收利用。
一般的，吸收层4的厚度取值范围为2微米至6微米，包括端点值。
本实施例中的太阳能电池是由以下方法得到：在衬底的第一表面依次沉积有层叠的前电极层、窗口层、吸收层、氮化钛层以及背电极层，且在背电极层沉积结束后进行一定温度下的热处理，使太阳能电池产生形变，满足形状上的需求。尽管在热处理下，背电极层中的金属或者杂质向吸收层扩散，但是氮化钛层性能稳定，可以有效阻挡背电极层中的金属或者杂质向吸收层扩散，避免金属扩散形成光生载流子复合中心，使薄膜太阳能电池的效率得到提高。
优选地，氮化钛层5中氮含量的取值范围为15％至30％，包括端点值，以使薄膜太阳能电池的性能达到最优。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，氮化钛层5包括多层子氮化钛层，且多层子氮化钛层中氮含量不同。
可以理解的是，子氮化钛层中氮含量的取值范围同样为15％至30％，包括端点值。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，氮化钛层5的厚度取值范围为80纳米至150纳米之间，包括端点值，避免氮化钛层5的厚度太薄，对背电极层6中的金属或者杂质的扩散阻挡作用弱，同时避免氮化钛层5的厚度太厚，由于氮化钛本身电阻较高，若氮化钛层5的厚度太厚导致薄膜太阳能电池光电转换效率降低。
请参考图4，图4为本申请实施例所提供的另一种薄膜太阳能电池的结构示意图。
在上述任一实施例的基础上，薄膜太阳能电池还包括位于吸收层4与氮化钛层5之间的背缓冲层8，背缓冲层8可以增加金属与吸收层4表面之间的接触，降低薄膜太阳能电池的串联电阻，提高填充因子和薄膜太阳能电池效率。
需要说明的是，本实施中对背缓冲层8不做具体限定，可自行设置。例如，当吸收层4为碲化镉时，背缓冲层8可以为碲、掺铜碲化锌、掺铜碳浆、碲化锡等高P型掺杂浓度材料形成的缓冲层，当吸收层4为铜铟镓硒时，背缓冲层8可以为硒化钼。
具体的，以吸收层4为碲化镉吸收层为例进行具体说明。P型碲化镉的功函数较高，约5.7eV，一般地，氮化钛功函数约4.7eV，氮化钛直接与碲化镉接触会形成肖特基势垒，阻碍空穴的传输，导致薄膜太阳能电池性能提升受到限制，在碲化镉吸收层4与氮化钛层5之间插入背缓冲层8，由于背缓冲层8是具有较高掺杂浓度的P型材料形成的缓冲层，或者在后续的热处理工艺中与碲化镉吸收层4表面形成高掺杂浓度的P型材料，可以通过隧道效应传输空穴，可以进一步提升薄膜太阳能电池性能。
优选地，当背缓冲层8为用热蒸发法、磁控溅射法形成的缓冲层(如碲、碲化锡、掺铜碲化锌)时，背缓冲层8的厚度取值范围为10纳米至50纳米，当背缓冲层8为用丝网印刷形成的缓冲层(如掺铜碳浆)时，背缓冲层8的厚度取值范围为3微米至6微米，以提升薄膜太阳能电池的光电转换效率。
优选地，薄膜太阳能电池还包括：位于前电极层2与窗口层3之间的前缓冲层7。
需要说明的是，本实施中对前缓冲层7不做具体限定，可自行设置。例如，当吸收层4为碲化镉时，前缓冲层7可以为氧化锌掺镁缓冲层，或者氧化锡掺锌缓冲层等，当吸收层4为铜铟镓硒时，前缓冲层7可以硫化镉缓冲层。
本实施例中前缓冲层7的设置目的是，一方面阻止或减弱窗口层3在后续生产工艺中向前电极层2扩散而消耗掉，使薄膜太阳能电池的效率降低；另一方面因为窗口层3对短波有较强的吸收作用，导致对太阳能光线的利用率降低，前缓冲层7可以减薄窗口层3的厚度，提高薄膜太阳能电池对太阳光短波段的吸收利用，提高薄膜太阳能电池的光电转换效率。
优选地，前缓冲层7的厚度取值范围为5纳米至100纳米，包括端点值，避免前缓冲层7的厚度太薄，因为前缓冲层7主要是阻挡窗口层3的扩散，若太薄对窗口层3的阻挡作用会减弱，同时避免前缓冲层7的厚度太厚，因为前缓冲层7本身导电性差，若其厚度太厚，会增加薄膜太阳能电池的串联电阻，导致薄膜太阳能电池的功率降低。
下面提供在相同工艺流程下，本申请中的薄膜太阳能电池制备方法的的薄膜太阳能电池与无氮化钛(TiNx)层的常规薄膜太阳能电池电性能对比数据，请参见表1。
表1本申请中的薄膜太阳能电池与常规薄膜太阳能电池电性能对比
Figure BDA0002289745710000101
由表1可知，本申请中的薄膜太阳能电池在光电转换效率(Eff)、开路电压(Voc)、短路电流(Jsc)、填充因子(FF)等电性能上明显优于无氮化钛层的常规薄膜太阳能电池，这表明氮化钛层在热处理过程中对背电极层中的金属有较强的阻挡作用。此外，随着掺氮含量的增加，本申请中的薄膜太阳能电池的电性能显著提高，这是由于其功函数的提高，改善了背电极的接触性能。
需要指出的是，低氮含量、中氮含量、高氮含量之间并没有确定的界限，只代表相对情况。
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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的薄膜太阳能电池及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，包括：
在衬底的第一表面形成前电极层；
在所述前电极层背离所述衬底的表面形成窗口层；
在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层；
在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层；
在所述氮化钛层背离所述吸收层的表面形成背电极层，得到待处理薄膜太阳能电池；
在预设温度下，对所述待处理薄膜太阳能电池进行热处理，得到薄膜太阳能电池；
其中，所述第一表面为所述衬底的上表面或者下表面。
2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，所述预设温度的取值范围为100℃至700℃，包括端点值。
3.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层包括：
采用直流磁控溅射法、射频磁控溅射法、热蒸发法、等离子体化学气相沉积法中的任一种方法，在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成所述氮化钛层。
4.如权利要求3所述的薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，当采用直流磁控溅射法或射频磁控溅射法形成氮化钛层时，溅射功率的取值范围为400瓦至450瓦，溅射气压的取值范围为0.8帕至1.2帕，氩气与氮气的体积比的取值范围为1至50，包括所有端点值。
5.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层之后，还包括：
在所述吸收层的背离所述窗口层的表面喷涂氯化镉，并进行退火处理。
6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，在衬底的第一表面形成前电极层之后，还包括：
在所述前电极层背离所述衬底的表面形成前缓冲层；
相应的，在所述前电极层背离所述衬底的表面形成窗口层包括：
在所述前缓冲层背离所述前电极层的表面形成窗口层。
7.如权利要求1至6任一项所述的薄膜太阳能电池制作方法，其特征在于，在所述窗口层背离所述前电极层的表面形成吸收层之后，还包括:
在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成背缓冲层；
相应的，在所述吸收层背离所述窗口层的表面形成氮化钛层包括：
在所述背缓冲层背离所述吸收层的表面形成氮化钛层。
8.一种薄膜太阳能电池，其特征在于，所述薄膜太阳能电池由如权利要求1至7任一项所述的薄膜太阳能电池制作方法得到。
9.如权利要求8所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述氮化钛层包括多层子氮化钛层，且多层所述子氮化钛层中氮含量不同。
10.如权利要求8所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述氮化钛层中氮含量的取值范围为15％至30％，包括端点值。
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