CN112736148A - 一种具有高光电转换效率的柔性cigs薄膜电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，所述薄膜电池沿纵向依次包括CIGS光吸收层、缓冲层以及透明表面电极层；透明表面电极层依次包括高阻抗层和低阻抗层；CIGS光吸收层上表面刻蚀有多个凹齿结构，多个凹齿结构呈矩阵式排布；高阻抗层具有多个与凹齿结构相对应的凸起结构，凸起结构顶部开口且向下凸起，高阻抗层的凸起结构嵌入CIGS光吸收层上表面的凹齿结构中，低阻抗层的下表面形成有多个与凸起结构相对应的凸起块，凸起块嵌入顶部开口的凸起结构中，低阻抗层上表面呈连续平整结构。

Description

一种具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池
技术领域
本发明涉及一种具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池。
背景技术
光伏行业发展至今，产生了各式各样的电池，包括单晶、多晶电池，非晶薄 膜、CIGS薄膜、砷化镓薄膜、碲化镉薄膜电池以及有机化合物电池等，利用的 都是一个基本原理：电池内部半导体原子吸收光的能量由基态变为激发态，形成 具有电子-空穴对复合体结构的激子，其能在晶体中移动并传递能量(激子扩散 或迁移)，到达电池PN结界面后，在内建电场作用下，带负电的电子移动到节 面一边的N型区域，带正电的空穴则移动到节面另一边的p型区域，就有了电 荷的定向移动，产生光伏电流。起到电荷传输功能的电子、空穴则称之为载流子。 而光伏电池的光电转换效率与激子数量和激子寿命紧密相关，激子数量受半导体 材料自身光谱特性、光照强度和光线吸收率等影响，激子寿命受半导体自身材料 特性、晶体缺陷及杂质等影响。当选定一种半导体材料后，在标准光照强度下， 往往通过增加光线吸收率来提高激子数量，增加光电转换效率，例如表面制绒、 减反射镀膜、纳米槽或纳米柱等馅光结构，虽然纳米柱制绒能够显著提高电池陷 光效果，但是其表层纳米绒面部分却不利于横向电荷的输运，而且越是精细，制 绒深度越深，电荷传输越困难，造成透明表面电极实际有效用的膜层更薄，电阻 增大，反而降低效率；另外，激子迁移过程中，易被光吸收层的缺陷及杂质捕获， 或电子、空穴再复合，导致激子迁移过程中寿命很短，造成电池内部载流子减少， 电池光电转换效率降低。通过外源离子掺杂及其他物理手段消除光吸收层缺陷可 以在一定程度上提高激子寿命。但是通过外源离子掺杂的方法，除了有额外引入 杂质离子影响效率的风险外，还有就是即使成功在不引入杂质的条件下掺杂单质 金属(比如CIGS薄膜电池金属钠掺杂)在一定时间内有积极影响，但是随着光 伏组件在外界环境下的长期工作，钠的扩散流失会明显增加，积极效应逐渐退去， 激子寿命又再次大幅度下降。
激子扩散的短寿命使得其平均扩散距离很短，往往是靠近PN结界面的激子 能产生光生电流，电池深部区域即使吸收了光照产生许多载流子，由于激子扩散 中途湮灭，大部分都没能到达PN结界面形成电流，造成载流子利用率低。无机 硅材料类电池激子迁移的平均距离最佳，达到几微米级，CIGS薄膜电池、砷化 镓电池、碲化镉薄膜电池次之，最差的是有机薄膜类电池，最长距离不足200nm， 最差的仅有10nm，这也就是目前各类电池转换效率差别较大的一个深层次原因。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术中为提高光线吸收率通过表面纳米制绒馅光 会导致导电性降低的问题，以及针对提高激子扩散寿命通过掺杂光吸收层方法存 在的有效时间短的问题，提供一种具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池。
技术方案：本发明所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，所述 薄膜电池沿纵向依次包括CIGS光吸收层、缓冲层以及透明表面电极层；所述透 明表面电极层依次包括高阻抗层和低阻抗层；所述CIGS光吸收层上表面刻蚀有 多个凹齿结构，多个凹齿结构呈矩阵式排布；高阻抗层具有多个与凹齿结构相对 应的凸起结构，凸起结构顶部开口且向下凸起，高阻抗层的凸起结构嵌入CIGS 光吸收层上表面的凹齿结构中，低阻抗层的下表面形成有多个与凸起结构相对应 的凸起块，凸起块嵌入顶部开口的凸起结构中，低阻抗层上表面呈连续平整结构。
本发明所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，所述薄膜电池沿 纵向依次包括CIGS光吸收层、缓冲层以及透明表面电极层；所述透明表面电极 层依次包括高阻抗层和低阻抗层；所述CIGS光吸收层上表面刻蚀有多个凹齿结 构，多个凹齿结构呈矩阵式排布；高阻抗层具有多个与凹齿结构相对应的凸起结 构，高阻抗层的凸起结构嵌入CIGS光吸收层上表面的凹齿结构中，且高阻抗层 的凸起结构将凹齿结构填充满，低阻抗层沉积在高阻抗层上表面，低阻抗层上表 面呈连续平整结构。
其中，所述凸起结构与凹齿结构之间还夹有一层缓冲层。
其中，所述凹齿结构的横截面为矩形或锥型。
其中，所述CIGS光吸收层在丝印导电栅线的位置刻蚀有线槽结构，所述透 明表面电极层在与线槽结构对应的位置处设有向下凸的线状凹槽，向下凸的线状 凹槽嵌入CIGS光吸收层的线槽结构中，导电栅线的下端部嵌入线状凹槽中，导 电栅线的上端部向上延伸至线状凹槽外。
其中，所述导电栅线包括位于线状凹槽内的下端部和伸出线状凹槽的上端 部，所述导电栅线上端部与低阻抗层连接，导电栅线下端部与高阻抗层连接。
其中，所述导电栅线上端部的横截面呈半圆形或矩形，所述导电栅线下端部 的横截面呈矩形；所述导电栅线上端部为银栅线；所述导电栅线下端部为银栅线 或为掺杂有钠的银栅线，当为掺杂有钠的银栅线时，钠掺杂在银栅线的下端。
其中，所述导电栅线丝印在电池上，形成栅线电极；栅线电极为含至少一个 主栅线的栅线电极或栅线电极为无主栅栅线电极。
其中，所述栅线电极中的细栅线对应的线状凹槽的内径为49～79um，深度 为1.75～2.25um；栅线电极中的主栅线对应的线状凹槽的内径为999～1499um， 深度为1.75～2.25um。
其中，在距离电池外边缘0.1～1mm处设置隔离带，隔离带和与其对应的电池 边缘相互平行，隔离带在电池外围围合成环型；隔离带的宽度为0.02～0.05mm， 隔离带的深度为从电池上表面直达基板上表面。
有益效果：本发明薄膜电池一方面通过光吸收层与透明表面电极层形成的齿 合结构作为陷光结构增大光线吸收率，从而增大光吸收层中激子的数量，另一方 面通过光吸收层与透明表面电极层形成的齿合结构增大光吸收层与透明表面电 极层之间PN结的界面面积，从而使光吸收层下部区域产生的激子也能到达PN 结界面形成电流，从而有效提高载流子的利用率，两者协同大大增加了电池的光 电转换效率；本发明在解决了薄膜电池表面纳米制绒导致透明电极导电性降低的 问题的同时还通过提高载流子利用率解决了载流子扩散寿命短、从而扩散距离短 导致光电转换效率低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1薄膜电池的结构示意图；
图2为图1a-a剖视图；
图3为图2b-b剖视图；
图4为本发明实施例2薄膜电池的结构示意图；
图5为图4c-c剖视图；
图6为图5d-d剖视图；
图7为本发明实施例3薄膜电池的结构示意图；
图8为图7g-g剖视图；
图9为图8h-h剖视图；
图10为本发明实施例4薄膜电池的结构示意图；
图11为图10e-e剖视图；
图12为图11剖视图；
图13为嵌入式栅线电极上对光照的遮光情况；
图14为常规栅线与本发明栅线电极对斜射光照的遮光情况对比；
图15为光在陷光结构中多次反射后进入光吸收层的原理图；
图16为陷光结构有效增大透明表面电极层与光吸收层之间PN结界面面积 的原理图；
图17是本发明薄膜电池俯视图；
图18为图17G-G剖视图；
图19是掺钠银栅线的钠扩散原理图；
图20是常规不锈钢基底柔性CIGS电池高曲率示意图；
图21是本发明薄膜电池的低曲率示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步说明。
实施例1
如图1～3所示，本发明具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，薄膜电 池100沿纵向由下至上依次包括基板层1、背电极层2、反射层3、CIGS光吸收 层4、缓冲层5以及透明表面电极层；透明表面电极层依次包括高阻抗层6和低 阻抗层7；CIGS光吸收层上表面刻蚀有多个凹齿结构4-2，多个凹齿结构4-2呈 矩阵式排布；高阻抗层6具有多个与凹齿结构4-2相对应的凸起结构61，凸起结 构61顶部开口且向下凸起，高阻抗层6的凸起结构61嵌入CIGS光吸收层4上 表面的凹齿结构4-2中，低阻抗层7的下表面形成有多个与凸起结构61相对应 的凸起块71，凸起块71嵌入顶部开口的凸起结构61中，低阻抗层7的上表面 在CIGS光吸收层4设有凹齿结构4-2的对应位置具有微陷结构72(微陷结构 72向下微陷0.1nm)，因此不影响低阻抗层7上表面的连续平整性。
另外，CIGS光吸收层4在丝印导电栅线10的位置刻蚀有线槽结构4-1，在 线槽结构4-1的内侧壁和底部依次沉积有缓冲层5和透明表面电极层，因此透明 表面电极层在与线槽结构4-1对应的位置处形成了向下凸的线状凹槽62，向下凸 的线状凹槽62位于CIGS光吸收层4的线槽结构4-1中，将导电栅线10丝印入 线状凹槽62中。导电栅线10包括伸出线状凹槽62的部分-上端部10-2和位于 线状凹槽62内的部分-下端部10-1，导电栅线10的下端部10-1嵌入线状凹槽62 中，导电栅线10的上端部10-2向上延伸至线状凹槽62外(导电栅线10的上端 部10-2位于薄膜电池上表面)。导电栅线10上端部10-2与低阻抗层7连接，导 电栅线10下端部10-1与高阻抗层6连接。CIGS光吸收层4上呈矩阵式排布的 多个凹齿结构4-2介于相邻的线槽结构4-1之间(相邻的线槽结构4-1相互平行)。
将栅线电极80嵌入透明表面电极层及CIGS光吸收层4内部，有效增大了栅 线电极80与透明表面电极层的接触面积，更利于栅线电极80从透明电极层深处 收集电子，通过这样的方式降低了电池内部电阻，即降低了电池功率的损耗，从 而提升了电池输出功率，提升光电转换效率；另外，基于嵌入电池内部后栅线电 极80的导电性能增强，因此栅线电极80主栅线11和细栅线12的尺寸(栅线宽 度)在变得更小的情况下也不会造成电阻增加，并且电池表面栅线厚度(栅线高 度)也可以降低，从而能够有效降低电池表面栅线对垂直光照和斜射光照的遮光 影响，进而提高电池的有效受光面积；因此采用嵌入式栅线电极80制作的无主 栅电池或多主栅电池，均能在显著增加受光面积的同时保障电极的导电性能，从而增大电池的光电转换效率；最后，本发明采用的栅线电极结构能够增强电池的 散热性能，由于银栅线自身具有良好的导电导热性能，嵌入电池膜层内部的栅线 电极80能将电池工作时产生的热量从内部快速传导至电池表面散发出去，从而 能有效降低电池温度，保障电池发电性能的稳定。
图2中，导电栅线10上端部10-2的横截面呈半圆形，导电栅线10下端部 10-1的横截面呈矩形。导电栅线10为银栅线，或者导电栅线10上端部10-2为 银栅线，导电栅线10下端部10-1为掺杂有钠的银栅线。如图19所示，钠掺杂 在导电栅线10下端部10-1的末端，该钠源处于CIGS光吸收层4的凹齿结构4-2 内，钠能直接向CIGS光吸收层4的内部深度扩散，除了向下扩散还能从凹齿结 构4-2侧面向四周扩散(在CIGS光吸收层4内扩散)，最终在CIGS光吸收层4 形成深度更深、范围更广的钠掺杂，从而降低CIGS光吸收层4缺陷密度，提高 载流子浓度，进一步提升电池效率。掺杂的钠集中在银栅线末端，上端银栅线不 含钠，避免了钠在电池表面透明电极层的横向扩散而影响到透明电极层的结构稳 定性。
导电栅线10丝印在电池上，形成栅线电极80；实施例1为含有主栅11的栅 线电极80，栅线电极80中的细栅线12对应的线槽结构的内径为49～79um，深 度为1.75～2.25um；栅线电极80中的主栅线11对应的线槽结构的内径为999～ 1499um，深度为1.75～2.25um。
实施例1薄膜电池采用如下方法制备而成，具体步骤为：
(1)选用厚度为0.05～0.2mm，优选0.1～0.15mm厚的不锈钢基板，使用 丙酮对其擦洗清洁，方便镀膜；
(2)采用磁控溅射法在不锈钢基板上沉积0.5～1.5um，优选0.8～1um厚的 金属钼(Mo)作为背电极层，并接着在其上沉积一层0.1um厚的导电反射层；
(3)采用低温真空磁控溅射法，CIGS多元合金作为靶材，在导电反射层上 沉积一层1.5～2.5um，优选2um厚的CIGS光吸收层；
(4)在真空环境中，采用脉冲激光刻蚀工艺，按设计的刻蚀图案在CIGS 光吸收层上表面均匀刻蚀出多个凹齿结构，每个凹齿结构为独立结构，凹齿内径 为10um，相邻凹齿间距为10um，凹齿深度为0.75～1.25um；同时在导电栅线正 下方区域的CIGS光吸收层上表面刻蚀出深度为0.75～1.25um，宽度为50～80um 的线槽，其中主栅下方线槽宽度为1000～1500um，最终形成的线槽图案和顶层 导电栅线图案一一对应且垂直投影相重合；
(5)在具有凹齿结构及线槽结构的CIGS光吸收层上磁控溅射沉积一层50～ 100nm厚的缓冲层，其材料为硫化镉或其他无镉材料，采用脉冲激光刻蚀掉凹齿 及线槽内的部分缓冲层材料仅留下50～100nm厚的缓冲层，此时凹齿内径变为 9.8um～9.9um，相应的线槽宽度也变窄了一点，最终形成凹齿及线槽上表面均匀 包覆有缓冲层；
(6)在缓冲层上利用真空磁控溅射沉积一层约0.5um厚的透明表面电极子 层-高阻抗层，材料可选本征氧化锌ZnO或氧化铟锡ITO，采用脉冲激光刻蚀 掉凹齿内的部分高阻材料仅留下约0.5um厚的高阻抗层，凹齿直径进一步缩小为 8.8um～8.9um，此步线槽内的高阻材料无需刻蚀；
(7)在高阻抗层上采用真空磁控溅射法沉积一层约1um厚的透明表面电极 子层-低阻抗层，其将填满凹齿，并在电池上表面留下轻微凹坑，材料可选掺铝 氧化锌ZAO或氧化铟锌锡IZTO。之后经过真空高温退火处理，使电池内部各膜 层材料重构结晶，吸收层则具有了黄铜矿结构，自此溅射镀膜工艺完成；
(8)在透明表面电极低阻抗层上的栅线电极区域，再次通过脉冲激光刻蚀 工艺，从低阻抗层向高阻抗层开槽，深度直达高阻抗层凹槽底部但两侧和底部均 不触及缓冲层，最终形成49～79um宽，1.75～2.25um深的小线槽和999um～ 1499um宽，1.75～2.25um深的大线槽；
(9)选用低温导电银浆料作为栅线电极材料，采用和电池表面线槽图案一 致的印刷网板(网板线宽比线槽稍窄)进行第一次丝网印刷，经短暂烘干后采用 比线槽稍宽的印刷网版进行第二次丝网印刷，完成电池表面的电极印刷，使银浆 完全填满线槽，形成类T型结构的栅线电极，两次印刷均利用低频超声波设备 对印刷后的电池片处理，有助于银浆充分嵌入线槽中；
(10)将印刷后的电池片进行低温烧结，约200摄氏度，使银浆干燥固化成 型并与薄膜电池透明导电层形成欧姆接触；
(11)最后使用全自动图形化划线机，利用高精度针头，在距离电池边缘 0.1mm-1mm处(优选0.2-0.5mm，最优选0.3mm)沿其四周进行划线处理，刻 画出宽度为0.02-0.05mm，深度直达不锈钢基板上表面的隔离带90，自此电池制 备完成。
边缘缺陷造成的漏电流大部分是由于膜层太薄导致电阻过低或各层膜垂直 面上缺陷错位引起上层透明导电层与背电极层或不锈钢基板导通，而只要把距离 电池边缘0.1mm～1mm处的镀膜，沿着平行于电池边缘的路径从基板上移除，就 能得到一种具有一圈隔离带90(隔离带90宽度为0.02～0.05mm、深度为2～4um 或隔离带深度视镀层总厚度而定)的电池，如图17～18所示，隔离带90深度直 达基板1上表面，电池在后续组件封装阶段，胶膜融化填入隔离带90，因此隔 离带90内将填充有胶膜层，电池的绝缘隔离效果将进一步加强，边缘缺陷不再 影响电池中间正常区域，彻底消除了漏电影响。因此隔离带90结构可以有效避 免边缘缺陷对电池中心正常区域的影响，有效降低了整片电池漏电流，提高了电池并联电阻，进而协同提高了电池的光电转换效率，同时降低了因边缘漏电导致 的热斑，提高了电池使用寿命。经过大量试验证明，具有隔离带结构的电池转换 效率能进一步提升0.2％以上，边缘漏电热斑现象也得到显著改善。
以上步骤中的脉冲激光刻蚀还可以换成图形化掩膜板化学刻蚀工艺，同样可 以制得所需要的凹齿及线槽结构；还可用激光划线机代替高精度针头划线，也能 形成边缘隔离带。
实施例2
如图4～6所示，本发明具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，薄膜电 池100沿纵向由下至上依次包括基板层1、背电极层2、反射层3、CIGS光吸收 层4、缓冲层5以及透明表面电极层；透明表面电极层依次包括高阻抗层6和低 阻抗层7；CIGS光吸收层4上表面刻蚀有多个凹齿结构4-1，多个凹齿结构4-1 呈矩阵式排布；高阻抗层6具有多个与凹齿结构4-1相对应的凸起结构63，高阻 抗层6的凸起结构63嵌入CIGS光吸收层4上表面的凹齿结构4-1中，且高阻 抗层6的凸起结构63将凹齿结构4-1填充满，低阻抗层7沉积在高阻抗层6上 表面，低阻抗层7上表面呈平整连续结构。
实施例2薄膜电池的栅线电极80与实施例1一致，也为具有主栅的嵌入式 栅线电极。
实施例1薄膜电池采用如下方法制备而成，具体步骤为：
(1)选用厚度为0.05～0.2mm，优选0.1～0.15mm厚的不锈钢基板1，使用 丙酮对其擦洗清洁，方便镀膜；
(2)采用磁控溅射法在不锈钢基板1上沉积0.5～1.5um，优选0.8～1um厚 的金属钼(Mo)作为背电极层2，并接着在其上沉积一层0.1um厚的导电反射 层3；
(3)采用低温真空磁控溅射法，CIGS多元合金作为靶材，在导电反射层上 沉积一层1.5～2.5um，优选2um厚的CIGS光吸收层4；
(4)在真空环境中，采用脉冲激光刻蚀工艺，按设计的刻蚀图案在CIGS 光吸收层4上表面均匀刻蚀出多个凹齿结构4-2，每个凹齿结构4-2为独立结构， 凹齿4-2内径为10um，相邻凹齿4-2间距为10um，凹齿4-2深度为0.75～1.25um； 同时在导电栅线10正下方区域的CIGS光吸收层4上表面刻蚀出深度为0.75～ 1.25um，宽度为50～80um的线槽4-1，其中主栅下方线槽4-1宽度为1000～ 1500um，最终形成的线槽图案和顶层导电栅线图案一一对应且垂直投影相重合；
(5)在具有凹齿结构4-2及线槽结构4-1的CIGS光吸收层4上磁控溅射沉 积一层50～100nm厚的缓冲层5，其材料为硫化镉或其他无镉材料，采用脉冲激 光刻蚀掉凹齿4-2及线槽4-1内的部分缓冲层材料仅留下50～100nm厚的缓冲层 5，此时凹齿4-2内径变为9.8um～9.9um，相应的线槽4-1宽度也变窄了一点， 最终形成凹齿4-2及线槽4-1上表面均匀包覆有缓冲层5；
(6)在缓冲层5上利用真空磁控溅射沉积一层约0.5um厚的透明表面电极 子层-高阻抗层6，材料可选本征氧化锌ZnO或氧化铟锡ITO，凹齿4-2和线槽 4-1内的高阻材料无需刻蚀，即凹齿4-2和线槽4-1内被高阻抗材料填满；
(7)在高阻抗层6上采用真空磁控溅射法沉积一层约1um厚的透明表面电 极子层-低阻抗层7，低阻抗层材料完全填平高阻抗层，低阻抗层7材料可选掺 铝氧化锌ZAO或氧化铟锌锡IZTO。之后经过真空高温退火处理，使电池内部各 膜层材料重构结晶，吸收层则具有了黄铜矿结构，自此溅射镀膜工艺完成；
(8)在透明表面电极低阻抗层7上的栅线电极80区域，再次通过脉冲激光 刻蚀工艺，从低阻抗层7向高阻抗层6开槽，深度直达高阻抗层6凹槽62底部 但两侧和底部均不触及缓冲层5，最终形成49～79um宽，1.75～2.25um深的小 线槽和999um～1499um宽，1.75～2.25um深的大线槽；
(9)选用低温导电银浆料作为栅线电极材料，采用和电池表面线槽图案一 致的印刷网板(网板线宽比线槽稍窄)进行第一次丝网印刷，经短暂烘干后采用 比线槽稍宽的印刷网版进行第二次丝网印刷，完成电池表面的电极印刷，使银浆 完全填满线槽，形成类T型结构的栅线电极，两次印刷均利用低频超声波设备 对印刷后的电池片处理，有助于银浆充分嵌入线槽中；
(10)将印刷后的电池片进行低温烧结，约200摄氏度，使银浆干燥固化成 型并与薄膜电池透明导电层形成欧姆接触；
(11)最后使用全自动图形化划线机，利用高精度针头，在距离电池边缘 0.1mm-1mm处(优选0.2-0.5mm，最优选0.3mm)沿其四周进行划线处理，刻 画出宽度为0.02-0.05mm，深度直达不锈钢基板1上表面的隔离带90，自此电池 制备完成。
以上步骤中的脉冲激光刻蚀还可以换成图形化掩膜板化学刻蚀工艺，同样可 以制得所需要的凹齿及线槽结构；还可用激光划线机代替高精度针头划线，也能 形成边缘隔离带。
实施例3
如图7～9所示，实施例3和实施例1薄膜电池的唯一区别为：实施例3的栅 线电极80没有主栅线11。当栅线电极80不含主栅线11后，电池受光面积将进 一步增大，由于采用嵌入式栅线电极，因此在没有主栅线后，也不会对栅线电极 的导电性能产生太大影响，相比于现有含主栅线的栅线电极，导电性能相差不大， 但是远远大于现有的无主栅电池的导电性能。
实施例4
如图10～12所示，实施例4与实施例1薄膜电池的唯一区别为：实施例1中 CIGS光吸收层4上凹齿结构4-2的横截面呈矩形(俯视图图3中，凹齿结构4-2 为圆形)，实施例4中CIGS光吸收层4上凹齿结构4-2的横截面呈锥型(俯视 图图12中，凹齿结构4-2为方形)。
如图13所示，嵌入式栅线电极80的下端部(即栅线电极增大面积的部分) 嵌入电池内部，该区域本来就属于光线很难照射的区域，因此栅线电极扩大的面 积对电池吸收光线并无额外影响，反而是鉴于嵌入式栅线电极80导电性能的提 升，还可以将栅线电极上端部10-2设计得更窄更薄，进一步减少栅线对光线的 遮挡，提高光电转换效率的同时节省栅线浆料。
如图14所示，常规栅线与本发明栅线的剖面对比，本发明栅线结构的垂直 遮光面积S3和斜射遮光面积S4均小于常规栅线的垂直遮光面积S1和斜射遮光 面积S2。
如图15～16所示，本发明薄膜电池通过凹齿结构4-2形成多个陷光结构，即 透明表面电极层与光吸收层不再是平面接触，而是互相插入的齿合接触结构，即 透明表面电极层具有许多向下凹陷的凸起结构61或向下凸起的凸起结构63深入 光吸收层4，同样光吸收层4也有许多向上突出的结构插入透明表面电极层上相 邻的凸起结构(61或63)中，两种微结构的齿深度相同(凸起结构与突出的结 构深度相同)，当高阻抗层6的凸起结构61向下凹陷时，低阻抗层7也具有凸起 块结构7-1向下插入高阻抗层6上向下凹陷的凸起结构61中。这种齿合结构在 薄膜电池内部形成了微观陷光结构，光线入射进来时经过齿合界面的多次反射， 能增加光吸收；穿过光吸收层未被完全吸收的光线经光吸收层底部的反射层反射重新进入光吸收层会被再次吸收一部分，此后若仍有未吸收的光线在逃出光吸收 层而再次经过齿合界面时，仍旧是多次反射增加光吸收。这种陷光结构位于电池 内部，而电池表面(低阻抗层7上表面)仅有轻微凹坑结构或为连续平整结构， 故增加了陷光作用的同时又不降低表面电极层的导电性能。同时电池内部的膜层 齿合结构大大增加了PN结界面面积，除了每个齿结构的上下面形成PN结界面， 齿结构的侧面也能形成PN结界面，使得位于光吸收层上部齿结构中的激子或载 流子有更多的机会扩散到PN结界面形成光伏电流。其次，又由于透明表面电极 层的向下齿结构深入光吸收层下部(即齿结构底部的PN结变深了)，使得以往 光吸收层里下部那些很难远距离迁移的激子或载流子也有机会靠近PN结产生电流。最终更多的载流子有更多的机会参与发电，大幅提高载流子利用率，同时意 味着电流密度的增大，电池短路电流增大。深入光吸收层的透明电极高阻抗层齿 结构，以及深入高阻抗层齿结构中的低阻抗层齿结构，对从光吸收层内部收集到 的电子有更好的输运作用，即又再次降低了薄膜电池内阻，增加了电池输出功率， 提高了填充因子。凹凸结构还能减少透明电极层的用料，节省靶材成本，更薄的 表面透明电极层还能进一步增加入射光。本发明薄膜电池具有高载流子利用率的 特性。
如图20～21所示，具有本发明膜层齿合结构的薄膜电池具有更低的变形曲 率。以超薄不锈钢基板为基底的柔性CIGS电池，由于复合膜层与基底之间、各 膜层之间有不协调的弹性错配应变，加上薄膜自身的弹性应变，会让薄膜受到压 缩应力的作用，促使基底向着没有镀膜的一侧弯曲以达到整体平衡，最终形成的 电池片就会有较大弯曲曲率，严重影响后续电池制作工序，因翘曲带来的不良率 升高，严重时还能造成生产设备损坏及其他危险发生。由于基底上的复合膜层厚 度主要以CIGS吸收层为主，膜层齿合结构是从吸收层开始往上构建，且占了吸 收层近一半的厚度，使得CIGS吸收层上半层不再是水平连续面，这样薄膜整体 受到的压缩内应力将会显著降低，薄膜-基底体系弯曲曲率会更低，有利于后续 制作工序，提高产品良率。
本发明还能与掺钠缓冲层技术相结合，使掺钠缓冲层的效用进一步放大。当 本发明薄膜电池具有膜层齿合结构时，缓冲层中的钠除了能直接向下向CIGS光 吸收层内部深度扩散，还能从凹齿侧面向四周的CIGS光吸收层扩散，最终在 CIGS光吸收层中形成深度更深、范围更广的钠掺杂，从而进一步降低CIGS光 吸收层的缺陷密度，提高载流子浓度，进一步提升电池效率。

Claims (10)

1.一种具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述薄膜电池沿纵向依次包括CIGS光吸收层、缓冲层以及透明表面电极层；所述透明表面电极层依次包括高阻抗层和低阻抗层；所述CIGS光吸收层上表面刻蚀有多个凹齿结构，多个凹齿结构呈矩阵式排布；高阻抗层具有多个与凹齿结构相对应的凸起结构，凸起结构顶部开口且向下凸起，高阻抗层的凸起结构嵌入CIGS光吸收层上表面的凹齿结构中，低阻抗层的下表面形成有多个与凸起结构相对应的凸起块，凸起块嵌入顶部开口的凸起结构中，低阻抗层上表面呈连续平整结构。
2.一种具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述薄膜电池沿纵向依次包括CIGS光吸收层、缓冲层以及透明表面电极层；所述透明表面电极层依次包括高阻抗层和低阻抗层；所述CIGS光吸收层上表面刻蚀有多个凹齿结构，多个凹齿结构呈矩阵式排布；高阻抗层具有多个与凹齿结构相对应的凸起结构，高阻抗层的凸起结构嵌入CIGS光吸收层上表面的凹齿结构中，且高阻抗层的凸起结构将凹齿结构填充满，低阻抗层沉积在高阻抗层上表面，低阻抗层上表面呈连续平整结构。
3.根据权利要求1或2所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述凸起结构与凹齿结构之间还夹有一层缓冲层。
4.根据权利要求1或2所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述凹齿结构的横截面为矩形或锥型。
5.根据权利要求1或2所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述CIGS光吸收层在丝印导电栅线的位置刻蚀有线槽结构，所述透明表面电极层在与线槽结构对应的位置处设有向下凸的线状凹槽，向下凸的线状凹槽嵌入CIGS光吸收层的线槽结构中，导电栅线的下端部嵌入线状凹槽中，导电栅线的上端部向上延伸至线状凹槽外。
6.根据权利要求5所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述导电栅线包括位于线状凹槽内的下端部和伸出线状凹槽的上端部，所述导电栅线上端部与低阻抗层连接，导电栅线下端部与高阻抗层连接。
7.根据权利要求6所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述导电栅线上端部的横截面呈半圆形或矩形，所述导电栅线下端部的横截面呈矩形；所述导电栅线上端部为银栅线；所述导电栅线下端部为银栅线或为掺杂有钠的银栅线，当为掺杂有钠的银栅线时，钠掺杂在银栅线的下端。
8.根据权利要求6所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述导电栅线丝印在电池上，形成栅线电极；栅线电极为含至少一个主栅线的栅线电极或栅线电极为无主栅栅线电极。
9.根据权利要求8所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：所述栅线电极中的细栅线对应的线状凹槽的内径为49～79um，深度为1.75～2.25um；栅线电极中的主栅线对应的线状凹槽的内径为999～1499um，深度为1.75～2.25um。
10.根据权利要求1或2所述的具有高光电转换效率的柔性CIGS薄膜电池，其特征在于：在距离电池外边缘0.1～1mm处设置隔离带，隔离带和与其对应的电池边缘相互平行，隔离带在电池外围围合成环型；隔离带的宽度为0.02～0.05mm，隔离带的深度为从电池上表面直达基板上表面。
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