CN113113503A - 铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法。所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件包括多个电池块，电池块自下而上依次包括基底、背电极层、铜铟镓硒层、缓冲层、前电极层及金属栅极，金属栅极将多个电池块串接。相较于现有技术，本发明可以显著增加电池的导电效果，有助于提升透光度。此外，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件可以增加电池在各光波段的吸收，降低电池的串联电阻，从而可以增加FF和Voc，有助于提高电池性能，尤其是有助于提高电池的光电转换效率。本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件还具有电池初始性能佳、长期稳定性好等优点。本发明的制备方法简单，工艺过程易于控制，有利于提高生产良率、降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别是涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法。
背景技术
铜铟镓硒(CuInGaSe2，简称CIGS)薄膜太阳能电池是一种能够将光能转换成电能的器件，其基本结构包括p型CIGS和n型CdS/In2S3半导体材料相互接触后形成的pn异质结，其中pn结的内建电场的方向是由n型半导体指向P型半导体。铜铟镓硒电池光吸收系数高，目前已有产业化利用的成功先例；弱光特性好，光电转化效率高，最高转换效率可达22.6％。铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件效率发展具有可持续性，同时产品性能佳，比如温度系数小、弱光效应明显和无衰减；另外，其生产制备工艺绿色环保，颜色丰富，非常适合应用于光伏建筑一体化(BIPV)。
传统的铜铟镓硒电池制备过程中，前电极层采用单一的透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，简称TCO)层。透明导电氧化物的功能要求为高导电性、太阳光光谱区高透射率以及化学性能的相对稳定。应用在薄膜电池中的本征ZnO是不导电的，需掺杂其他元素实现导电。当前进一步改善TCO的性能存在以下问题：一是生产成本高，设备投入量大；二是生产工艺繁琐，有待进一步改善；三是国内的规模化生产发展不足，而且主要的镀膜设备基本依靠进口。这导致铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的性能，尤其是导致其光电转换率的进一步提升存在困难，不利于其大规模的推广应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法，用于解决现有技术中因采用单一的透明导电氧化物层作为前电极层，因透明导电氧化物的性能改善难度大，导致铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的性能，尤其是导致电池组件的光电转换效率难以进一步提升，不利于大规模的推广应用等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件包括多个电池块，所述电池块自下而上依次包括基底、背电极层、铜铟镓硒层、缓冲层、前电极层及金属栅极，所述金属栅极将所述多个电池块串接。
可选地，所述基底的材料包括不锈钢和玻璃中的一种或两种。
可选地，所述背电极层包括钼层，所述钼层的厚度为220～1500nm。
可选地，所述铜铟镓硒层的厚度为1500～2500nm。
可选地，所述缓冲层的材料包括硫化镉、硫化锌和硫化铟中的一种或多种，所述缓冲层的厚度为50～950nm。
可选地，所述前电极层的材料包括掺铝氧化锌、掺镁氧化锌和掺硼氧化锆中的一种或多种，所述前电极层的厚度为50～500nm。
可选地，所述金属栅极的厚度为10～150nm，所述金属栅极的材料包括银、铜和铝中的一种或多种。
本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法，所述制备方法包括步骤：
提供基底；
于所述基底的表面形成背电极层；
将所述背电极层分割成多个独立的电池块区域；
于所述电池块区域的表面形成铜铟镓硒层；
于所述铜铟镓硒层的表面形成缓冲层；
将形成所述缓冲层后得到的结构分割成多个独立的电池块，所述电池块与所述电池块区域一一对应；
于所述电池块的表面形成前电极层；
于所述前电极层的表面形成金属栅极，所述金属栅极将所述多个电池块串接。
对所述背电极层进行激光划线以将所述背电极层分割成多个独立的电池块区域，划线宽度为10～50um。
可选地，形成所述缓冲层的方法包括气相沉积法和化学浴沉积法中的一种或两种；形成所述铜铟镓硒层的方法包括溅射铜铟镓后进行硒化的方法以及共蒸法中的一种或两种。
可选地，所述制备方法还包括在形成所述金属栅极后于得到的结构表面敷设汇流条及进行后段封装的步骤。
可选地，形成所述金属栅极的步骤包括：
于所述前电极层的表面形成光阻层；
依掩膜对所述光阻层进行曝光及显影以定义出所述金属栅极的位置和形状；
于对应所述金属栅极所在的位置沉积金属以形成所述金属栅极；
去除所述光阻层。
可选地，所述光阻层为正性光阻层，沉积的所述金属包括银、铜和铝中的一种或多种。
可选地，采用氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种对所述光阻层进行显影。
可选地，采用二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种去除所述光阻层。
相较于现有技术，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法通过光刻技术以及金属膜层的沉积，可以显著增加导电效果，同时可以降低透明导电氧化物层的厚度，有助于提升透光度。此外，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件可以增加电池在各光波段的吸收，降低电池的串联电阻，从而可以增加FF(填充因子)和Voc(开路电压)，有助于提高电池性能，尤其是有助于提高电池的光电转换效率。本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件还具有电池初始性能佳、长期稳定性好等优点。本发明的制备方法简单，工艺过程易于控制，有利于提高生产良率、降低生产成本，有利于铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的大规模推广应用。
附图说明
图1显示为本发明实施例一中提供的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法的流程图。
图2至图15显示为依图1的制备方法各步骤所呈现的截面结构示意图，其中，图9及图10同时显示为本发明实施例二的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件在不同方向上的截面结构示意图。
元件标号说明
11 基底
12 背电极层
13 铜铟镓硒层
14 缓冲层
15 前电极层
16 金属栅极
17 光阻层
18 掩膜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图15。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法，所述制备方法包括步骤：
S1：提供基底11，具体如图2所示；
S2：于所述基底11的表面形成背电极层12，具体如图3所示；
S3：将所述背电极层12分割成多个独立的电池块区域，具体如图4所示；
S4：于所述电池块区域的表面形成铜铟镓硒层13，具体如图5所示；
S5：于所述铜铟镓硒层13的表面形成铜铟镓硒层14，具体如图6所示；
S6：将形成所述铜铟镓硒层14后得到的结构分割成多个独立的电池块，所述电池块与所述电池块区域一一对应，具体如图7所示；
S7：于所述电池块的表面形成前电极层15，具体如图8所示；
S8：于所述前电极层15的表面形成金属栅极16，所述金属栅极16将所述多个电池块串接，即所述金属栅极16横跨所述多个电池块，具体如图9及图10所示。
相较于现有技术，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法通过光刻技术以及金属膜层的沉积，可以显著增加导电效果，同时可以降低透明导电氧化物层的厚度，有助于提升透光度，有助于增加电池在各光波段的吸收，降低电池的串联电阻，从而可以增加FF(填充因子)和Voc(开路电压)，有助于提高电池性能，尤其是有助于提高电池的光电转换效率。基于本发明的制备方法制备的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件还具有电池初始性能佳、长期稳定性好等优点。本发明的制备方法简单，工艺过程易于控制，有利于提高生产良率、降低生产成本，有利于铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的大规模地推广应用。
作为示例，所述基底11的材料包括但不限于不锈钢和玻璃中的一种或两种，比如所述基底11可以为不锈钢或玻璃的单一材质结构，也可以是复合衬底，比如为不锈钢基板和玻璃基板层叠的复合结构。在进一步的示例中，所述基底11为钠钙玻璃，有助于提高电池的光电转换效率。当然，在其他示例中，所述基底11也可以为特种塑料基底或其他柔性基底，本实施例中不做严格限制。为了减少入反射损失，可以在所述基底11表面上涂覆一层减反射膜，减反射膜的材料包括但不限于MgF2、SiO2、Al2O3、SiO、Si3N4、TiO2、Ta2O5等中的一种或多种，形成减反射膜的方法包括但不限于真空镀膜法、离子镀膜法、溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等方法中的一种或多种。
作为示例，所述背电极层12包括但不限于钼层，所述钼层的厚度为220～1500nm，形成所述背电极层12的方法包括但不限于真空镀膜法、离子镀膜法、溅射法、印刷法或喷涂法等方法中的一种或多种。
作为示例，对所述背电极层12进行激光划线以将所述背电极层12分割成多个独立的电池块区域，划线宽度为10-50um，更优选地为25～40μm(包括端点值，后续在涉及数值区间描述时均包括端点值，对此不再单独说明)。将划线宽度设置在10-50um既可以避免不同电池块的相互导电，同时有助于避免因电池块之间的间距过宽导致电池的有效区域减少，且该划线宽度在工艺上易于实现。具体地，可采用红外激光进行划线。当然，在其他示例中，也可以采用刻蚀法，或者在形成所述背电极层12前先预留出划线区域，之后利用掩膜的遮挡以确保金属仅沉积在电池块区域以确保不同电池块区域的背电极层不相互连接，或者还可以在预定的划线区域对所述背电极层12进行高剂量的离子注入以使多个电池块相互绝缘，比如注入氧元素、硫元素等，这种方法有助于提高所述太阳能电池组件的稳固性性，避免水汽等渗透进相邻电池块区域之间，有助于提高太阳能电池组件的性能，延长其使用寿命。分割成多个独立的电池块区域有助于减少电池的串联电阻，提高光电转换效率。且作为示例，在完成划线后可以进行超声清洗以提高清洁度，提高电池性能。
作为示例，所述铜铟镓硒层13的厚度为1500～2500nm。所述铜铟镓硒层13作为光吸收层，有助于扩大光谱吸收范围，有助于提高光吸收率、提高光电转换率、降低生产成本。作为示例，形成所述铜铟镓硒层13的方法包括但不限于溅射铜铟镓后进行硒化的方法以及共蒸法中的一种或两种。
作为示例，所述铜铟镓硒层14的材料包括硫化镉(CdSnS)、硫化锌(ZnS)和硫化铟(InS)中的一种或多种，且在进一步的示例中，所述铜铟镓硒层14的厚度为50～950nm，这个厚度可以起到良好的缓冲作用，同时亦可以避免因过厚导致光损耗。所述铜铟镓硒层14有助于降低带隙的不连续性，改善晶格的匹配，有助于提高电池性能。
作为示例，形成所述铜铟镓硒层14后，采用激光划线(比如采用红外激光划线)将形成所述铜铟镓硒层14后得到的结构分割成多个独立的电池块，所述电池块与所述电池块区域一一对应，此过程中的划线从所述铜铟镓硒层14往下穿过所述铜铟镓硒层13直至所述背电池层的划线中。且作为示例，在完成划线后可以进行超声清洗以提高清洁度，提高电池性能。当然，在其他示例中，也可以采用刻蚀法，或者在形成所述铜铟镓硒层13和铜铟镓硒层14前先预留出划线区域，之后利用掩膜的遮挡以确保相应的材料仅沉积在对应电池块的区域以确保不同的所述电池块相互独立，或者也可以通过离子注入实现多个电池块之间的绝缘，本实施例中不做严格限制。
作为示例，所述前电极层15的材料包括但不限于掺铝氧化锌(AZO)、掺镁氧化锌(MAO)和掺硼氧化锆(BZO)等透明导电氧化物(TCO)材料中的一种或多种。且在进一步的示例中，所述前电极层15的厚度为50～500nm。作为示例，形成所述前电极层15后可以采用酸腐蚀或碱腐蚀或研磨方式将所述前电极层15制备成绒面，以减少光的反射，从而增加光的吸收率。且为了进一步减少入反射损失，可以在所述前电极层15表面形成减反射膜，减反射膜的材料包括但不限于MgF2、SiO2、Al2O3、SiO、Si3N4、TiO2、Ta2O5等中的一种或多种，形成减反射膜的方法包括但不限于真空镀膜法、离子镀膜法、溅射法、印刷法、PECVD法或喷涂法等中的一种或多种。且所述前电极层15的材料可以沉积在图7所示的整个结构上，之后再进行激光划线，或者先用掩膜等材料遮挡前述的划线区域以确保所述前电极层15的材料仅沉积在有效的电池块区域而不沉积在划线区域。
作为示例，所述金属栅极16的厚度为10～150nm，所述金属栅极16的材料包括但不限于银、铜和铝中的一种或多种。本实施例中，由于增加了所述金属栅极16，因而所述前电极层15的厚度较现有技术中的透明氧化物(TCO)的导电层可以相应做薄，比如比现有技术中常用的厚度小50～100nm左右，有助于提升透光度，有助于增加电池在各光波段的吸收，降低电池的串联电阻，从而可以增加FF(填充因子)和Voc(开路电压)，有助于提高电池性能，尤其是有助于提高电池的光电转换效率。
作为示例，如图11-15所示(需要特别说明的是，为使图示尽量简洁，图11-15未示意出所述基底11、背电极层12、铜铟镓硒层13及铜铟镓硒层14，且图11-15为与图2-9在不同方向上的截面结构示意图)，形成所述金属栅极16的步骤包括：
于所述前电极层15的表面形成光阻层17，比如采用旋涂或喷涂形成所述光阻层17，且在形成所述光阻层17后可进行热烘以烘干所述光阻层17，具体如图11所示；
依掩膜18对所述光阻层17进行曝光及显影以定义出所述金属栅极16的位置和形状，且作为示例，所述金属栅极16为条状，且所述金属栅极16可以为多个，比如为2个或2个以上，多个所述金属栅极16平行间隔分布，具体如图12及13所示；
于对应所述金属栅极16所在的位置沉积金属以形成所述金属栅极16，此过程中，金属同时沉积在残余的光阻表面，具体如图14所示；
去除所述光阻层17，此过程中，位于所述光阻层17上的金属也将一并去除，得到的结构如图15所示。
当然，在其他示例中，也可进行定向沉积以形成所需的金属栅极16。
作为示例，所述光阻层17为正性光阻层17，采用正性光阻有助于提高光刻刻蚀精度。
作为示例，沉积的所述金属包括银、铜和铝中的一种或多种，沉积金属的方法包括但不限于溅射法。
作为示例，采用氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种对所述光阻层17进行显影。
作为示例，采用二甲基亚砜(DMSO)和N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种或两种去除所述光阻层17，此过程中，位于所述光阻层17上的金属也将被去除而仅保留位于所述前电极层15表面的金属，位于所述前电极层15表面的金属即为所述金属栅极16。
本实施例中采用光刻刻蚀技术形成所述金属电极，制备方法简单，工艺过程易于控制，有利于提高生产良率、降低生产成本，有利于所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的大规模推广应用。
作为示例，所述制备方法还包括在形成所述金属栅极16后于得到的结构表面敷设汇流条及进行后段封装的步骤，比如采用EVA胶将所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件和TPT、TPE等材质的背板相粘结，以保护所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件，提高电池组件的性能，并且可以进一步采用铝合金框架将得到的结构固定以进一步起到保护支撑作用。
实施例二
如图9及图10所示，本发明还提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件依实施例一的制备方法制备而成，故实施例一中对相同结构的描述可完全引用到本实施例中，具体请参考实施例一，出于简洁的目的对相同的内容尽量不重复记载。且需要特别说明的是，图9和图10是所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件在不同方向上的截面结构示意图，比如图9为图10沿箭头方向的截面结构示意图。所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件包括多个电池块，所述电池块自下而上依次包括基底11、背电极层12、铜铟镓硒层13、铜铟镓硒层14、前电极层15及金属栅极16，所述金属栅极16横跨所述多个电池块，即将所述多个电池块串接。
作为示例，所述基底11的材料包括但不限于不锈钢和玻璃中的一种或两种。
作为示例，所述背电极层12包括但不限于钼层，所述钼层的厚度为220～1500nm。
作为示例，所述铜铟镓硒层13的厚度为1500～2500nm。
作为示例，所述铜铟镓硒层14的材料包括但不限于硫化镉、硫化锌和硫化铟中的一种或多种，所述铜铟镓硒层14的厚度为50～950nm。
作为示例，所述前电极层15的材料包括但不限于掺铝氧化锌、掺镁氧化锌和掺硼氧化锆中的一种或多种，所述前电极层15的厚度为50～500nm。
作为示例，所述金属栅极16的厚度为10～150nm，所述金属栅极16可以为一个或多个，当为多个时，多个所述金属栅极16平行间隔分布。
发明人对本实施例的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的性能进行了测试。测试结果表明，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件相较于现有技术，光电转换效率可提升至少1～2个百分点。以1583X660mm规格的太阳能电池为例，现有的该规格的铜铟镓硒薄膜太阳能电池每片每年的发电量为140W，转换效率普遍为13.4％，如果光电转换率提升1％，比如转换效率从13.4％提升到14.4％，则每片发电量会由140W提升至150.5W，增加10.5W。以300MW/年的电池片产线算，发电量可从300MW增加到322.5MW，增加22.5M W/年，以1USD/1W来计算，增加的经济效益非常可观。这有助于铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的大规模推广应用，有助于国家的能源转型，有助于光伏建筑一体化的推进。
综上所述，本发明提供一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件包括多个电池块，所述电池块自下而上依次包括基底、背电极层、铜铟镓硒层、缓冲层、前电极层及金属栅极，所述金属栅极将所述多个电池块串接。相较于现有技术，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其制备方法通过光刻技术以及金属膜层的沉积，可以显著增加导电效果，同时可以降低透明导电氧化物层的厚度，有助于提升透光度。此外，本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件可以增加电池在各光波段的吸收，降低电池的串联电阻，从而可以增加FF(填充因子)和Voc(开路电压)，有助于提高电池性能，尤其是有助于提高电池的光电转换效率。本发明的铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件还具有电池初始性能佳、长期稳定性好等优点。本发明的制备方法简单，工艺过程易于控制，有利于提高生产良率、降低生产成本，有利于铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的大规模地推广应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有巨大的产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (12)
1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件，其特征在于，所述铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件包括多个电池块，所述电池块自下而上依次包括基底、背电极层、铜铟镓硒层、缓冲层、前电极层及金属栅极，所述金属栅极将所述多个电池块串接。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基底的材料包括不锈钢和玻璃中的一种或两种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述背电极层包括钼层，所述钼层的厚度为220～1500nm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述铜铟镓硒层的厚度为1500～2500nm；所述缓冲层的材料包括硫化镉、硫化锌和硫化铟中的一种或多种，所述缓冲层的厚度为50～950nm；所述前电极层的材料包括掺铝氧化锌、掺镁氧化锌和掺硼氧化锆中的一种或多种，所述前电极层的厚度为50～500nm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属栅极的厚度为10～150nm，所述金属栅极的材料包括银、铜和铝中的一种或多种。
6.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括步骤：
提供基底；
于所述基底的表面形成背电极层；
将所述背电极层分割成多个独立的电池块区域；
于所述电池块区域的表面形成铜铟镓硒层；
于所述铜铟镓硒层的表面形成缓冲层；
将形成所述缓冲层后得到的结构分割成多个独立的电池块，所述电池块与所述电池块区域一一对应；
于所述电池块的表面形成前电极层；
于所述前电极层的表面形成金属栅极，所述金属栅极将所述多个电池块串接。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：对所述背电极层进行激光划线以将所述背电极层分割成多个独立的电池块区域，划线宽度为10～50um。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：形成所述缓冲层的方法包括气相沉积法和化学浴沉积法中的一种或两种；形成所述铜铟镓硒层的方法包括溅射铜铟镓后进行硒化的方法以及共蒸法中的一种或两种。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述制备方法还包括在形成所述金属栅极后于得到的结构表面敷设汇流条及进行后段封装的步骤。
10.根据权利要求6至9任一项所述的制备方法，其特征在于，形成所述金属栅极的步骤包括：
于所述前电极层的表面形成光阻层；
依掩膜对所述光阻层进行曝光及显影以定义出所述金属栅极的位置和形状；
于对应所述金属栅极所在的位置沉积金属以形成所述金属栅极；
去除所述光阻层。
11.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述光阻层为正性光阻层，沉积的所述金属包括银、铜和铝中的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的制备方法，其特征在于：采用氢氧化钾和氢氧化钠中的一种或两种对所述光阻层进行显影，采用二甲基亚砜和N-甲基吡咯烷酮中的一种或两种去除所述光阻层。
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