CN114050188A - 一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池及其制备方法，该碲化镉太阳能电池包括依次设置的衬底层、介电层、金属导电层、多功能层、窗口层、CdTe吸收层、背电极层和玻璃盖板。本发明的碲化镉太阳能电池及其制备方法，通过采用金属薄膜作为CdTe太阳能电池的电极材料，来提高CdTe太阳能电池的光能利用率、光电转化率及发电量。介电层可有效防止基板中的物质扩散进金属导电层，并且为金属导电层的生长提供比较平整的平面。合适的纳米抑制层可以增加金属导电层与多功能层之间的结合力。由于CdTe在高温下制备，所以金属导电层很容易出现扩散、团聚的问题，从而使得电极的导电性能下降，纳米抑制层的存在可以有效防止扩散的发生。

Description

一种基于多层膜电极的碲化镉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领域，尤其涉及一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能 电池及其制备方法。
背景技术
碲化镉(CdTe)薄膜太阳能电池的理论光电转化效率高达28％，目前已知 的CdTe太阳能电池的最高光电转化效率为22％。因此，受到科研机构及企业的 广泛关注，我国CdTe太阳能电池已由实验室研究阶段走向大规模工业化生产阶 段。作为CdTe薄膜太阳能电池的透明电极，TCO透明导电玻璃是CdTe薄膜太 阳能电池生产过程中必不可少的原材料。其可见光透过率及导电性能直接关系到 CdTe太阳能电池的光电转化效率。目前，CdTe太阳能电池制备中使用的透明电 极为FTO，这是因为FTO透明导电玻璃具有非常好的热稳定性。然而，FTO透 明导电玻璃的光电性能并不突出，因此限制了CdTe太阳能电池光电转化效率的 进一步提升及产业化的进程。
因此，开发一种高可见光透过率、高导电性的电极材料，并将其应用于CdTe 太阳能电池，以提高碲化镉太阳能电池的光能利用率及光电转化率，实属必要。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于多层膜电极的碲化镉 太阳能电池及其制备方法，解决现有技术中碲化镉太阳能电池光能利用率、光电 转化率低的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
本发明第一方面是提供一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，包括：
衬底层；
介电层，位于所述衬底层的表面上；主要起防止玻璃中的成分扩散进上部膜 层的作用，同时为上部膜层提供光滑的平面；
金属导电层，位于所述介电层的表面上；主要的导电层，与普通的TCO半 导体薄膜相比具有更加优异的导电能力；
多功能层，位于所述金属导电层的表面上；此膜层主要有三种作用：通过调 整此膜层厚度可以有效调节进入吸收层的光谱波段及强度；对金属导电层具有一 定的保护作用；由于窗口层较薄，镀膜过程中难免出现膜层不连续的现象，导致 CdTe层与金属层直接接触发生漏电现象，此功能层电阻较大，可有效防止漏电 现象；
窗口层，位于所述多功能层的表面上；
CdTe吸收层，位于所述窗口层的表面上；吸收太阳光产生载流子；
背电极层，位于所述CdTe吸收层的表面上；
玻璃盖板，位于所述背电极的表面上。
进一步地，所述金属导电层与所述多功能层之间设有纳米抑制层；或所述金 属导电层两侧均设置有纳米抑制层；所述纳米抑制层厚度为0.3-2nm。
进一步优选地，所述纳米抑制层为纳米金属球层，其材料为金属或合金，所 述纳米金属球的直径为0.3-2nm。
进一步地，所述衬底层的衬底材料选自玻璃材料、塑料材料或金属材料，具 有支撑作用及一定透光性；所述介电层为金属氧化物或氮化物。
进一步地，所述金属导电层的材料为Ag、Au、Cu、In、Cr、Ni的金属单质 或合金。
进一步地，所述多功能层的金属氧化物材料为SnO2、WO3、ZnO、SiO2、 AZO、FTO、ITO中的一种或几种。
进一步地，所述窗口层为CdS窗口层或CdSe窗口层；CdS为n型半导体， 与CdTe形成p-n结。
进一步地，所述背电极层的材料为Mo、Ag、Cu或Al金属；所述玻璃盖板 为超白浮法玻璃；所述背电极层和玻璃盖板之间通过胶膜材料粘结，所述胶膜材 料为PVB、EVA或POE。
进一步地，所述衬底层的厚度为0.5mm～10mm；所述窗口层的厚度为 50nm～300nm；所述CdTe吸收层的厚度为1μm～5μm；所述背电极的厚度为 1μm～3μm；所述玻璃盖板的厚度为0.5mm～10mm。
进一步地，所述介电层的厚度为20nm～200nm；所述金属导电层的厚度为 3nm～15nm；所述多功能层的厚度为20nm～200nm。多功能层的厚度需要根据金 属导电层厚度及各膜层折射率的不同做调整，从而起到增透膜的作用。
本发明第二方面是提供一种碲化镉太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，提供衬底材料；
步骤2，于所述衬底材料的表面上，通过磁控溅射技术形成介电层；
步骤3，于所述介电层表面上，通过磁控溅射技术形成金属导电层；
步骤4，于所述金属导电层表面上，通过磁控溅射技术形成多功能层；
步骤5，于所述多功能层表面上，通过近空间升华法形成窗口层；
步骤6，于所述窗口层的表面上，通过近空间升华法形成CdTe吸收层；
步骤7，退火工艺，退火温度低于300℃，优选为150-200℃；所述退火工 艺为同时对CdTe吸收层、金属导电层和多功能层进行热处理；
步骤8，于所述CdTe吸收层的表面上，通过磁控溅射法形成背电极层；
步骤9，于所述背电极层的表面上，封装玻璃盖板。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的碲化镉太阳能电池及其制备方法，通过采用金属薄膜作为CdTe太 阳能电池的电极材料，来提高CdTe太阳能电池的光能利用率、光电转化率及发 电量。金属导电层的导电性能明显优于传统的透明导电薄膜材料。介电层可有效 防止基板中的物质扩散进金属导电层，并且为金属导电层的生长提供比较平整的 平面。合适的纳米抑制层可以增加金属导电层与介电层和多功能层之间的结合 力。由于CdTe在高温下制备，所以金属导电层很容易出现扩散、团聚的问题， 从而使得电极的导电性能下降，纳米抑制层的存在可以有效防止扩散的发生。纳 米抑制层还可以以纳米金属球的形式沉积在金属导电层两侧，这样对于金属层也 有一定的钉扎作用，防止金属层的团聚。纳米抑制层分为两种，分别是纳米抑制 膜层和纳米抑制球层；通过控制溅射功率和镀膜时间来控制纳米抑制层的形貌。多功能层主要起光学控制和防漏电的作用，可以有效提高太阳能电池的光电转化 效率和使用寿命。
附图说明
图1为实施例1的碲化镉太阳能电池的多层膜电极的界面形貌电镜图；
图2为实施例1的碲化镉太阳能电池的结构层示意图，其中，1为超白浮法 玻璃、21为介电层、22为金属导电层、23为多功能层、3为CdS窗口层、4为 CdTe吸收层、5为Mo电极、6为玻璃盖板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。需要 说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组 合。
实施例1
本实施例提供一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池及其制备方法，上述 碲化镉太阳能电池包括依次设置的衬底层、介电层、金属导电层、多功能层、窗 口层、CdTe吸收层、背电极层和玻璃盖板。
制备工序如下：
a)提供3.2mm厚的超白浮法玻璃，在去离子水中利用毛刷清洗干净，并用 风刀吹干；
b)在清洗干净的超白浮法玻璃的上表面，通过磁控溅射法依次沉积介电层 SnO2、金属Ag层、多功能SnO2层，其厚度分别为50nm、8nm、50nm。
其中，SnO2层的制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用氧化锡陶瓷靶、溅射气体采用比例为19:1的Ar、O2，并选用射频 电源。
3)通入Ar、O2的混合气体，调节气压为2Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启射频电源，溅射功率为30W，预溅射15min后开始镀膜。
7)镀膜6min后取出样品。
其中，金属Ag层的制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用Ag金属靶、溅射气体为Ar，并选用直流电源。
3)通入Ar气体，调节气压为0.5Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启直流电源，溅射功率为15W，预溅射15min。调整功率为5W开始 镀膜。
7)镀膜40s后取出样品。
c)将工序b)中的样品取出，通过近空间升华法，在沉积温度为250℃的条 件下，沉积50nm厚的CdS窗口层，并在沉积温度为450℃的条件下，沉积2μm 厚的CdTe吸收层。同时对上述CdTe吸收层、金属导电层和多功能层进行热处 理(退火处理)，退火温度150-200℃。
d)将工序c)中的样品取出，利用磁控溅射法，进行Mo电极的沉积，其厚 度为2μm。
e)采用PVB封装材料，将工序d)中的样品与玻璃盖板进行层压封装，完 成本实施例的基于多层膜电极的CdTe太阳能电池的制备。
实施例2
本实施例提供一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池及其制备方法，上述 碲化镉太阳能电池包括依次设置的衬底层、介电层、金属导电层、纳米抑制层、 多功能层、窗口层、CdTe吸收层、背电极层和玻璃盖板。
制备工序如下：
a)提供2mm厚的超白浮法玻璃，在无水乙醇中超声清洗10min，取出后晾 干；
b)在清洗干净的超白浮法玻璃的上表面，通过磁控溅射法依次沉积介电层 SnO2、金属Ag层、纳米抑制层NiCr、多功能SnO2层，其厚度分别为50nm、 8nm、1nm、50nm。
其中，SnO2层的制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用氧化锡陶瓷靶、溅射气体采用比例为19:1的Ar、O2，并选用射频 电源。
3)通入Ar、O2的混合气体，调节气压为2Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启射频电源，溅射功率为30W，预溅射15min后开始镀膜。
7)镀膜6min后取出样品。
其中，金属Ag层制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用Ag金属靶、溅射气体为Ar，并选用直流电源。
3)通入Ar气体，调节气压为0.5Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启直流电源，溅射功率为15W，预溅射15min。调整功率为5W开始 镀膜。
7)镀膜40s后取出样品。
其中，NiCr层制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用NiCr合金靶、溅射气体为Ar，并选用直流电源。
3)通入Ar气体，调节气压为0.5Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启直流电源，溅射功率为15W，预溅射15min。调整功率为3W开始 镀膜。
7)镀膜5s后取出样品。
c)将工序b)中的样品取出，通过近空间升华法，在沉积温度为500℃的条 件下，沉积100nm厚的CdS窗口层，并在沉积温度为550℃的条件下，沉积2μm 厚的CdTe吸收层。同时对上述CdTe吸收层、金属导电层和多功能层进行热处 理(退火处理)，退火温度150-200℃。
d)将工序c)中的样品取出，利用磁控溅射法，进行Mo电极的沉积，其厚 度为2μm。
e)采用POE封装材料，将工序d)中的样品与玻璃盖板进行层压封装，完 成本实施例的基于多层膜电极的CdTe太阳能电池的制备。
实施例3
本实施例提供一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池及其制备方法，上述 碲化镉太阳能电池包括依次设置的衬底层、介电层、纳米抑制层、金属导电层、 纳米抑制层、多功能层、窗口层、CdTe吸收层、背电极层和玻璃盖板。
制备工序如下：
a)超白浮法玻璃线上通过气相沉积的方法在锡槽内镀制50nm厚的SiO2膜， 形成3.2mm厚的具有SiO2膜层的超白浮法玻璃；
b)在去离子水中利用毛刷清洗干净，并用风刀吹干；
c)在清洗干净的所述玻璃的上表面，通过磁控溅射法依次沉积纳米抑制层 NiCr、金属Ag层、纳米抑制层NiCr、多功能SnO2层。其厚度分别为1nm、8nm、 1nm、50nm。
其中，SnO2层的制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用氧化锡陶瓷靶、溅射气体采用比例为19:1的Ar、O2，并选用射频 电源。
3)通入Ar、O2的混合气体，调节气压为2Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启射频电源，溅射功率为30W，预溅射15min后开始镀膜。
7)镀膜6min后取出样品。
其中，金属Ag层的制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用Ag金属靶、溅射气体为Ar，并选用直流电源。
3)通入Ar气体，调节气压为0.5Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启直流电源，溅射功率为15W，预溅射15min。调整功率为5W开始 镀膜。
7)镀膜40s后取出样品。
其中，NiCr层制备工艺参数及过程如下：
1)镀膜前，利用机械泵和分子泵将镀膜腔室抽真空至7×10-4Pa以下。
2)选用NiCr合金靶、溅射气体为Ar，并选用直流电源。
3)通入Ar气体，调节气压为0.5Pa。
5)调节靶距为5cm。
6)开启直流电源，溅射功率为15W，预溅射15min。调整功率为3W开始 镀膜。
7)镀膜5s后取出样品。
d)将工序c)中的样品取出，通过近空间升华法，在沉积温度为250℃的条 件下，沉积100nm厚的CdS窗口层，并在沉积温度为600℃的条件下，沉积2μm 厚的CdTe吸收层。同时对上述CdTe吸收层、金属导电层和多功能层进行热处 理(退火处理)，退火温度150-200℃。
d)将工序c)中的样品取出，利用磁控溅射法，进行Mo电极的沉积，其厚 度为2μm。
e)采用EVA封装材料，将工序d)中的样品与玻璃盖板进行层压封装，完 成本实施例的基于多层膜电极的CdTe太阳能电池的制备。
综上所述，本发明的碲化镉太阳能电池及其制备方法，通过将金属层作为导 电层来提高电极的导电能力，通过膜层设计对透光率进行设计，从而提高CdTe 太阳能电池的光能利用率和电子收集效率。
上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范 围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出 的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围 内。

Claims (10)

1.一种基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，包括：
衬底层；
介电层，位于所述衬底层的表面上；
金属导电层，位于所述介电层的表面上；
多功能层，位于所述金属导电层的表面上；
窗口层，位于所述多功能层的表面上；
CdTe吸收层，位于所述窗口层的表面上；
背电极层，位于所述CdTe吸收层的表面上；
玻璃盖板，位于所述背电极的表面上。
2.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述金属导电层与所述多功能层之间设有纳米抑制层；或所述金属导电层两侧均设置有纳米抑制层；所述纳米抑制层厚度为0.3-2nm。
3.根据权利要求2所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述纳米抑制层为纳米金属球层，其材料为金属或合金，所述纳米金属球的直径为0.3-2nm。
4.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述衬底层的衬底材料选自玻璃材料、塑料材料或金属材料；所述介电层为金属氧化物或氮化物。
5.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述金属导电层的材料为Ag、Au、Cu、In、Cr、Ni的金属单质或合金。
6.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述多功能层的金属氧化物材料为SnO2、WO3、ZnO、SiO2、AZO、FTO、ITO中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述窗口层为CdS窗口层或CdSe窗口层。
8.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述背电极层的材料为Mo、Ag、Cu或Al金属；所述玻璃盖板为超白浮法玻璃；所述背电极层和玻璃盖板之间通过胶膜材料粘结，所述胶膜材料为PVB、EVA或POE。
9.根据权利要求1所述的基于多层膜电极的碲化镉太阳能电池，其特征在于，所述衬底层的厚度为0.5mm～10mm；所述窗口层的厚度为50nm～300nm；所述CdTe吸收层的厚度为1μm～5μm；所述背电极的厚度为1μm～3μm；所述玻璃盖板的厚度为0.5mm～10mm。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的碲化镉太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，提供衬底材料；
步骤2，于所述衬底材料的表面上，通过磁控溅射技术形成介电层；
步骤3，于所述介电层表面上，通过磁控溅射技术形成金属导电层；
步骤4，于所述金属导电层表面上，通过磁控溅射技术形成多功能层；
步骤5，于所述多功能层表面上，通过近空间升华法形成窗口层；
步骤6，于所述窗口层的表面上，通过近空间升华法形成CdTe吸收层；
步骤7，退火工艺，退火温度低于300℃，所述退火工艺为同时对所述CdTe吸收层、金属导电层和多功能层进行热处理；
步骤8，于所述CdTe吸收层的表面上，通过磁控溅射法形成背电极层；
步骤9，于所述背电极层的表面上，封装玻璃盖板。
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