CN114050191A - 一种柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，包括：一柔性基底，柔性基底的上表面覆盖有一前电极层；一缓冲层，缓冲层位于前电极层上方并覆盖前电极层的上表面；一吸收层，吸收层位于缓冲层上方并覆盖缓冲层的上表面，吸收层为碲化镉薄膜；一背接触层，背接触层位于吸收层上方并覆盖吸收层的上表面；一保护层，保护层位于背接触层上方并覆盖背接触层的上表面；柔性基底、前电极层、缓冲层、吸收层、背接触层和保护层组成一柔性碲化镉薄膜太阳能电池。有益效果是本发明中的柔性碲化镉薄膜太阳能电池采用了碲化镉薄膜作为吸收层且将前电极层的厚度控制在110nm以下，具备更高的透光率及更低的方阻，可以减少光损失并提高发电功率。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜太阳能电池技术领域，尤其涉及一种柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构。
背景技术
薄膜太阳能电池是缓解能源危机的新型光伏器件，可以使用在价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数μm，目前转换效率最高可以达13％。
但是目前的薄膜太阳能电池主要采用FTO薄膜作为前电极，FTO薄膜的厚度达到800nm才能实现较好的光电性能指标，且需要耗费大量的价格购买高纯F、Sn材料,制造成本较高，镀膜时间较长，由于选材的问题仍然存在低透光率、高方阻、制备成本高的问题，且薄膜太阳能电池的整体性能无法得到有效保障。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，包括：
一柔性基底，所述柔性基底的上表面覆盖有一前电极层；
一缓冲层，所述缓冲层位于所述前电极层上方并覆盖所述前电极层的上表面；
一吸收层，所述吸收层位于所述缓冲层上方并覆盖所述缓冲层的上表面，所述吸收层为碲化镉薄膜；
一背接触层，所述背接触层位于所述吸收层上方并覆盖所述吸收层的上表面；
一保护层，所述保护层位于所述背接触层上方并覆盖所述背接触层的上表面；
所述柔性基底、所述前电极层、所述缓冲层、所述吸收层、所述背接触层和所述保护层组成一柔性碲化镉薄膜太阳能电池。
优选的，所述前电极层包括：
一第一金属氧化物薄膜，所述第一金属氧化物薄膜设置在所述前电极层的底部并覆盖所述柔性基底的上表面；
一合金薄膜，所述合金薄膜设置于所述第一金属氧化物薄膜的上表面上并覆盖所述第一金属氧化物的上表面；
一金属薄膜，所述金属薄膜设置于所述合金薄膜的上表面上并覆盖所述合金薄膜的上表面，通过所述合金薄膜隔离所述金属薄膜和所述第一金属氧化物薄膜并促进所述金属薄膜连续成膜；
一第二金属氧化物薄膜，所述第二金属氧化物薄膜设置在所述前电极层的顶部并覆盖所述金属薄膜的上表面层，通过所述第二金属氧化物薄膜隔离所述金属薄膜和所述缓冲层。
优选的，所述合金薄膜由NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的一种与Ag金属合成得到。
优选的，所述合金薄膜为NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的至少一种与Ag金属合成的合金靶材。
优选的，所述合金薄膜为NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属薄膜中的一种。
优选的，所述金属薄膜为Ag薄膜。
优选的，所述第一金属氧化物薄膜为ZnO、SnO2、In2O3、BZO、AZO、GZO、IGZO、IZO、CTO、ZTO、ITO薄膜中的一种。
优选的，所述第二金属氧化薄膜与所述缓冲层形成一锌掺杂硫化镉纳米带。
优选的，所述缓冲层为CdS薄膜或ZnS薄膜或InS薄膜。
优选的，所述背接触层由Cu薄膜与Zn、Mo、Ti、Al、Ag、Au薄膜中的一种叠加得到。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：
(1)本发明的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构采用了碲化镉薄膜作为吸收层且将前电极层的厚度控制在110nm以下，镀膜时间缩短，具备更高的透光率及更低的方阻，前电极厚度减小可以减少光损失，提高发电功率；
(2)本发明的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构采用价格更为低廉的锌以降低制备成本但又能够保障薄膜太阳能电池性能；
(3)本发明的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构中的前电极层力学性能好，可以弯曲、变形、卷曲至曲率半径几厘米或完全折叠，机械耐久性好，反复弯折不会断裂且不会留下痕迹。
附图说明
图1为本发明的较佳的实施例中，柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构的结构示意图；
图2为本发明的较佳的实施例中，前电极层的结构示意图；
图3为本发明的较佳的实施例中，实施例一中前电极层的透光图谱；
图4为本发明的较佳的实施例中，实施例二中前电极层的透光图谱；
图5为本发明的较佳的实施例中，实施例三中前电极层的透光图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，如图1所示，包括：
一柔性基底1，柔性基底1的上表面覆盖有一前电极层2；
一缓冲层3，缓冲层3位于前电极层2上方并覆盖前电极层2的上表面；
一吸收层4，吸收层4位于缓冲层3上方并覆盖缓冲层3的上表面，吸收层4为碲化镉薄膜；
一背接触层5，背接触层5位于吸收层4上方并覆盖吸收层4的上表面；
一保护层6，保护层6位于背接触层5上方并覆盖背接触层5的上表面；
柔性基底1、前电极层2、缓冲层3、吸收层4、背接触层5和保护层6组成一柔性碲化镉薄膜太阳能电池。
具体地，本实施例中，柔性基底1可以采用柔性超薄玻璃或高分子材料或金属箔或塑料膜等。
具体地，本实施例中，吸收层4采用的碲化镉薄膜的厚度为1300纳米至2800纳米。
具体地，本实施例中，保护层6为Au、Zn、Pt、Zr、Ti薄膜中的一种或多种,保护层6的厚度为5纳米至50纳米。
具体地，本实施例中，前电极层2主要实现透光和导电的作用，吸收层4是电池的主体吸光层，背接触层5主要作用为降低吸收层4和金属电极的接触壁垒，引出电流，使金属电极与吸收层4形成欧姆接触。
优选的，考虑到前电极层2与吸收层4之间存在晶格失配，所以引入缓冲层3实现应力释放与位错过滤，以获得较完美的晶体质量。
本发明的较佳的实施例中，如图2所示，前电极层2包括：
一第一金属氧化物薄膜21，第一金属氧化物薄膜21设置在前电极层2的底部并覆盖柔性基底1的上表面；
一合金薄膜22，合金薄膜22设置于第一金属氧化物薄膜21的上表面上并覆盖第一金属氧化物21的上表面；
一金属薄膜23，金属薄膜23设置于合金薄膜22的上表面上并覆盖合金薄膜22的上表面，通过合金薄膜22隔离金属薄膜23和第一金属氧化物薄膜21并促进金属薄膜23连续成膜；
一第二金属氧化物薄膜24，第二金属氧化物薄膜24设置在前电极层2的顶部并覆盖金属薄膜23的上表面层，通过第二金属氧化物薄膜24隔离金属薄膜23和缓冲层3。
具体地，本实施例中，第一金属氧化物薄膜21的厚度为20纳米至50纳米，第二金属氧化物薄膜24采用ZnO薄膜且第二金属氧化物薄膜24的厚度为20纳米至50纳米。
具体地，本实施例中，合金薄膜22可作为前电极层2的种子层，促进金属薄膜23尽早连续成膜，避免金属薄膜23形成岛状的不连续薄膜，对金属薄膜23的生长和光学特性的提高都有利。
优选的，合金薄膜22还能起到保护作用，将第一金属氧化物薄膜21与金属薄膜23隔离开，避免金属薄膜23被第一金属氧化物薄膜21氧化影响金属薄膜23的导电性。
具体地，本实施例中，第二金属氧化薄膜24作为前电极层2的一部分，通过薄膜干涉原理，能够有效的提高前电极层2的透光率。
优选的，第二金属氧化物薄膜24能够保护金属薄膜23，将金属薄膜23与缓冲层3分隔开以维持金属薄膜23的稳定性。
优选的，第二金属氧化薄膜24可同时作为高阻层，降低整体膜厚，减少蓝光损失，省略了制备高阻层的流程以节约成本。
本发明的较佳的实施例中，合金薄膜22由NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的一种与Ag金属合成得到。
具体地，本实施例中，合金薄膜22的厚度为0.1纳米至2纳米。
本发明的较佳的实施例中，合金薄膜22为NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的至少一种与Ag金属合成的合金靶材。
具体地，本实施例中，合金靶材中Ag金属与NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的至少一种金属的质量百分比为(99.9％～97％)：(0.1％～3％)。
本发明的较佳的实施例中，合金薄膜22为NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属薄膜中的一种。
具体地，本实施例中，合金薄膜22的厚度为0.1纳米至1纳米。
本发明的较佳的实施例中，金属薄膜23为Ag薄膜。
具体地，本实施例中，金属薄膜23采用Ag薄膜且Ag薄膜的厚度为3纳米至11纳米。
优选的，金属薄膜23采用Ag薄膜能够有效提高稳定性，且Ag薄膜耐氧化，不会轻易被第二金属氧化物薄膜24氧化。
本发明的较佳的实施例中，第一金属氧化物薄膜21为ZnO、SnO2、In2O3、BZO、AZO、GZO、IGZO、IZO、CTO、ZTO、ITO薄膜中的一种。
本发明的较佳的实施例中，第二金属氧化薄膜24与缓冲层3形成一锌掺杂硫化镉纳米带。
本发明的较佳的实施例中，缓冲层3为CdS薄膜或ZnS薄膜或InS薄膜。
具体地，本实施例中，缓冲层3的厚度为5纳米至20纳米。
具体地，本实施例中，由于第二金属氧化薄膜24采用ZnO薄膜，ZnO薄膜与缓冲层3会形成锌掺杂硫化镉纳米带以提高缓冲层3中CdS薄膜的禁带宽度，减少与吸收层4的带隙差，形成更好的接触，并且由于ZnO薄膜的发高阻特性，可以将缓冲层3中的CdS薄膜的厚度降低至50纳米以下。
具体地，本实施例中，缓冲层3采用的CdS薄膜为n型半导体，吸收层4采用的CdTe薄膜为p型半导体，CdS薄膜与CdTe薄膜组成p-n结，p-n结为电池中最核心的部分。
本发明的较佳的实施例中，背接触层5由Cu薄膜与Zn、Mo、Ti、Al、Ag、Au薄膜中的一种叠加得到。
具体地，本实施例中，背接触层5的厚度为10纳米至50纳米。
具体地，本实施例中，根据薄膜干涉理论，当薄膜的厚度等于入射光在该媒质中波长的1/4时，在薄膜两个面上反射光的光程恰好等于半个波长，从而相互干涉而抵消，这就大大减少了光的反射损失，增强了透射光的强度，起到了增透作用，因此选择合适的薄膜折射率和厚度值，就可以起到很好的增透作用，利用金属薄膜的高导电性和透明膜的增透作用，纳米多层膜中的每层各自发挥其优势，因此，前电极层2采用第一金属氧化物薄膜21+合金薄膜22+金属薄膜23+第二金属氧化物薄膜24的结构，该结构电学性能优异，同时具有增透作用，透光率较高可达85％。
具体地，实施例一：
采用超薄柔性玻璃作为柔性基底1，采用厚度为45纳米的GZO薄膜作为前电极层2的第一金属氧化物薄膜21，采用厚度为1纳米的Ti金属薄膜作为合金薄膜22，采用厚度为10纳米的Ag薄膜作为金属薄膜23，采用厚度为45纳米的ZnO薄膜作为第二金属氧化物薄膜24，由此制备得到的前电极层2的方阻为8.5欧姆，在380nm～760nm的可见光波段照射下前电极层2的透光图谱如图3所示，图3的横坐标为可见光波段波长，纵坐标为透光率，经系统计算得到前电极层2的透光率Ave(S3)为84.8％。
具体地，实施例二：
采用柔性金属箔作为柔性基底1，采用厚度为42纳米的AZO薄膜作为前电极层2的第一金属氧化物薄膜21，采用厚度为1纳米的Cu金属与Ag金属合成的合金薄膜22，采用厚度为9纳米的Ag薄膜作为金属薄膜23，采用厚度为42纳米的ZnO薄膜作为第二金属氧化物薄膜24，由此制备得到的前电极层2的方阻为7.7欧姆，在380nm～760nm的可见光波段照射下前电极层2的透光图谱如图4所示，经系统计算得到前电极层2的透光率Ave(S3)为85％。
具体地，实施例三：
采用PET(Polyethylene terephthalate塑料膜)作为柔性基底1，采用厚度为40纳米的ZnO薄膜作为前电极层2的第一金属氧化物薄膜21，可以防水抗氧化，采用厚度为1.5纳米的Mg金属与Ag金属合成的合金薄膜22，采用厚度为9纳米的Ag薄膜作为金属薄膜23，采用厚度为43纳米的ZnO薄膜作为第二金属氧化物薄膜24，由此制备得到的前电极层2的方阻为9.1欧姆，在380nm～760nm的可见光波段照射下前电极层2的透光图谱如图5所示，经系统计算得到前电极层2的透光率Ave(S3)为84.3％。
以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说明书及图示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)
1.一种柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，包括:
一柔性基底，所述柔性基底的上表面覆盖有一前电极层；
一缓冲层，所述缓冲层位于所述前电极层上方并覆盖所述前电极层的上表面；
一吸收层，所述吸收层位于所述缓冲层上方并覆盖所述缓冲层的上表面，所述吸收层为碲化镉薄膜；
一背接触层，所述背接触层位于所述吸收层上方并覆盖所述吸收层的上表面；
一保护层，所述保护层位于所述背接触层上方并覆盖所述背接触层的上表面；
所述柔性基底、所述前电极层、所述缓冲层、所述吸收层、所述背接触层和所述保护层组成一柔性碲化镉薄膜太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述前电极层包括：
一第一金属氧化物薄膜，所述第一金属氧化物薄膜设置在所述前电极层的底部并覆盖所述柔性基底的上表面；
一合金薄膜，所述合金薄膜设置于所述第一金属氧化物薄膜的上表面上并覆盖所述第一金属氧化物的上表面；
一金属薄膜，所述金属薄膜设置于所述合金薄膜的上表面上并覆盖所述合金薄膜的上表面，通过所述合金薄膜隔离所述金属薄膜和所述第一金属氧化物薄膜并促进所述金属薄膜连续成膜；
一第二金属氧化物薄膜，所述第二金属氧化物薄膜设置在所述前电极层的顶部并覆盖所述金属薄膜的上表面，通过所述第二金属氧化薄膜隔离所述金属薄膜和所述缓冲层。
3.根据权利要求2所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述合金薄膜由NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的一种与Ag金属合成得到。
4.根据权利要求2所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述合金薄膜为NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属中的至少一种与Ag金属合成的合金靶材。
5.根据权利要求2所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述合金薄膜为NiCr、Cu、Ti、Al、Sn、Pb、Fe、Zn、Mg、Mo、In金属薄膜中的一种。
6.根据权利要求2所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述金属薄膜为Ag薄膜。
7.根据权利要求2所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述第一金属氧化物薄膜为ZnO、SnO2、In2O3、BZO、AZO、GZO、IGZO、IZO、CTO、ZTO、ITO薄膜中的一种。
8.根据权利要求2所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述第二金属氧化薄膜与所述缓冲层形成一锌掺杂硫化镉纳米带。
9.根据权利要求1所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述缓冲层为CdS薄膜或ZnS薄膜或InS薄膜。
10.根据权利要求1所述的柔性碲化镉薄膜太阳能电池结构，其特征在于，所述背接触层由Cu薄膜与Zn、Mo、Ti、Al、Ag、Au薄膜中的一种叠加得到。
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