CN203774348U - 一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构。该铜铟镓硒薄膜太阳能电池包括电池基本单元、及形成在其入光面上的导电薄膜，导电薄膜上形成有具有绒面的陷光结构，入射光经陷光结构散射后进入到电池基本单元的电池吸收层。本实用新型涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，可在原有铜铟镓硒薄膜电池基本单元的基础上进一步形成陷光结构，使入射光既能在绒面上形成减反射，又能进行散射进入到电池吸收层，不但能够降低电池吸收层的厚度，减少电池/组件的生产成本，还能使薄膜太阳能电池对光的的吸收率得以大幅提高，进一步提高薄膜太阳能电池整体的光电转换效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及光伏技术开发领域，具体涉及一种适合于提高铜铟镓硒（CIGS）薄膜太阳能电池效率的陷光结构。
背景技术
低碳环保是人类可持续发展的必由之路，尤其是近期“雾霾”成为了网上出现频率最高的词语，在2月12日的国务院常务会议上，李克强总理直接开门见山的说：“要打一场治理雾霾的攻坚战和持久战。”这个仅仅是一个侧面写照，种种方面直接反映出人类需要发展新能源来替代现有的化石能源。从目前的能源分布来看，在可预见的未来，太阳能光伏发电将会在新能源领域中占据非常重要的一席之地。目前光伏市场产品中主要分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，其中晶体硅太阳能电池占据着将近85%的市场份额，尽管硅元素在地壳中的含量很好，但是从目前市场反馈的硅提纯技术来看需要耗费大量的能源来提纯，甚至带来环境的污染，从这个角度来看，晶体硅太阳能电池的“绿色环保”也是需要打个折扣的。而薄膜太阳能电池主要是包含硅基薄膜太阳能电池、碲化镉薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池三类，其中铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池是20世纪80年代后半期由铜铟锡(CIS)发展而来，将镓(Ga)取代铜铟锡(CIS)中的部分铟(In)，形成铜铟镓硒(以下简称CIGS)四元化合物。
在薄膜太阳能电池市场中，CIGS作为吸收层的薄膜太阳能电池是最有发展前途的一种，CIGS是直接带隙的半导体材料，具体优异的太阳能光谱响应特性，吸收系数可达10-5cm-1，理论光电转换效率可达30%。在实验室研究阶段， 2008年3月，美国可再生能源实验室(NREL)采用共蒸发CIGS的工艺在0.5-1cm2单元面积上获得了高达19.9%的光电转换效率；2010年8月，德国太阳能和氢能研究中心(ZSW)研究的CIGS太阳能的光电转换效率达20.3%，基本接近现有获得的多晶硅太阳能电池的最高效率。
在产业化研究开发方面，2008年9月，日本产业技术综合研究所在面积为10cm x10cm的CIGS太阳能电池小型模组上取得了15.9%的光电转换效率；2010年12月，CIGS薄膜太阳能电池组件制造商Miasolé研发的大面积组件(面积达1m2)的效率达到15.7%，已经证实为目前商业化薄膜组件中的最高效率。
在结构上，CIGS薄膜太阳能电池的典型结构为多层膜结构，整个结构包括基片衬底、钼(Mo)导电层、CIGS(或是CZTS或是CIS)吸收层、CdS过渡层、i-ZnO异质结n型层、AZO窗口层、MgF2反射层和Ni-Al电极层，其中吸收层CIGS是CIGS薄膜太阳能电池的核心。
目前CIGS薄膜太阳能电池的技术研发领域最主要体现在以下两方面：
1.在提高光电转换效率的同时，降低电池/组件成本，该领域技术目前主要是掌握在德国、日本和美国等几个国家对应的研究机构和企业。由于In、Ga材料非常昂贵，而且每年开采量及其储量均有限，目前世界年开采量为300吨/年，尤其是随着2011年以来液晶显示屏行业的迅猛发展，导致In的价格急剧攀升。为了降低CIGS电池的成本，欧美日相关研究机构和企业开始了超薄电池的研究开发，减小吸收层CIGS的厚度。美国NREL研究过不同CIGS吸收层厚度时对应的电池光电转换效率，在1umCIGS吸收层的基础上制备的小面积电池效率最高为17.16%，而在吸收层为0.75um，电池的效率降低为12.5%；美国EPV取得CIGS吸收层厚度仅为0.47um时，电池的光电转换效率为9.9%；日本Shell Solar研究的CIGS吸收层厚度为1um时，电池效率为12.8%；
2.鉴于CIGS薄膜太阳能电池是目前所有薄膜太阳能电池中效率最高的，而薄膜太阳能电池本身具备的在建筑一体化和终端消费品市场中应用的优势，因此采用柔性材料替代硬质钠钙玻璃也是目前CIGS领域中的研究热点之一。其中，柔性基底主要包含耐高温的聚酰亚胺(PI)材料、不锈钢衬底、钛、钼、铜等金属衬底。采用柔性基底可与目前市场上Roll-to-Roll 技术相结合，美国NREL采用共蒸发法，在不锈钢柔性衬底上制备出了小面积CIGS电池的效率为17.5%；2011年5月瑞士联邦材料科学与技术实验室在聚酰亚胺PI衬底上制备出了转换效率为18.7%的CIGS电池。
从目前的技术研究开发进展和现状来看，关于CIGS薄膜太阳能电池的技术研发至少还存在如下缺点：
（1）.为了降低CIGS电池的成本，目前采取的方式基本都是在电池层面上进行改进，降低吸收层CIGS的厚度，但是从研究结果来看，CIGS吸收层是CIGS薄膜太阳能电池最为关键的核心，其厚度的减薄会使得电池/组件的效率较大幅度降低，也即意味着，在效率保持或是提升与降低成本无法取得折中，因此从现阶段的技术水平无法从降低厚度的角度来降低电池/组件的制造成本；
（2）.从CZTS电池的角度，CZTS是一种直接带隙的半导体材料，光学带隙在1.45eV左右，非常接近光伏电池的理想带隙1.4eV，与太阳光的响应光谱非常匹配，相比于In、Ga ，Zn、Sn在地壳中的储量均非常丰富，但是该结构电池目前暂时依然处于实验室至中试阶段，仍有许多技术问题待研究；
（3）.从柔性角度来看，相比于硬质钠钙玻璃衬底的CIGS电池，柔性衬底的CIGS电池具有很多优势，质量轻、可弯曲、便于携带，在空间、光伏建筑一体化上具有广阔的应用前景。但是目前其效率依然还是比较低、成本比较高。
（4）.为了减小入射光在顶窗口层AZO中的反射，现有结构中主要是在AZO镀上一层氟化镁减反层，但是氟化镁薄膜很昂贵。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率的陷光结构及其制备方法。
一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其包括薄膜太阳能电池基本单元，其由下至上包括基片衬底、前电极导电层、电池吸收层、过渡层、本征氧化锌异质结n型层和窗口层，所述电池吸收层为铜铟镓硒薄膜，所述窗口层作为太阳能电池的入光面，所述陷光结构包括均匀铺设在所述窗口层上表面的微纳米层，所述微纳米层为粒径均匀的微纳米球组成，在所述微纳米层的上表面镀一层导电薄膜，通过超声波清洗去除微纳米球，即为所述陷光结构；入射光经所述陷光结构散射后进入到下方的所述电池吸收层。
在优选的实施例中，所述电池吸收层可选自以下中的任何一种：铜铟镓硒薄膜、铜锌锡硫薄膜、铜铟锡薄膜。
在优选的实施例中，所述导电薄膜为掺铝氧化锌导电膜，所述窗口层为掺铝氧化锌窗口层。
在优选的实施例中，所述微纳米球的粒径为200~3000nm。
在优选的实施例中，所述导电薄膜的厚度为50~3000nm。
在优选的实施例中，所述基片衬底包括硬质基片和柔性基片，所述硬质基片为普通的钠钙玻璃，所述柔性基片为不锈钢、钛、钼、铜片金属衬底和聚酰亚胺PI衬底。
在优选的实施例中，所述前电极导电层为钼(Mo)导电层， 所述过渡层为硫化镉(CdS)过渡层。
本实用新型的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，通过在电池基本单元的入光面上设置导电薄膜，并在导电薄膜上形成有绒面的陷光结构，入射光经陷光结构散射后进入到电池基本单元的电池吸收层。本实用新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池，使入射光既能在绒面上形成减反射，又能进行散射进入到电池吸收层，不但能够降低电池吸收层的厚度，减少电池/组件的生产成本，还能使薄膜太阳能电池对入射光的的吸收率得以大幅提高，进一步提高薄膜太阳能电池整体的光电转换效率。
本实用新型涉及铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，可在原有铜铟镓硒薄膜电池基本单元的基础上进一步形成陷光结构，其还具有以下优点：
1）、工艺简单，避开薄膜太阳能电池基本单元本身电池层面上的工艺优化，而是在现有掺铝氧化锌窗口层上形成U型绒面的陷光结构，减少入射光的反射，使得更多的光可以散射至电池吸收层，增大入射光在电池吸收层中的光程，提高电池效率5-10%；
2）、该陷光结构的引入可以替代原有氟化镁等减反层，降低组件的制造成本；
3）、整个工艺与现有CIGS电池的制备设备完全吻合，可大面积工业化生产。
附图说明
图1为一实施例中铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构的结构示意图。
图2为图1中关于所述陷光结构的形成流程图。
图3为纳米球在掺铝氧化锌导电膜表面的分布图。
图4为微米球在掺铝氧化锌导电膜表面的分布图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图对本实用新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构及其制备方法作进一步详细描述。
针对目前铜铟镓硒太阳能薄膜电池技术研究开发存在的问题：光电转换效率提升与电池吸收层厚薄的矛盾、电池吸收层厚薄与电池/组件成本的矛盾、面对晶体硅太阳能电池的市场竞争压力以及终端平价上网的需求，本实用新型提供一种设置在铜铟镓硒薄膜太阳能电池基本单元10上表面的的陷光结构。
请参见图1，一种提高铜铟镓硒薄膜太阳能电池效率的陷光结构，其至少包括电池基本单元10，电池基本单元10由下至上依序包括基片衬底11、前电极导电层12、电池吸收层13、过渡层14、本征氧化锌异质结n型层15和窗口层16，其中，电池吸收层13可选自以下中的任何一种：铜铟镓硒薄膜(CIGS)、铜锌锡硫薄膜(CZTS)、铜铟锡薄膜(CIG)，分别对应的形成铜铟镓硒薄膜(CIGS)太阳能电池基本单元、铜锌锡硫薄膜(CZTS) 太阳能电池基本单元和铜铟锡薄膜(CIG) 太阳能电池基本单元，下述的实施方式以铜铟镓硒薄膜(CIGS)太阳能电池基本单元为例进行说明。
优选的，陷光结构包括设置在掺铝氧化锌窗口层16上表面的具有陷光性能的微纳米层30，在微纳米层30的上表面镀一层导电薄膜20，微纳米层21由均匀铺设在掺铝氧化锌窗口层16上表面的微纳米球组成，微纳米球的粒径为200～3000nm，通过超声波清洗去除微纳米球，从而在掺铝氧化锌窗口层16表面形成纳米级的U型绒面形貌，入射光经U型绒面散射后进入到下方的电池吸收层13。
窗口层16为掺铝氧化锌窗口层，导电薄膜20为掺铝氧化锌导电膜，导电薄膜20的厚度为50~3000nm，入射光可通过其散射进入电池吸收层13。掺铝氧化锌薄膜22的厚度依据微纳米球的粒径、以及电池最大的光吸收率来选择，务必使入射光能够完全通过氧化锌薄膜22并散射进入到电池吸收层。
前电极导电层为钼(Mo)导电层，过渡层为硫化镉(CdS)过渡层。
基片衬底11可为硬质基片和柔性基片，其中，硬质基片为普通的钠钙玻璃，柔性基片为不锈钢、钛、钼、铜片金属衬底和聚酰亚胺PI衬底。
请同时参见图2，关于铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其在生产工艺中还包括如下加工步骤：
步骤S10、所述电池基本单元的形成，具体为，从基片衬底开始由下往上依序叠加导电层、电池吸收层、过渡层、异质结型层和窗口层，得到电池基本单元；
步骤S20、微纳米球层的形成，具体为，取浓度为0.5wt.%的纳米/微米球溶液，将其与去离子水按1:1～1:10的比例混合，再将该混合溶液的PH值调至2～6，然后将所述薄膜太阳能电池基本单元放入到该溶液中，放置10s～2min后，取出，用水冲洗干净，此时窗口层上形成微纳米球层30，并得到电池结构A；
步骤S30、制备掺铝氧化锌导电膜，具体为，在步骤S20的基础上，在电池结构A上利用磁控溅射方式镀上一层掺铝氧化锌导电膜，以使所述薄膜太阳能电池基本单元的上表面形成U型绒面结构，并得到电池结构B；
步骤S40、微纳米球的去除，具体为，在步骤S30的基础上，采用超声波设备清洗去除电池结构B上表面的纳米/微米球，此时导电薄膜的表面上便形成纳米级U型绒面的陷光结构。
在步骤S20中，纳米/微米球为聚苯乙烯或是二氧化硅微球，其粒径为200nm～3000nm；由于掺铝氧化锌导电膜薄膜的等电点(Isoelectric Point)比较大，大概在6~10左右，而聚苯乙烯微球(PS) 或是二氧化硅(SiO2)微球的等电点比较小，一般是2~4左右。因此当把电池结构A放入到PH为2~6左右的弱酸性聚苯乙烯或是二氧化硅微球溶液中时，电池结构A中的掺铝氧化锌窗口层表面会带上负电，而聚苯乙烯或是二氧化硅纳米/微米球的表面就会带上正电，造成这两种材料互相静电吸引。经过10s～2min.后，掺铝氧化锌导电膜的表面几乎就会被一层纳米球所吸附(如图3、图4所示)。纳米/微米球在掺铝氧化锌导电膜薄膜表面上的覆盖率会随着微球溶液浓度、PH值、浸渍镀膜的时间发生改变。
在步骤S30中，导电薄膜的沉积厚度取决于所述纳米/微米球的粒径、以及太阳能电池最大的光吸收率来决定，务必使入射光能够完全通过氧化锌薄膜并散射进入到电池吸收层，导电薄膜的厚度可优选为50~3000nm。
另外，在步骤S30中，所述磁控溅射的工艺条件如下：本底真空度优于3.0 x10-4Pa，工作气压0.4～0.8Pa，工作气体Ar+O2，溅射电源为射频(13.56MHz)，功率150～1000W，衬底温度为RT～100℃，沉积速率为10～100nm/min。
为便于理解本实用新型的设计方案，现提供以下几种、且不仅仅包含以下几种实施方式：
实施方式1
一种提高铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池效率陷光结构的制备方法，包括以下步骤：
S10、取本底铜铟镓硒薄膜太阳能电池，即已经制备到掺铝氧化锌窗口层的太阳能电池；
S20、取浓度为0.5wt.%的纳米球溶液，与去离子水按1:4的比例混合，纳米/微米球的材质是聚苯乙烯(PS)微球，粒径为400nm，将该混合溶液的PH值调至4，将S10中的电池放入到该溶液中，放置10s，取出，用水冲洗干净，得到电池结构A；
S30、在电池结构A上利用磁控溅射方式镀上一层掺铝氧化锌导电膜，沉积厚度为300nm，得到电池结构B。
S40、采用超声波设备清洗去除电池结构B上表面的纳米/微米球，即可在CIGS电池顶窗口层的AZO表面形成U型绒面的陷光结构。
实施方式2
一种提高铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池效率陷光结构的制备方法，包括以下步骤：
S10、取本底铜铟镓硒薄膜太阳能电池，即已经制备到掺铝氧化锌窗口层的太阳能电池；
S20、取浓度为0.5wt.%的纳米球溶液，与去离子水按1:6的比例混合，纳米/微米球的材质是聚苯乙烯(PS)微球，粒径为500nm，将该混合溶液的PH值调至4，将S10中的电池放入到该溶液中，放置30s，取出，用水冲洗干净，得到电池结构A；
S30、在电池结构A上利用磁控溅射方式镀上一层掺铝氧化锌导电膜，沉积厚度为400nm，得到电池结构B。
S40、采用超声波设备清洗去除电池结构B上表面的纳米/微米球，即可在CIGS电池顶窗口层的AZO表面形成U型绒面的陷光结构。
需要说明的是，本实用新型的主旨在于不改变铜铟镓硒薄膜太阳能电池结构基础，在其掺铝氧化锌窗口层的上表面加入陷光结构，可提高薄膜电池的效率5-10%左右；并且，利用该陷光结构还可替代昂贵的氟化镁等减反层，从而进一步降低CIGS薄膜太阳能电池/组件的成本，以适应平价上网终端市场的需求。
综上，本实用新型的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，通过在电池基本单元的入光面上设置导电薄膜，并在导电薄膜上形成有具有绒面的陷光结构，入射光经陷光结构散射后进入到电池基本单元的电池吸收层。本实用新型铜铟镓硒薄膜太阳能电池，使入射光既能在绒面上形成减反射，又能进行散射进入到电池吸收层，不但能够降低电池吸收层的厚度，减少电池/组件的生产成本，还能使薄膜太阳能电池对入射光的吸收率得以大幅提高，进一步提高了薄膜太阳能电池整体的光电转换效率。
以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其包括薄膜太阳能电池基本单元，其由下至上包括基片衬底、前电极导电层、电池吸收层、过渡层、本征氧化锌异质结n型层和窗口层，所述电池吸收层为铜铟镓硒薄膜，所述窗口层作为太阳能电池的入光面，其特征在于，所述陷光结构包括均匀铺设在所述窗口层上表面的微纳米层，所述微纳米层为粒径均匀的微纳米球组成，在所述微纳米层的上表面镀一层导电薄膜，通过超声波清洗去除微纳米球，即为所述陷光结构；入射光经所述陷光结构散射后进入到下方的所述电池吸收层。
2.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，所述电池吸收层可选自以下中的任何一种：铜铟镓硒薄膜、铜锌锡硫薄膜、铜铟锡薄膜。
3.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，所述导电薄膜为掺铝氧化锌导电膜，所述窗口层为掺铝氧化锌窗口层。
4.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，所述微纳米球的粒径为200~3000nm。
5.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，所述导电薄膜的厚度为50~3000nm。
6.根据权利要求1所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，所述基片衬底包括硬质基片和柔性基片，所述硬质基片为普通的钠钙玻璃，所述柔性基片为不锈钢、钛、钼、铜片金属衬底和聚酰亚胺PI衬底。
7.根据权利要求1至6任一项所述的铜铟镓硒薄膜太阳能电池的陷光结构，其特征在于，所述前电极导电层为钼(Mo)导电层， 所述过渡层为硫化镉(CdS)过渡层。
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