CN205595351U - 一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池 - Google Patents

一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种CIGS‑CdS双结薄膜太阳能电池，该太阳能电池的结构层从下往上依次层叠，分别是：基底层、金属电极Mo薄膜层、P型CIGS薄膜层、N型CIGS薄膜层；由N型CIGS薄膜层往上，依次叠有P型 CdS薄膜层、N型 CdS薄膜层、窗口薄膜层。本实用新型专利通过CIGS薄膜的pn结和CdS的pn结，构成了CIGS‑CdS双结薄膜太阳电池，实现了太阳光谱可见光的充分吸收利用，提高了薄膜电池器件的光电转换效率。

Description

一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池
技术领域
本实用新型专利涉及太阳电池光伏领域，具体的说是涉及一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池。
背景技术
铜铟镓硒（CIGS薄膜）薄膜太阳电池具有低成本、高效率、长寿命、可在阴天工作等优势，是一种公认前景最被看好的太阳电池之一。它的一般结构为基底、Mo薄膜、CIGS薄膜、CdS薄膜、窗口层薄膜，目前小面积最高效率已将近22%，大面积组件效率约在15%。
此前研究认为，对于CdS薄膜，考虑到硫空位（VS）受主的自补偿效应，其 P型掺杂很难实现。而最新报道证实，通过金属铜的掺杂可以制备P型CdS薄膜，其原理为：当CdS表面覆盖有一层金属膜时，可阻止S挥发从而抑制VS的产生。
此外，通过模拟软件运算薄膜的光电性能，得出这类双结薄膜太阳电池的最终光电转化效率高达48%。实际上，晶界和小晶粒处存在复合缺陷，制备电池的载流子迁移率和器件效率均会下降。
实用新型内容
针对现有技术中的不足，本实用新型要解决的技术问题在于提供了一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池。
为解决上述技术问题，本实用新型通过以下方案来实现：一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，该太阳能电池的结构层从下往上依次层叠，分别是：
置于最底层的基底层；
置于基底层上表面的金属电极Mo薄膜层；
置于金属电极Mo薄膜层上表面的P型CIGS薄膜层，
置于CIGS薄膜层上表面的N型CIGS薄膜层；
由N型CIGS薄膜层往上，依次叠有P型 CdS薄膜层、N型 CdS薄膜层、窗口薄膜层。
进一步的，所述基底层为刚性基底或柔性基底。
进一步的，所述刚性基底包括钠钙玻璃基底，所述柔性基底包括不锈钢基底、聚酰亚胺基底。
进一步的，所述窗口薄膜层包括：
底层的i-ZnO氧化锌薄膜层和顶层的AZO掺铝氧化锌层或底层的i-ZnO氧化锌薄膜层和顶层的ITO氧化铟锡层。
进一步的，所述金属电极Mo薄膜层包括：致密钼层，或底层致密钼层和顶层疏松钼层。
进一步的，所述太阳能电池的结构层每层厚度如下：
基底层 0.05~4mm；
金属电极Mo薄膜层 500~1200nm；
P型CIGS薄膜层 300~900nm；
N型CIGS薄膜层 50~200nm；
P型 CdS薄膜层 10~100nm；
N型 CdS薄膜层 100~300nm；
窗口薄膜层 350~600nm。
进一步的，所述太阳能电池的结构层每层厚度如下：
基底层 3mm；
金属电极Mo薄膜层 900nm；
P型CIGS薄膜层 600nm；
N型CIGS薄膜层 100nm；
P型 CdS薄膜层 50nm；
N型 CdS薄膜层 200nm；
窗口薄膜层 500nm。
相对于现有技术，本实用新型的有益效果是：本实用新型CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其结构从下到上包括在镀钼刚性基底（如钠钙玻璃）或柔性基底（不锈钢或聚酰亚胺）、P型CIGS薄膜、N型CIGS薄膜、P型 CdS薄膜、N型 CdS薄膜以及窗口薄膜。本实用新型专利通过CIGS薄膜的pn结和CdS的pn结，构成了CIGS-CdS双结薄膜太阳电池，实现了太阳光谱可见光的充分吸收利用，提高了薄膜电池器件的光电转换效率。
附图说明
图1为本实用新型CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池结构示意图。
附图中标记：基底层1、金属电极Mo薄膜层2、P型CIGS薄膜层3、N型CIGS薄膜层4、P型 CdS薄膜层5、N型 CdS薄膜层6、窗口薄膜层7。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参照附图1，本实用新型的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，该太阳能电池的结构层从下往上依次层叠，分别是：
置于最底层的基底层1；
置于基底层1上表面的金属电极Mo薄膜层2；
置于金属电极Mo薄膜层2上表面的P型CIGS薄膜层3，
置于CIGS薄膜层3上表面的N型CIGS薄膜层4；
由N型CIGS薄膜层4往上，依次叠有P型 CdS薄膜层5、N型 CdS薄膜层6、窗口薄膜层7。
所述基底层1为刚性基底或柔性基底。
所述刚性基底包括钠钙玻璃基底，所述柔性基底包括不锈钢基底、聚酰亚胺基底。
所述窗口薄膜层7包括：
底层的i-ZnO氧化锌薄膜层和顶层的AZO掺铝氧化锌层或底层的i-ZnO氧化锌薄膜层和顶层的ITO氧化铟锡层。
所述金属电极Mo薄膜层2包括：致密钼层，或底层致密钼层和顶层疏松钼层。
所述太阳能电池的结构层每层厚度如下：
基底层1 0.05~4mm；
金属电极Mo薄膜层2 500~1200nm；
P型CIGS薄膜层3 300~900nm；
N型CIGS薄膜层4 50~200nm；
P型 CdS薄膜层5 10~100nm；
N型 CdS薄膜层6 100~300nm；
窗口薄膜层7 350~600nm。
优选方案，所述太阳能电池的结构层每层厚度如下：
基底层1 3mm；
金属电极Mo薄膜层2 900nm；
P型CIGS薄膜层3 600nm；
N型CIGS薄膜层4 100nm；
P型 CdS薄膜层5 50nm；
N型 CdS薄膜层6 200nm；
窗口薄膜层7 500nm。
以下是本实用新型CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池制备过程。
首先在钠钙玻璃基底上溅射Mo薄膜（钼薄膜），其厚度在500-900nm之间，优选由约500nm厚的底层致密钼和约400nm厚的顶层疏松钼构成。接着，为在CIGS薄膜和Mo薄膜之间形成更好的欧姆接触，可在Mo薄膜上通过溅射或者涂覆硒+退火的方式，形成一层 200-500nm厚的MoSe2，优选厚度240nm。若采用涂覆硒+退火的方式制备，可在退火炉中进行，通过调整退火温度和时间等得到合适的厚度和化学计量比。然后，在室温下溅射一层400-2000 nm的P型 CIGS薄膜，优选厚度约600nm。玻璃中扩散上来的Na以及VCu空位保证了CIGS薄膜的P型。也可通过在Mo薄膜上或者CIGS薄膜上沉积一薄层NaF（0.1-0.5 at.%）实现Na的掺杂，然后在退火炉中进行300-400℃退火；或者将Na直接掺杂至CIGS薄膜靶或者Mo薄膜靶中（最高掺杂量为1.0 at.%，优选掺杂量0.1 at.% ）。
本实施方案中，还可以选取在制备符合特定化学元素计量比的CIGS薄膜四元靶，添加0.25％~2.00％摩尔比的Sb或Bi。注意在添加CIGS薄膜四元素配比时稍微贫铜，以避免富铜相（如CuxSe）的后续清洗使用到毒性氰化钾。对于较为理想的贫铜CIGS薄膜，其铜、铟、镓、硒间的原子百分比约为22.932：20.58：7.080：49.40，这个比例可以衍生为稍微富铜的薄膜，其铜、铟、镓、硒间的原子百分比约为24.8093：20.782 ：6.325：48.083。对贫铜CIGS薄膜，在极端贫铜情况下，其铜、铟、镓、硒间的原子百分比为21.98：19.3：7.51：51.21。加Na与否取决于是否使用钠钙玻璃，或从钠钙玻璃中扩散至CIGS薄膜中的Na含量是否充足。优选地，可直接添加Sb或Bi金属，或采用Sb或Bi的化合物（如氧化物、硒化物或硫化物）。或者可以采用真空蒸发方式，在Mo薄膜或CIGS薄膜上沉积Sb或Bi进行掺杂。掺杂的Sb或Bi可替代上述各类元素配比CIGS薄膜中的Cu位置。同时，Sb或Bi的掺杂有利于晶粒长大和晶界减少。
接着为制备一层N型CIGS薄膜，需先溅射一层厚度为40-150nm的In-Se缓冲层，优选厚度为100nm。通过退火使得In原子扩散到下层P型CIGS薄膜的表面，通过掺杂形成一N型CIGS薄膜薄层。类似地，同样可以采用CIGS薄膜太阳电池中制备缓冲层常用的化学浴沉积法（CBD），使得Cd2+取代的Cu+在CIGS薄膜表面形成一N型CIGS薄膜薄层。也可通过CBD或溅射方法制备其它可能的缓冲层材料（如ZnS等）。或者通过制备非常贫铜的CIGS薄膜靶材（Cu原子比为19.00-21.00%），来溅射N型CIGS薄膜，薄膜厚度约为100~3000nm。当Cu原子比为19.00-21.00%时，能够促进N型β相CIGS薄膜的生成。也可以选取含有Cd、Zn、Al、In、Sb、Bi等N型施主的CIGS薄膜，以上各元素的掺杂均可通过溅射法、化学浴沉积法或有机金属蒸汽法实施，以制备N型CIGS薄膜。
制备CIGS薄膜时，采用的退火方式均可包含5％体积比硫化氢（H 2 S）的氮气。尽管由于Sb或Bi的掺杂可以采用低温退火，硫化氢的补充可以弥补低温退火中可能存在的Se或S的损失。同时使用S可以增大CIGS吸收层的禁带宽度，从而吸收更多的短波段光谱。
接着在室温下溅射P型CdS薄膜。可采用掺有0.1~2.0 at% Cu含量的CdS陶瓷靶溅射CdS，优选Cu原子比为0.15%。也可使用未掺杂的CdS靶材先溅射一层CdS薄膜，然后在其上沉积一层原子比达18%的Cu薄膜(具体掺杂量取决与CdS膜层的厚度)，通过Cu和CdS之间的相互扩散得到P型CdS。另外还可以采用掺杂Bi的方法，后续退火可以使膜层中的原子相互扩散，从而实现目标掺杂。
接下来，采用未掺杂的CdS陶瓷靶溅射得到n-CdS薄膜。同样可以在CdS陶瓷靶中掺杂0.2 -2.0 at%的三价离子（如Al3+或In3+），优选原子比为1.0%。此外，还可以通过CdCl2 中的Cl取代S的方式形成 N型掺杂。N型CdS薄膜的厚度在100-300 nm之间，优选为200nm。也可在n型CdS（10-100nm）薄膜上制备一层氮化钛或铟薄膜。这层氮化钛或铟薄膜可以和n型CdS薄膜之间形成良好的欧姆接触。制备CIGS和CdS薄膜时，均可采用基底加热溅射制备，基底温度在200- 550℃，优选350-375℃。可使用上述掺杂有Sb或Bi的靶材，Sb或Bi的掺杂可以促进低温退火下晶粒的生长，同时也避免了高温退火阶段Se和S的大量损失。或者采用真空蒸发法制备CIGS薄膜和CdS薄膜。
最后溅射i-ZnO和ITO/AZO窗口层，优选直流脉冲溅射。也可采用石墨烯或碳纳米管来代替ITO/AZO窗口层。对上述制备的叠层薄膜进行退火，退火温度为200-500℃，优选300-375℃，退火时间为10-30min，优选20min，退火在真空或氮气中进行。退火的目的在于使薄膜晶粒长大，同时实现上述各膜层的P型或N型掺杂。因为在此退火工艺中硒的蒸汽压依然很低，所以本实用新型专利的退火工艺可在确保CIGS薄膜和CdS薄膜晶粒生长的同时，不会出现严重的Se或S的损失。
在完成上述薄膜沉积和退火后，可将基片划分成一系列包含有窗口层、边长为4.8mm宽的小单元，如同本领域技术人员所公知的划线技术。或者将基片切割为对角线长为5英寸的一系列小电池，如此需要在ITO或AZO上沉积金属栅栏以提高电极收集电流时的导电性，可溅射铝或银或丝网印刷银或喷墨印刷银。
以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池的结构层从下往上依次层叠，分别是：
置于最底层的基底层（1）；
置于基底层（1）上表面的金属电极Mo薄膜层（2）；
置于金属电极Mo薄膜层（2）上表面的P型CIGS薄膜层（3），
置于CIGS薄膜层（3）上表面的N型CIGS薄膜层（4）；
由N型CIGS薄膜层（4）往上，依次叠有P型 CdS薄膜层（5）、N型 CdS薄膜层（6）、窗口薄膜层（7）。
2.根据权利要求1所述的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于：所述基底层（1）为刚性基底或柔性基底。
3.根据权利要求2所述的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于：所述刚性基底包括钠钙玻璃基底，所述柔性基底包括不锈钢基底、聚酰亚胺基底。
4.根据权利要求1所述的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于：所述窗口薄膜层（7）包括：
底层的i-ZnO氧化锌薄膜层和顶层的AZO掺铝氧化锌层或底层的i-ZnO氧化锌薄膜层和顶层的ITO氧化铟锡层。
5.根据权利要求1所述的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于：所述金属电极Mo薄膜层（2）包括：致密钼层，或底层致密钼层和顶层疏松钼层。
6.根据权利要求1所述的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的结构层每层厚度如下：
基底层（1） 0.05~4mm；
金属电极Mo薄膜层（2） 500~1200nm；
P型CIGS薄膜层（3） 300~900nm；
N型CIGS薄膜层（4） 50~200nm；
P型 CdS薄膜层（5） 10~100nm；
N型 CdS薄膜层（6） 100~300nm；
窗口薄膜层（7） 350~600nm。
7.根据权利要求6所述的一种CIGS-CdS双结薄膜太阳能电池，其特征在于：所述太阳能电池的结构层每层厚度如下：
基底层（1） 3mm；
金属电极Mo薄膜层（2） 900nm；
P型CIGS薄膜层（3） 600nm；
N型CIGS薄膜层（4） 100nm；
P型 CdS薄膜层（5） 50nm；
N型 CdS薄膜层（6） 200nm；
窗口薄膜层（7） 500nm。
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