CN207558806U

CN207558806U - 薄膜太阳能电池

Info

Publication number: CN207558806U
Application number: CN201721817969.3U
Authority: CN
Inventors: 李新连
Original assignee: Beijing Apollo Ding Rong Solar Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai zuqiang Energy Co.,Ltd.
Priority date: 2017-12-22
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2027-12-22

Abstract

本实用新型提供一种薄膜太阳能电池，其包括一基底以及设置于基底的背电极层、光吸收层、缓冲层、窗口层及上电极层，所述光吸收层的表面包括陷光结构，所述陷光结构为多个相互间隔的凸状结构。由于该凸状结构的存在，可实现P1刻划的刻划效果一致，同时可提高光的吸收，从而提高太阳能电池的短路电流和光电转换效率。

Description

薄膜太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及一种薄膜太阳能电池。

背景技术

太阳能薄膜电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄膜。铜铟嫁硒(CIGS)薄膜太阳能电池是由p型的铜铟镓硒层与CdS缓冲层和ZnO/AZO层构成的异质结光伏电池。CIGS薄膜太阳能电池具有光吸收能力强、制造成本低、可柔性化、发电稳定以及环境友好等优点，是未来最有可能取代硅电池的材料之一。

目前，实验室里CIGS薄膜太阳能电池的最高转换效率已经超过22％。典型的CIGS薄膜电池制备过程如下：先以普通纳钙玻璃或者柔性材料作为基底；再用磁控溅射法在基底上沉积一层Mo薄膜作为背电极层；然后采用共蒸法或者溅射后硒化法制备CIGS吸收层；最后用化学水浴法制备CdS缓冲层，用磁控溅射法依次沉积i-ZnO和透明电极层(如AZO层)，最终形成p-n结构。

在镀制各功能膜层过程中，采用P1/P2/P3刻划形成多个子电池，并实现各子电池之间的串并联。其中，P1刻划是在沉积背电极层如Mo层之后，通常采用激光刻划方式将整个Mo层分成各个子模块，为便于形成多个子电池。P2刻划是指在形成光吸收层(如CIGS层)和缓冲层(如CdS层)之后，以激光、或机械刻划方式，将CIGS层和CdS层划去，形成P2刻线。P2刻划将为多个子电池的串联形成通道。P3刻划是指在P2划线后，依次沉积本征i-ZnO薄膜和透明电极薄膜，之后采用激光或机械方式刻划一条平行于P1/P2的P3刻线，除去 Mo层上的所有涂层。

目前，可通过在膜层表面形成一些凸起或者凹坑，即形成陷光结构，提高光的吸收。薄膜太阳能电池的陷光结构，通常有下列途径：

1)以表面具有特定形状凸起的玻璃为基板，通过一系列镀膜工艺形成最终具有陷光结构的太阳能电池；

2)在背电极层上形成通过化学蚀刻等工艺形成凹凸陷光结构；

在该些途径中存在以下缺点：第1)种由于基底具有凹凸结构导致在基底表面形成的背电极层的也是凹凸不平的，第2)种背电极层具有凹凸结构，因此，在对背电极层进行P1刻划、P2刻划、P3刻划时，因背电极层凹凸不平，在P1 刻划时难以保证激光刻划一致的效果或者机械刻划一致的效果，在P2及P3刻划时也极易造成光吸收层的膜层残留或过刻。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种薄膜太阳能电池，该薄膜太阳能电池的光吸收层具有陷光结构，因而可大大提升太阳能电池的光电转换效率。并且，在光吸收层设置陷光结构可实现P1刻划、P2刻划、P3刻划时优异的刻划效果。

本实用新型提供一种薄膜太阳能电池，其包括一基底以及设置于基底的背电极层、光吸收层、缓冲层、窗口层及上电极层所述光吸收层的表面包括陷光结构，所述陷光结构为多个相互间隔的凸状结构。

所述薄膜太阳能电池具有以下优点：由于在光吸收层的表面设置陷光结构，该陷光结构为多个相互间隔的凸状结构。一方面，相对于现有技术在基底或背电极层设置凹凸形状的陷光结构，本实用新型在光吸收层设置陷光结构，避免了基底或背电极层凹凸不平，即至少保证了基底的表面及背电极层的表面为平整的表面，因而可实现P1刻划的效果一致。另外因P2、P3刻划是去除背电极层上的所有涂层，故光吸收层上的陷光结构并不影响P2、P3刻划效果，也同时避免因光吸收层膜层残留导致的电池短路以及因部分过刻导致的外观不良。另一方面，该凸状结构的存在，可使得入射光线分散到各个角度，从而增加光线在光吸收层中的光程，提高光的吸收，最终提高太阳能电池的短路电流和光电转换效率；该制备方法具有工艺简单、高效可控的优点。

附图说明

图1为本实用新型所述薄膜太阳能电池的结构示意图；

图2为图1所述薄膜太阳能电池的光吸收层的结构示意图；

图3为实施例3所述薄膜太阳能电池的光吸收层的结构示意图；

图4为实施例4所述薄膜太阳能电池的光吸收层的结构示意图。

图中，10表示基底；20表示背电极层；30表示光吸收层；301表示凸状结构；40表示缓冲层；50表示窗口层；60表示上电极层。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，本实用新型提供一种薄膜太阳能电池。所述薄膜太阳能电池包括一基底10以及设置于基底10的背电极层20、光吸收层30、缓冲层40、窗口层50及上电极层60。请参阅图2，所述光吸收层30的表面包括陷光结构，所述陷光结构为多个相互间隔的凸状结构301。

所述基底10的材料不限，可为玻璃、不锈钢或者柔性材料。所述基底10 的厚度也不做限定。所述基底10起到承载的作用。

所述背电极层20的材料可为金属Mo、Ti、Cr、Cu或透明导电层AZO、BZO、 ITO中的一种。所述背电极层20的厚度不做限定，优选的，可为200nm～800nm。

所述光吸收层30的材料为铜铟镓硒、铜铟硒、铜铟镓硫中的一种。所述光吸收层30的厚度不做限定，优选的，可为0.5μm～3μm。

所述陷光结构可增加光线在光吸收层中的光程，提高光的吸收，最终提高太阳能电池的短路电流和光电转换效率。所述陷光结构与所述光吸收层30为一体结构。该一体结构的含义是指，所述陷光结构与光吸收层30的材料相同，并且二者为一个整体结构，不可分开。在制备方法上，所述陷光结构可通过以下两种方法形成：1)先形成光吸收层30，之后通过离子刻蚀或机械刻蚀的手段在光吸收层30的表面形成所述陷光结构；2)通过掩模沉积得到陷光结构。

所述陷光结构中的凸状结构301为相互间隔设置。该多个凸状结构301可呈如图3所示的二维点阵式排布、如图4所示的一维行列式排布、或者其他不规则的图案排布。所述凸状结构301可为圆锥结构、四面体结构、六面形柱体、圆柱体、球状体结构、如图3所示的方柱体、如图4所示的凸条结构等中的至少一种。考虑到，刻蚀的工艺及得到的电池的光电转换效率，优选的，所述凸状结构301为点阵式排布的圆锥结构。

所述缓冲层40的材料为硫化锌、硫化镉、硫化铟中的一种。所述缓冲层40 的厚度不做限定，优选的，可为30nm～100nm。

所述窗口层50的材料为氧化锌、氧化铟、氧化锡中的一种。所述窗口层50 的厚度不做限定，优选的，可为30nm～200nm。

所述上电极层60的材料为透明导电层AZO、BZO、ITO中的一种，所述上电极层60的厚度不做限定，优选的，可为100nm～1μm。

所述薄膜太阳能电池的制备方法也进行说明，以更好理解其结构。该制备方法包括以下步骤：

a)提供一基底10，并所述基底10上形成背电极层20；

b)在所述背电极层20上形成具有陷光结构的光吸收层30，其中，所述陷光结构为多个相互间隔的凸状结构301；以及

c)在具有陷光结构的所述光吸收层30上依次形成缓冲层40、窗口层50及上电极层60。

在步骤a)中，形成所述背电极层的方法可为化学气相沉积法、磁控溅射法、原子层沉积法等。

在步骤b)中，在所述背电极层20上形成具有陷光结构的所述光吸收层30 可为加法式通过掩模沉积、减法式离子刻蚀或机械刻蚀实现。

所述对光吸收层进行刻蚀的方法为等离子体刻蚀、机械刻蚀、化学湿法刻蚀中的任意一种。考虑到工艺的操作性，优选的，所述形成具有陷光结构的光吸收层30的方法为等离子体刻蚀。通过等离子体刻蚀的方法对光吸收层进行刻蚀的参数具体为：等离子体为Ar、N₂，等离子体的加速电压为100V～5kV，刻蚀时间为0.5分钟～20分钟。

通过掩模沉积得到陷光结构具体为：先沉积厚度D₁以形成光吸收层的下半部分，即第一吸收层；然后增设一掩模，通过该掩模继续沉积厚度D₂，形成光吸收层的上半部分，即第二吸收层，也即陷光结构；最后去除掩模。所述凸状结构的形状及排列方式可通过掩模上的图案进行设计。所述凸状结构的高度与厚度D₂相关。优选的，D₁为500nm～3000nm，D₂为10nm～500nm。

所述凸状结构301的分布密度为10⁸个/cm²～10¹⁵个/cm²。考虑到更好的实现光的吸收效率，优选的，所述凸状结构的分布密度为5×10¹⁰个/cm²～10¹²个/cm²。

所述凸状结构的高度为10nm～500nm。所述凸状结构301的形状不做限定。所述凸状结构的尺寸为20nm～200nm。以沿光吸收层的表面作为水平面，所述凸状结构301的尺寸是指凸状结构301的沿水平面作截面所得到的横截面的最大宽度或最大长度、直径，也可认为是，凸状结构301的靠近光吸收层30的“根部”的尺寸。

需要说明的是，由于光吸收层的表面设置陷光结构，后续在光吸收层的表面形成的缓冲层、窗口层及上电极层的表面也可能会呈凹凸形状，但是各膜层均各为一个整体的层状结构。这也并不影响后续的P1刻划。即，至少背电极层的表面为一平整的表面，因而P1刻划时仍可呈统一的平整刻划效果。

所述薄膜太阳能电池具有以下优点：由于在光吸收层30的表面设置陷光结构，该陷光结构为多个相互间隔的凸状结构301。一方面，相对于现有技术在基底或背电极层设置凹凸形状的陷光结构，本实用新型在光吸收层设置陷光结构，避免了基底或背电极层凹凸不平，即至少保证了基底的表面及背电极层的表面为平整的表面，因而可实现P1刻划的效果一致。另外因P2、P3刻划是去除背电极层上的所有涂层，故光吸收层上的陷光结构并不影响刻划效果，也同时避免因光吸收层膜层残留导致的电池短路以及因部分过刻导致的外观不良。另一方面，该凸状结构301的存在，可使得入射光线分散到各个角度，从而增加光线在光吸收层中的光程，提高光的吸收，最终提高太阳能电池的短路电流和光电转换效率；该制备方法具有工艺简单、高效可控的优点。

以下，将通过以下具体实施例对所述薄膜太阳能电池及其制备方法做进一步的说明。

实施例1

该薄膜太阳能电池的制备方法如下：

a)提供一基底，并基底上通过磁控溅射法形成背电极层，其中，所述基底的材料为玻璃，所述背电极层为金属Mo层，磁控溅射法中参数为：以氩气为气源，以金属Mo为靶材，真空度0.1Pa～0.7Pa；

b)通过共蒸法在背电极层上形成厚度约为3微米的光吸收层，再通过等离子体刻蚀法形成陷光结构，其中，所述陷光结构为多个相互间隔的圆锥结构。共蒸发法过程为：在真空环境下，将基底温度升至约500℃，在Se气氛下，加热蒸发铜、铟、镓源，在基底上反应生成厚度约为3μm的CIGS薄膜，其中 Cu/(In+Ga)＝0.9，Ga/(In+Ga)＝0.3，得到铜铟镓硒化物的光吸收层30。等离子体刻蚀方法中离子源为Ar+，加速电压约为3kV，刻蚀时间为5分钟；以及

c)在具有陷光结构的光吸收层上依次沉积形成缓冲层、窗口层及上电极层，其中所述缓冲层为厚度约为80nm的硫化镉，所述窗口层为厚度约为50nm的氧化锌，所述上电极层为厚度约为30微米的AZO透明导电薄膜。

对所得到的薄膜太阳能电池的CIGS层进行形貌测试。测试结果表明，所述薄膜太阳能电池中光吸收层的表面具有多个相互间隔的圆锥结构。该圆锥结构的高度约为150nm～250nm。

将所得到的薄膜太阳能电池进行电池性能测试，结果如表1所示。

实施例2

该薄膜太阳能电池的制备方法如下：

a)提供一基底，并基底上通过磁控溅射法形成背电极层，其中，所述基底的材料为玻璃，所述背电极层为金属Mo层；

b)通过共沉积法在背电极层上形成光吸收层，再通过等离子体刻蚀法形成陷光结构，其中，所述陷光结构为多个相互间隔的圆锥结构，其中等离子体刻蚀方法中离子源为Ar+，加速电压约为800V，刻蚀时间为8分钟；以及

c)在具有陷光结构的光吸收层上依次形成缓冲层、窗口层及上电极层，其中所述缓冲层为硫化镉，所述窗口层为氧化锌，所述上电极层为AZO透明导电薄膜。

实施例2薄膜太阳能电池的制备方法与实施例1基本相同，区别在于，步骤b)中刻蚀时间和加速电压的不同。

对所得到的薄膜太阳能电池进行形貌测试。结果表明，所述薄膜太阳能电池中光吸收层的表面也具有多个相互间隔的圆锥结构。该圆锥结构的高度约为 30nm～100nm。

实施例3

该薄膜太阳能电池的制备方法如下：

a)提供一基底，并基底上通过磁控溅射法形成背电极层，其中，所述基底的材料为玻璃，所述背电极层为金属Ti层；

b)通过共沉积法在背电极层上形成光吸收层，沉积过程分为两个阶段：首先沉积20分钟得到厚度为2.5微米的铜铟镓硒层；然后增加一具有点阵图案的掩模，通过该掩模继续沉积5分钟，得到点阵分布的柱状的凸起结构(如图3 所示)；以及

实施例3薄膜太阳能电池的制备方法与实施例1基本相同，区别在于，步骤b)中形成陷光结构的方法的不同。

对所得到的薄膜太阳能电池进行形貌测试。结果表明，所述薄膜太阳能电池中光吸收层的表面具有多个相互间隔的柱状结构。该柱状结构的高度约为 150nm～200nm。

实施例4

该薄膜太阳能电池的制备方法如下：

b)通过共沉积法在背电极层上形成光吸收层，沉积过程分为两个阶段：首先沉积20分钟得到厚度为2.5微米的铜铟镓硒层；然后增加一具有凹槽图案的掩模，通过该掩模继续沉积5分钟，得到一维分布的条状的凸起结构(如图4 所示)；以及

实施例4薄膜太阳能电池的制备方法与实施例3基本相同，区别在于，步骤b)中形成陷光结构时掩模的图案不同。

对所得到的薄膜太阳能电池进行形貌测试。结果表明，所述薄膜太阳能电池中光吸收层的表面具有多个相互间隔的一维分布的条状结构。该柱条状结构的高度约为150nm～200nm。

为了更好的说明本发所述薄膜太阳能电池的优异性能，还提供一对比例。

对比例

该薄膜太阳能电池的制备方法如下：

b)通过共沉积法在背电极层上形成厚度约为3微米的光吸收层；以及

c)在光吸收层上依次沉积形成缓冲层、窗口层及上电极层，其中所述缓冲层为厚度约为80nm的硫化镉，所述窗口层为厚度约为50nm的氧化锌，所述上电极层为厚度约为30微米的AZO透明导电薄膜。

对所得到的薄膜太阳能电池进行形貌测试。测试结果表明，所述薄膜太阳能电池中光吸收层的表面为较为平坦的表面。

表1

	短路电流密度mA/cm²	光电转换效率(％)
			实施例1	29.7	14.9
实施例2	31.2	15.7
			实施例3	30.1	15.1
实施例4	30.3	15.2
			对比例	29.3	14.7

由表1可见，相对于对比例的薄膜太阳能电池，本申请实施例1至实施例4 的光电转换效率及短路电流均得到较大提高。特别是实施例2的薄膜太阳能电池由于具有特殊的圆锥形状的陷光结构，因而，可大大提高光程，而使其光电转换效率得到提高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

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

1.一种薄膜太阳能电池，其包括一基底以及设置于基底的背电极层、光吸收层、缓冲层、窗口层及上电极层，其特征在于，所述光吸收层的表面包括一陷光结构，所述陷光结构为多个相互间隔的凸状结构。

2.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸状结构为圆锥结构、四面体结构、柱状体、凸条、及球状结构中的至少一种。

3.如权利要求2所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸状结构为圆锥结构。

4.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸状结构的分布密度为10⁸个/cm²～10¹⁵个/cm²。

5.如权利要求4所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸状结构的分布密度为5×10¹⁰个/cm²～10¹²个/cm²。

6.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸状结构的高度为10nm～500nm。

7.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述凸状结构的靠近光吸收层的根部的尺寸为20nm～200nm。

8.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述光吸收层的厚度为0.5μm～3μm。

9.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述缓冲层的厚度为30nm～100nm。

10.如权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于，所述窗口层的厚度为30nm～200nm。