CN207602580U - 一种薄膜太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及太阳能电池领域，特别地涉及一种薄膜太阳能电池。本实用新型公开了一种薄膜太阳能电池，包括衬底，以及沿远离衬底的方向依次设置在衬底上的阻挡层、背电极层、p型光吸收层、硒化镉层、硫硒化锌层和透明导电层。本实用新型可以有效防止界面处界面态缺陷的形成，提高了薄膜太阳能电池的短路电流，从而提高了薄膜太阳能电池的性能。

Description

一种薄膜太阳能电池
技术领域
本实用新型属于薄膜太阳能电池技术领域，具体地涉及一种CIGS基薄膜太阳能电池。
背景技术
随着全球气候变暖、生态环境恶化和常规能源的短缺，越来越多的国家开始大力发展太阳能利用技术。太阳能光伏发电是零排放的清洁能源，具有安全可靠、无噪音、无污染、资源取之不尽、建设周期短、使用寿命长等优势，因而备受关注。铜铟镓硒(CIGS)是一种直接带隙的P型半导体材料，其吸收系数高达105/cm，2um厚的铜铟镓硒薄膜就可吸收90％以上的太阳光。CIGS薄膜的带隙从1.04eV到1.67eV范围内连续可调，可实现与太阳光谱的最佳匹配。铜铟镓硒薄膜太阳电池作为新一代的薄膜电池具有成本低、性能稳定、抗辐射能力强、弱光也能发电等优点，其转换效率在薄膜太阳能电池中是最高的，已超过20％的转化率，因此日本、德国、美国等国家都投入巨资进行研究和产业化。
在CIGS基薄膜太阳能电池领域，近年来研究使用硫化锌或硒化锌等材料作为缓冲层，但是使用这些材料获得的薄膜电池始终不能获得与使用硫化镉的薄膜电池一样高的转换效率。究其原因是缓冲层材料与p型光吸收层之间的带隙及晶格常数匹配不够理想，它们之间存在较高的界面态缺陷所致，同时由于缓冲层材料与后续膜层的带隙不能很好匹配，也会导致电池的性能下降。
中国专利CN102254998公开了一种无镉铜铟镓硒薄膜太阳能电池组件及其硫化锌缓冲层薄膜的制备方法，该方法采用在铜铟镓硒光吸收层表面溅镀氧化锌薄膜，然后将样片放入硒化室内在硫化氢的气氛下进行退火处理，将所述氧化锌薄膜转化为硫化锌缓冲层薄膜。该方法直接在铜铟镓硒光吸收层的表面溅射沉积氧化锌薄膜，氧等元素的高能粒子会轰击铜铟镓硒光吸收层的表面，会使其表面遭受破坏，这样形成的pn结的质量很差，将使薄膜电池的性能恶化。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种薄膜太阳能电池用以解决上述的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种薄膜太阳能电池，包括衬底，以及沿远离衬底的方向依次设置在衬底上的阻挡层、背电极层、p型光吸收层、硒化镉层、硫硒化锌层和透明导电层。
进一步的，所述硒化镉层的厚度≤9nm，优选所述硒化镉层的厚度≤7nm，更优选所述硒化镉层的厚度≤5nm。
进一步的，所述p型光吸收层为p型铜铟镓硒膜层、p型铜铟镓硒硫膜层、p型铜铟镓硫膜层、p型铜铟镓铝硒膜层、p型铜铟镓铝硒硫膜层、p型铜铟镓铝硫膜层、p型铜铟硒膜层、p型铜铟硒硫膜层、p型铜铟硫膜层或它们的任意组合。
进一步的，所述背电极层为钼电极层、钛电极层、铬电极层、透明导电层或它们的任意组合。
进一步的，所述透明导电层为银基透明导电膜层、氧化铟掺杂锡膜层、氧化锌掺杂铝膜层、氧化锌掺杂镓膜层、氧化锌掺杂铟膜层、氧化锌掺杂硼膜层、氧化锡掺杂氟膜层、氧化锡掺碘膜层、氧化锡掺杂锑膜层和石墨烯层中的至少一种膜层组成。
进一步的，所述衬底为钠钙玻璃板、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
进一步的，所述硫硒化锌层与透明导电层之间设有一层具有高电阻率的氧化锌膜层，所述具有高电阻率的氧化锌膜层为本征氧化锌膜层、具有电阻率为0.08Ω﹒cm至95Ω﹒cm的掺杂氧化锌膜层或它们的组合。
进一步的，所述阻挡层由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氧化钛、氮氧化钛、氮氧化锆、氧化锆、氮化锆、氮化铝、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅铝、氮氧化硅铝、锌锡氧化物或它们的任意混合物组成；或所述阻挡层由硅、锆和钛中的至少一种元素与钼组成的至少两种元素的氧化物、氮化物或氮氧化物组成；当衬底为玻璃基板时，所述阻挡层为一含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层，该碱过滤层包含Li、K中的至少一种元素和Si、Al、O三种元素。
进一步的，所述硒化镉层与硫硒化锌层之间设有一层硫化镉膜层、硫化铟膜层、硒化铟膜层或硫硒化铟膜层。
进一步的，所述透明导电层上设有一减反射膜层，所述减反射膜层由一层或多层组成。
本实用新型的有益技术效果：
本实用新型通过使用硒化镉层(优选其厚度≤9nm)，同时在硒化镉层上使用硫硒化锌层，通过设计这样的膜层结构可以更好的钝化p型光吸收层的表面，同时使之与p型光吸收层、后续膜层(如本征氧化锌膜层、透明导电层)的带隙更匹配，因此，可有效防止界面处界面态缺陷的形成，提高了薄膜太阳能电池的短路电流，从而提高了薄膜太阳能电池的性能。
附图说明
图1为传统的CIGS基薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2为本实用新型的一种薄膜太阳能电池的结构示意图；
图3为本实用新型的另一种薄膜太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。
如图2所示，一种薄膜太阳能电池，包括衬底1，以及沿远离衬底1的方向依次设置在衬底上的阻挡层21、背电极层2、p型光吸收层3、硒化镉层31、硫硒化锌层41、具有高电阻率的氧化锌膜层5和透明导电层6。
在一些实施例中，也可以省略具有高电阻率的氧化锌膜层5，透明导电层6直接覆盖在硫硒化锌层41上。
本具体实施例中，所述硒化镉层32的厚度≤9nm，优选所述硒化镉层32的厚度≤7nm，更优选所述硒化镉层32的厚度≤5nm。
本具体实施例中，所述硫硒化锌层41为ZnS1-xSex，且0<x<1；优选所述硫硒化锌层41在厚度方向上含Se元素浓度由靠近p型光吸收层3的一侧向另一侧呈阶梯式降低，且在远离p型光吸收层3的一侧的ZnS1-xSex中x≥0.25。
本具体实施例中，所述p型光吸收层3为p型铜铟镓硒膜层、p型铜铟镓硒硫膜层、p型铜铟镓硫膜层、p型铜铟镓铝硒膜层、p型铜铟镓铝硒硫膜层、p型铜铟镓铝硫膜层、p型铜铟硒膜层、p型铜铟硒硫膜层、p型铜铟硫膜层或它们的任意组合。所述p型光吸收层3中含有碱金属元素，所述p型光吸收层3中还可含有锑、铋元素。
本具体实施例中，所述背电极层2为钼电极层、钛电极层、铬电极层、透明导电层或它们的任意组合。所述背电极层2中还可含有碱金属、氧、氮等元素。
所述透明导电层6是由银基透明导电膜层、氧化铟掺杂锡膜层、氧化锌掺杂铝膜层、氧化锌掺杂镓膜层、氧化锌掺杂铟膜层、氧化锌掺杂硼膜层、氧化锡掺杂氟膜层、氧化锡掺碘膜层、氧化锡掺杂锑膜层和石墨烯层中的至少一种膜层组成；所述衬底1为钠钙玻璃板、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
本具体实施例中，所述具有高电阻率的氧化锌膜层5为本征氧化锌膜层、具有电阻率为0.08Ω﹒cm至95Ω﹒cm的掺杂氧化锌膜层或它们的组合。所述阻挡层21是由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氧化钛、氮氧化钛、氮氧化锆、氧化锆、氮化锆、氮化铝、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅铝、氮氧化硅铝、锌锡氧化物或它们的任意混合物组成的材料层；或所述阻挡层21是由硅、锆和钛中的至少一种元素与钼组成的至少两种元素的氧化物、氮化物或氮氧化物组成的材料层；当衬底1为玻璃基板时，所述阻挡层21为一含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层，该碱过滤层包含Li、K中的至少一种元素和Si、Al、O三种元素。
本具体实施例中，所述硫硒化锌层41的厚度不大于200nm；所述硫硒化锌层41中还可含有少量的B、Al、Ga或In元素中的至少一种。
进一步的，在一些实施例中，所述硒化镉层31与硫硒化锌层41之间还可以设有一层硫化镉膜层、硫化铟膜层、硒化铟膜层或硫硒化铟膜层(图中未示出)。
硒化镉层31和硫硒化锌层41可由溅射沉积获得，真空蒸镀沉积获得，也可由化学水浴法(CBD)获得，也可由金属有机化学气相沉积法(MOCVD)获得，也可用反应等离子体沉积法获得，当然也可用其它适合的膜层沉积方法获得。
图3所示为另一种薄膜太阳能电池，其与图2的薄膜太阳能电池区别在于：在透明导电层6上还设有一减反射膜层7，所述减反射膜层7由一层或多层组成。
下面将通过几个具体实施例来说明本实用新型的薄膜太阳能电池。以下实施例中，均是在干净的衬底表面上依次沉积上各膜层。
实施例1
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积50nm的氮氧化硅层作为阻挡层21；接着在阻挡层21上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层2；接着在钼电极层2上形成2.0um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓二硒p型光吸收层3，所述p型光吸收层3含有钠元素；接着在p型光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积9nm的硒化镉层31；接着在硒化镉层31上形成50nm的ZnS1-xSex膜层41，所述的ZnS1-xSex膜层41中在靠近p型光吸收层3的一侧为ZnSe，在远离p型光吸收层3的一侧为ZnS0.75Se0.25；接着在ZnS1-xSex膜层41上采用磁控溅射沉积40nm的本征ZnO膜层5；接着在本征ZnO膜层5上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层6，如图2所示。
通过测试，此薄膜太阳能电池的短路电流为34.2mA/cm2。
实施例2
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积100nm的氮化硅层作为阻挡层21；接着在阻挡层21上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层2；接着在钼电极层2上形成2.1um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓二硒p型光吸收层3，所述p型光吸收层3含有钠元素；接着在p型光吸收层3上采用磁控溅射沉积3nm的硒化镉层31；接着在硒化镉层31上形成60nm的ZnS1- xSex膜层41，所述的ZnS1-xSex膜层41中在靠近p型光吸收层3的一侧为ZnS0.1Se0.9，在远离p型光吸收层3的一侧为ZnS0.7Se0.3；接着在ZnS1-xSex膜层41上采用磁控溅射沉积45nm的本征ZnO膜层5；接着在本征ZnO膜层5上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层6。
通过测试，此薄膜太阳能电池的短路电流为34.8mA/cm2。
实施例3
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积100nm的氧化硅层作为阻挡层21；接着在阻挡层21上采用磁控溅射沉积550nm的金属钼电极层2；接着在钼电极层2上形成2.1um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒硫p型光吸收层3，所述p型光吸收层3含有钠元素；接着在p型光吸收层3上形成5nm的硒化镉层31；接着在硒化镉层31上形成20nm的硫化镉层；接着在硫化镉层上采用磁控溅射法沉积200nm的ZnS1-xSex膜层41，所述的ZnS1-xSex膜层41中在靠近p型光吸收层3的一侧为ZnS0.05Se0.95，在远离p型光吸收层3的一侧为ZnS0.65Se0.35；接着在ZnS1-xSex膜层41上采用磁控溅射沉积30nm的本征ZnO膜层5；接着在本征ZnO膜层5上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层6。
通过测试，此薄膜太阳能电池的短路电流为33.4mA/cm2。
实施例4
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积30nm的氧化锆层作为阻挡层21；接着在阻挡层21上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层2；接着在钼电极层2上形成2.1um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓硒硫p型光吸收层3，所述p型光吸收层3含有钠元素；接着在p型光吸收层3上形成3nm的硒化镉层31；接着在硒化镉层31上形成15nm的硫化铟层；接着在硫化铟层上采用磁控溅射法沉积35nm的ZnS1-xSex膜层41，所述的ZnS1-xSex膜层41中在靠近p型光吸收层3的一侧为ZnS0.05Se0.95，在远离p型光吸收层3的一侧为ZnS0.75Se0.25；接着在ZnS1- xSex膜层41上采用磁控溅射沉积30nm的本征ZnO膜层5；接着在本征ZnO膜层5上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层6。
通过测试，此薄膜太阳能电池的短路电流为33.7mA/cm2。
实施例5
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积40nm的氧化钛层作为阻挡层21；接着在阻挡层21上采用磁控溅射沉积550nm的金属钼电极层2；接着在钼电极层2上形成2.1um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓二硒p型光吸收层3，所述p型光吸收层3含有钠元素；接着在p型光吸收层3上采用磁控溅射沉积3nm的硒化镉层31；接着在硒化镉层31上形成60nm的ZnS1- xSex膜层41，所述的ZnS1-xSex膜层41中在靠近p型光吸收层3的一侧为ZnS0.1Se0.9，在远离p型光吸收层3的一侧为ZnS0.7Se0.3；接着在ZnS1-xSex膜层41上采用磁控溅射沉积45nm的本征ZnO膜层5；接着在本征ZnO膜层5上采用磁控溅射沉积600nm的AZO6膜层；接着在AZO膜层6上采用真空蒸镀沉积100nmMgF2膜层7，如图3所示。
通过测试，此薄膜太阳能电池的短路电流为35.1mA/cm2。
对比例1
在一衬底1为钠钙玻璃上采用磁控溅射沉积500nm的金属钼电极层2；接着在钼电极层2上形成2.0um厚的具有黄铜矿结构的铜铟镓二硒p型光吸收层3；接着在p型光吸收层3上采用化学浴(CBD)方法沉积50nm的CdS膜层作为缓冲层4；在缓冲层4上采用磁控溅射沉积40nm的本征ZnO膜层5；接着在本征ZnO膜层5上采用磁控溅射沉积600nm的AZO膜层6，如图1所示。
通过测试，此薄膜太阳能电池的短路电流为31.1mA/cm2。
从上述实施例与对比例的比较可以看出，本实用新型的膜层结构可增加薄膜太阳能电池的短路电流，从而提高了薄膜太阳能电池的性能。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本实用新型做出各种变化，均为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种薄膜太阳能电池，其特征在于：包括衬底、阻挡层、背电极层、p型光吸收层、硒化镉层、硫硒化锌层和透明导电层，所述阻挡层设置在衬底上，所述背电极层设置在阻挡层上，所述p型光吸收层设置在背电极层，所述硒化镉层设置在p型光吸收层上，所述硫硒化锌层设置在硒化镉层上，所述透明导电层设置在硫硒化锌层上。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硒化镉层的厚度≤9nm。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述p型光吸收层为p型铜铟镓硒膜层、p型铜铟镓硒硫膜层、p型铜铟镓硫膜层、p型铜铟镓铝硒膜层、p型铜铟镓铝硒硫膜层、p型铜铟镓铝硫膜层、p型铜铟硒膜层、p型铜铟硒硫膜层、p型铜铟硫膜层或它们的任意组合。
4.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述背电极层为钼电极层、钛电极层、铬电极层、透明导电层或它们的任意组合。
5.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电层为银基透明导电膜层、氧化铟掺杂锡膜层、氧化锌掺杂铝膜层、氧化锌掺杂镓膜层、氧化锌掺杂铟膜层、氧化锌掺杂硼膜层、氧化锡掺杂氟膜层、氧化锡掺碘膜层、氧化锡掺杂锑膜层和石墨烯层中的至少一种膜层组成。
6.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述衬底为钠钙玻璃板、不锈钢薄板、聚酰亚胺板、铝薄板或钛薄板。
7.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硫硒化锌层与透明导电层之间设有一层具有高电阻率的氧化锌膜层，所述具有高电阻率的氧化锌膜层为本征氧化锌膜层、具有电阻率为0.08Ω﹒cm至95Ω﹒cm的掺杂氧化锌膜层或它们的组合。
8.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阻挡层由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氮化钛、氧化钛、氮氧化钛、氮氧化锆、氧化锆、氮化锆、氮化铝、氧化铝、氧化硅铝、氮化硅铝、氮氧化硅铝、锌锡氧化物或它们的任意混合物组成；或所述阻挡层由硅、锆和钛中的至少一种元素与钼组成的至少两种元素的氧化物、氮化物或氮氧化物组成；当衬底为玻璃基板时，所述阻挡层为一含有Li、K中至少一种元素的碱过滤层，该碱过滤层包含Li、K中的至少一种元素和Si、Al、O三种元素。
9.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述硒化镉层与硫硒化锌层之间设有一层硫化镉膜层、硫化铟膜层、硒化铟膜层或硫硒化铟膜层。
10.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池，其特征在于：所述透明导电层上设有一减反射膜层，所述减反射膜层由一层或多层组成。
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