CN208570618U

CN208570618U - 一种太阳能电池

Info

Publication number: CN208570618U
Application number: CN201820997819.3U
Authority: CN
Inventors: 李新连; 陈涛; 德臣; 杨立红
Original assignee: Beijing Apollo Ding Rong Solar Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai zuqiang Energy Co.,Ltd.
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2019-03-01
Anticipated expiration: 2028-06-26

Abstract

本实用新型涉及一种太阳能电池，包括：基底；背电极层，其设置于所述基底上方，所述背电极层包括第一层和第二层，所述第一层紧邻基底一侧，所述第二层体积密度小于所述第一层体积密度；光吸收层，其设置在所述第二层上方；以及前电极层，其设置在所述第二层上方；以及其中，所述第一层与所述第二层间无明显分界。相比于现有技术中含有光滑背电极表面的太阳能电池，此种具有适度体积密度的粗糙表面层的背电极的太阳能电池有利于自发形成限光效应，降低太阳能电池的光反射率，提高光吸收率。

Description

一种太阳能电池

技术领域

本实用新型涉及太阳能光伏领域，特别地涉及一种太阳能电池。

背景技术

经济的快速发展带来全球能源危机和环境污染等问题，开发可再生能源和清洁能源迫在眉睫。近年来，太阳能作为新能源以其廉价、含量丰富、易获得和无污染等优势已逐渐取代化石能源。太阳能作为能源的利用主要体现在利用其进行发电。

薄膜太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用光能转换成电能的装置。薄膜太阳能电池主要是由铜铟镓硒(简称为：CIGS)材料和其他材料在基底上形成P-N节的薄膜来发电，其具有光吸收能力强、转化效率高、制造成本低、可柔性化、发电稳定以及环境友好等优点。薄膜太阳能电池的转化效率是指转化成的有效电能所占入射的太阳光能量的百分比，目前实验室最高太阳能电池转化效率已经超过22％，但是实际工业生产中还很难达到如此高的转化效率。提高太阳能电池的光能转化效率可以有效节约生产成本，进一步解决能源危机问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种太阳能电池，包括：基底；背电极层，其设置于所述基底上方，所述背电极层包括第一层和第二层，所述第一层紧邻基底一侧，所述第二层体积密度小于所述第一层体积密度；光吸收层，其设置在所述第二层上方；以及前电极层，其设置在所述第二层上方。

如上所述的太阳能电池，所述第一背电极层和第二背电极层包括金属钼。

如上所述的太阳能电池，所述第二背电极层的厚度为5-30nm。

如上所述的太阳能电池，所述第一背电极层的厚度为300-1000nm。

如上所述的太阳能电池，所述第二背电极层单位体积内钼含量约为6g/cm³。

如上所述的太阳能电池，所述第一背电极层单位体积内钼含量约为10g/cm³。

如上所述的太阳能电池，所述第二背电极层具有粗糙面层，粗糙度Ra为Ra<30nm。

如上所述的太阳能电池，所述第一背电极层还可以进一步包括第一沉积层和第二沉积层，所述第一沉积层体积密度小于所述第二沉积层的体积密度，其中所述第一沉积层紧邻所述基底。

相比于现有技术中含有光滑背电极表面的太阳能电池，包含具有适度体积密度粗糙表面层的背电极表的太阳能电池有利于自发形成限光效应，降低太阳能电池的光反射率，提高光吸收率。

附图说明

下面，将结合附图对本实用新型的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1A和图1B是根据本实用新型的一个实施例的薄膜太阳能电池示意图；以及

图2是根据本实用新型的一个实施例的薄膜太阳能电池的制备流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

太阳能电池工作的基础是半导体PN结的光生伏特效应，即太阳光照射在太阳能电池中的PN结上时，其内电荷分布状态发生变化，在PN结的两边产生电动势和电流。

图1A和图1B是根据本实用新型的一个实施例的薄膜太阳能电池示意图。根据本实用新型的一个实施例，采用普通的钠钙玻璃作为基底101，其中的钠元素以扩散形式进入CIGS晶粒(光吸收层103)中，促进CIGS晶粒(光吸收层103)的生长，优化光吸收层103的电学性能，尤其能提高其P型特性。作为可选的实施例，基底101也可以使用其他刚性材料如玻璃、陶瓷等，或者柔性材料如金属、塑料等。需要注意的是，有的玻璃在使用时可能需要采用特殊工艺处理，如硼硅玻璃、聚酰亚胺玻璃；如选择金属作为基底101，需在金属上表面与太阳能电池其他组分接触的一侧镀绝缘的阻挡层，如氧化硅、氮化硅等；如选择塑料作为基底，需注意所选塑料所耐受的温度限度。

背电极102镀制于基底101表面，根据本实用新型的一个实施例，采用金属钼(Mo)作为背电极102，其具有稳定性好、反射率高、电阻低的优点。作为可选的实施例，也可以使用金属钨(W)或者透明导电层(TCO)作为背电极。根据本实用新型的一个实施例，背电极102具有两层结构，其中第一层1021紧邻基底101，第二层1022包括粗糙面层。根据本实用新型的一个实施例，第一层与第二层间无明显分界。根据本实用新型的一个实施例，粗糙面层1022体积密度小于第一层1021，体积密度约4-8g/cm³，表面粗糙度不超过30nm。具有适当粗糙度的粗糙面层可以改进背电极与其上附着层的附着。现有技术中，背电极体积密度约9-10g/cm³，表面粗糙度约为4nm，为光滑表面，继续在其上镀制其余膜层时，形成光滑的表面。该情况下，光吸收层103表面的粗糙度过低，体积密度高，反射率较高，不利于光能的充分吸收。相比于现有技术中含有光滑背电极表面的太阳能电池，包含适度的粗糙背电极表面的太阳能电池具有较低体积密度的表面，有利于自发形成限光效应，降低太阳能电池的光反射率，提高光吸收率。根据本实用新型的一个实施例，通过实验得出，背电极表面体积密度约4-8g/cm³，表面粗糙度在30nm以下为佳。采集分析本实用新型的实施例结果得出，表面体积密度约5-7g/cm³、粗糙度约在10-20nm之间时，太阳能电池的转化效率有较明显提高。根据本实用新型的一个实施例，所述的体积密度也可以定义为单位体积内某种材料的体积，第一背电极层的体积密度大于第二背电极层的体积密度可以为在单位体积内，第一背电极层的中Mo的含量大于第二背电极层Mo的含量，也可以为在单位体积内，第一被电极层所占的体积大于第二背电极层所占的体积。

根据本实用新型的一个实施例，第一层1021可以进一步包括第一沉积层和第二沉积层。其中第一沉积层紧邻基底一侧，第二沉积层设置在第一沉积层和第二层之间。根据本实用新型的一个实施例，第一沉积层体积密度小于所述第二沉积层，也就是说第一沉积层较第二沉积层具有更大的粗糙度，可以增加背电极的附着力；第二沉积层较第一沉积层更为致密，体积密度大，表面光滑，粗糙度低，具有更好的导电性。结合本实用新型中第二层1022粗糙面层，使太阳能电池的转化效率明显提高。

背电极粗糙面层1022表面为光吸收层103。背电极具有光滑面层，则其上光吸收层也具有光滑表面；背电极具有粗糙面层，则其上光吸收层也具有粗糙面层。根据本实用新型的一个实施例，光吸收层可以为厚度均匀的CIGS薄膜。CIGS薄膜是由铜(Cu)、铟(In)、镓(Ga)、硒(Se)四种元素按比例构成的黄铜矿结晶，在太阳能电池中具有P型特性。根据其中镓取代铟比率的不同，其带隙宽度在1.02eV至1.65eV范围内连续可调，使其可以应用于不同光照条件下。如带隙增加，也可以使用硫代替硒，使价带下降。根据本实用新型的一个实施例，光吸收层镀在粗糙度小于30nm的背电极表面，相应也具有粗糙面层。将具有粗糙面层的光吸收层的太阳能电池置于阳光下，其粗糙表面对光能的反射降低，吸收率升高。

光吸收层103上表面的缓冲层104位于光吸收层103和前电极层之间，可以降低两者带隙不连续性，解决其晶格不匹配问题，从而解决禁带宽度不匹配问题。根据本实用新型的一个实施例，使用硫化镉(CdS)作为缓冲层，其具有N型半导体材料特性。硫化镉，具有较高的光透过率可以减少薄膜太阳能电池的光损失，从而有效增加太阳能电池的光电转化效率，是一种理想的太阳能电池电池缓冲材料。

前电极层包括高阻氧化锌和低阻氧化锌，分别构成高阻层105和透明电极层106。根据本实用新型的一个实施例，高阻层105为本征氧化锌层(i-ZnO)。透明电极层106可以做为太阳能电池的上电极。在实际的生产中，透明电极层106可以采用n掺杂透明导电物的组合材料(n-ZnO)，如AZO、GZO、IZO、ITO等。根据本实用新型的一个实施例，透明电极层106使用的是铝掺杂氧化锌(AZO)，其可见光透过率高，且表面电阻低，可以降低串联电阻损耗，提高太阳能电池的转化效率。前电极层最终与光吸收层103共同组成太阳能电池的PN结部分，实现太阳能发电功能。

栅极107镀制在前电极层之上，用于收集电流。基于以上101-107，最终形成可实现光伏发电的太阳能电池。

图2是根据本实用新型的一个实施例的薄膜太阳能电池的制备流程图。如图所示，制备太阳能电池的方法200包括以下步骤：首先获取基底201，选取合适的材料作为太阳能电池的基底。根据本实用新型的一个实施例，所选用的基底为钠钙玻璃。根据本实用新型可选的实施例，实际运用及生产中，基底的选取也可以为其他刚性材料如玻璃、陶瓷等，或者柔性材料如金属、塑料等。

获取基底201后，在选取好的基底上镀制背电极202。根据本实用新型的一个实施例，选取金属钼作为背电极，通过磁控溅射的方法在基板上镀制一层约500nm的钼背电极层。根据本实用新型的一个实施例，先使用第一溅射气压，在基底上沉积10-100nm的第一沉积层，作为附着层；再使用第二溅射气压在其上继续沉积200-1000nm的第二沉积层，作为导电层，其中第一溅射气压高于第二溅射气压。此种通过改变溅射气压多次溅射，可以改进背电极的附着力和导电性。根据太阳能电池安装的环境及所需的输出电量，也可以仅使用其中一种溅射方式镀制背电极层。此处提及的第一溅射气压及第二溅射气压并不指代特定气压，只是相对概念。实际生产制造过程中，需根据实际使用情况调节溅射气压。

对背电极表面改性处理203。根据本实用新型的一个实施例，采用离子刻蚀方法实现对背电极的表面改性处理。即在镀制背电极202完成后，使其进入具有Ar⁺源的真空腔体，利用约1KV的电压加速Ar⁺，刻蚀背电极表面约2-10分钟，形成粗糙的膜表面。通过本实用新型相关实验得知，此条件下离子刻蚀2-10分钟所形成粗糙面层的粗糙度约为10-20nm。除离子刻蚀方法外，根据本实用新型的一个实施例，使用机械喷砂刻蚀的方式也可以使背电极表面形成同样粗糙程度的表面。

对背电极表面改性处理203不限于刻蚀的方式。根据本实用新型的一个实施例，还可以使用磁控溅射法，继续使用第三溅射气压在已镀制好的背电极表面继续镀制钼层。其中第三溅射气压高于第二溅射气压。本领域技术人员很容易理解，在高气压下磁控溅射法形成的膜疏松多孔、表面粗糙，若控制好气压及磁控溅射的时间，完全可以实现在背电极表面形成粗糙度小于30nm的粗糙面层。

在改性的背电极表面镀制光吸收层204。根据本实用新型的一个实施例，采用共蒸发法镀制厚度约2000-3000nm的光吸收层，本实用新型中所述光吸收层均为CIGS层。根据本实用新型的另一个实施例，还可以使用溅射后硒化法镀制CIGS层。本领域技术人员应当理解，镀制CIGS层的方法有很多，除上述所列两种方法，还有三步共蒸法、电化学沉积法、喷涂热解法、丝网印刷法等。本实用新型中所用共蒸发法和溅射后硒化法是现研究最为广泛、技术较为成熟、制备出电池效率较高的方法。根据本实用新型的一个实施例，还可以将蒸发法与溅射后硒化法结合，镀制CIGC层。由于光吸收层以背电极为基础镀制，而背电极表面为粗糙面层，所以镀制后所得CIGS层也具有粗糙表面。

镀制缓冲层205。根据本实用新型的一个实施例，缓冲层为硫化镉。根据本实用新型的一个实施例，采用化学水浴法在光吸收层表面镀制厚度约40nm的缓冲层。如本领域技术人员理解，缓冲层镀制也可以使用其他方法，如真空蒸发法、溅射原子层化学气相沉积法、电沉积法等。

镀制前电极层-高阻层206。根据本实用新型的一个实施例，采用磁控溅射法在缓冲层上镀制厚度约50nm的本征氧化锌薄膜。根据本实用新型的一个实施例，还可以使用射频溅射法镀制高阻层。高阻层的镀制不限于此两种方法。

镀制前电极层-透明电极层207。根据本实用新型的一个实施例，透明电极层为铝掺杂氧化锌，采用磁控溅射法在高阻层上镀制厚度约300nm透明电极层。除此之外，镀制透明电极层还可以使用射频溅射法、反应溅射法等，如需大规模镀制，还可使用直流射频法。

最后镀制栅极208。在电池表面蒸镀栅极，使其最终与以上各层形成电池。

使用如上方法制备的太阳能电池，电池性能如下表所示：

表1：

如表1所示，表中表面粗糙度为背电极表面粗糙度，反映具有不同体积密度的背电极表面层。现有技术中，背电极体积密度约为10g/m³，粗糙度约为4nm。跟现有技术相比，当背电极表面粗糙度增加至15nm时，其开路电压V_OC不变，短路电流密度J_SC有明显升高，太阳能电池转化效率η明显升高；当背电极表面粗糙度增加至30nm时，短路电流密度J_SC虽然有增加，但其开路电压V_OC减小，填充因子FF减小，太阳能电池转化效率η反而下降。但是从表格中可以看出，当背电极表面粗糙度为15nm和30nm时，相比现有技术，其短路电流密度都增加，说明提高表面粗糙度有利于增大光吸收率。

通过多组实验得知，背电极表面改性处理后，其粗糙度在10-20nm范围内时，有利于提高太阳能电池转化效率。过于粗糙的背电极表面会影响CIGS的晶粒生长，继而影响太阳能电池的开路电压V_OC，进而影响太阳能电池转化效率，使转化效率下降。

上述实施例仅供说明本实用新型之用，而并非是对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此，所有等同的技术方案也应属于本实用新型公开的范畴。

Claims

1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：

基底；

背电极层，其设置于所述基底上方，所述背电极层包括第一背电极层和第二背电极层，所述第一背电极层紧邻所述基底，所述第二背电极层的体积密度小于所述第一背电极层的体积密度；

光吸收层，其设置在所述第二背电极层上方；以及

前电极层，其设置在所述光吸收层上方。

2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一背电极层和第二背电极层包括金属钼。

3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述第二背电极层的厚度为5-30nm。

4.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一背电极层的厚度为300-1000nm。

5.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述第二背电极层单位体积内钼含量约为6g/cm³。

6.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一背电极层单位体积内钼含量约为10g/cm³。

7.根据权利要求3所述的太阳能电池，其特征在于，所述第二背电极层具有粗糙面层，粗糙度Ra为Ra<30nm。

8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述第一背电极层还可以进一步包括第一沉积层和第二沉积层，所述第一沉积层的体积密度小于所述第二沉积层的体积密度，其中所述第一沉积层紧邻所述基底。