太空高效超導(dǎo)太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其膜層結(jié)構(gòu)從基板到受光面依次包括背電極MO層、CIGS吸收層、改良過渡層、i-ZnO窗口層和沉積有ZnO:Al的透明電極層，所述透明電極層上設(shè)有引線，其特征是：所述改良過渡層為摻雜有Nb-Ti合金的ZnSe層。本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池與原有CIGS電池相比，突破了原有近地表面使用范圍，使CIGS應(yīng)用于太空低溫環(huán)境，并利用太空低溫環(huán)境，通過改良過渡層以達到超導(dǎo)效應(yīng)用以提高電池發(fā)電性能及過渡層與吸收層晶格匹配，提高了電子傳輸及光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】太空高效超導(dǎo)太陽能電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池應(yīng)用領(lǐng)域，特別是涉及一種可利用光能轉(zhuǎn)換成電能，并且可自行發(fā)電的太空高效超導(dǎo)太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵硒(CIGS)薄膜太陽能電池由于效率高、無衰退、抗輻射、壽命長、成本低廉等特點，成為備受人們關(guān)注的一種新型光伏電池產(chǎn)品，經(jīng)過近30年的研究和發(fā)展，其光電轉(zhuǎn)化效率為所有已知薄膜太陽能電池中最高的，而且其光譜響應(yīng)范圍寬。銅銦鎵硒CuInSe2(簡稱CIS)薄膜材料是屬于1-1I1- VI 2族化合物直接帶隙半導(dǎo)體，薄膜厚度約為1-2 μ m就能吸收太陽光，其禁帶寬度為1.02eV。通過摻入適量的Ga元素以代替部分的In，成為CuInSe2 與 CuGaSe2 的固溶半導(dǎo)體 CuInl_xGaxSe2。
[0003]在電池的帶隙優(yōu)化或電池轉(zhuǎn)換效率方面，國際上普遍采用CIGS電池在制作過程中，通過控制不同的Ga摻入量用以代替In，改變晶體的晶格常數(shù)，其禁帶寬度可在
1.02-1.67eV范圍內(nèi)調(diào)整，這就為太陽能電池的帶隙優(yōu)化提供了很好的途徑。此外緩沖層如CdS或ZnSe也改進了電池結(jié)構(gòu)，使電池效率大幅提升。
[0004]但應(yīng)用于外太空，銅銦鎵硒發(fā)電效率及使用壽命受環(huán)境溫度影響甚大，外太空溫度接近絕對零度(3-10 K)，對于銅銦鎵硒來說，如何改善過渡層結(jié)構(gòu)，更好的適應(yīng)太空生活及提高發(fā)電效率尤其重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種摻雜微量雜質(zhì)元素改善過渡層內(nèi)部結(jié)構(gòu)，形成超導(dǎo)效應(yīng)提高電子傳輸及高效轉(zhuǎn)化效率的太空高效超導(dǎo)太陽能電池。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案為:
一種太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其膜層結(jié)構(gòu)從基板到受光面依次包括背電極MO層、CIGS吸收層、改良過渡層、1-ZnO窗口層和沉積有ZnO = AL的透明電極層，所述透明電極層上設(shè)有引線，其特征是:所述改良過渡層為摻雜有Nb-Ti合金的ZnSe層。
[0007]所述改良過渡層按照ZnSe:Nb:Ti=9:0.5:0.5的質(zhì)量配比制備。
[0008]所述改良過渡層是指采用真空蒸發(fā)法將ZnSe、Nb和Ti靶材原子在真空環(huán)境、1150-1300°C條件下在吸收層成膜而形成。
[0009]所述引線為摻雜了 Nb-Ti合金的AL導(dǎo)線。
[0010]本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池與原有CIGS電池相比，突破了原有近地表面使用范圍，使CIGS應(yīng)用于太空低溫環(huán)境，并利用太空低溫環(huán)境，通過改良過渡層以達到超導(dǎo)效應(yīng)用以提高電池發(fā)電性能及過渡層與吸收層晶格匹配，從而提高了電子傳輸及光電轉(zhuǎn)換效率。
[0011]如圖1所示，本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池的吸收系數(shù)高于圖中其他電池吸收系數(shù)。在獲得相同電子伏特或稱發(fā)電效率時采用銅銦鎵硒或碲化鎘材料電池的面積將更小，換句話說，相同面積上的超導(dǎo)電池發(fā)電效率將是普通非晶硅或單晶硅的1.2倍左右。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池與其他電池吸收系數(shù)比較圖；
圖2為本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池膜層結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池激光劃線及內(nèi)部電子流向圖；
圖4為本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池模擬替代晶格結(jié)構(gòu)——類閃鋅礦晶格機構(gòu)； 圖5為本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池模擬替代晶格結(jié)構(gòu)——類黃銅礦晶格結(jié)構(gòu)； 附圖中:〇代表Se、Ti ;?代表Cu、In、Nb。
【具體實施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0014]如圖2所示，本發(fā)明的太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其膜層結(jié)構(gòu)從基板6到受光面依次包括背電極5、CIGS吸收層4、改良過渡層3、窗口層2和沉積有ZnO = AL的透明電極層1，所述透明電極層I上設(shè)有引線7。
[0015]基板6采用鈉鈣玻璃或柔性襯底或其他良好新型材料襯底。在基板6上使用直流脈沖磁控派射背電極MO層5。將Cu、In和Se按一定的原子配比制備成Cu/In/Se/Cu/In/Se/Cu/In/Se多層膜系統(tǒng)，在一定的升溫速率下加熱而形成CIS ;通過摻入適量的Ga元素以代替部分的In，成為CuInSe2與CuGaSe2的固溶半導(dǎo)體CuInl_xGaxSe2，形成CIGS吸收層
4。利用真空蒸發(fā)法在真空環(huán) 境、高溫1150-1300°C下使靶材原子ZnSe:Nb:Ti=9:0.5:0.5在吸收層成膜，形成改良過渡層3。利用磁控濺射方法沉積1-ZnO形成窗口層2。利用磁控濺射方法沉積ZN0:AL到透明電極上形成透明電極I。最后打孔引出電流引線7，引線7是摻雜了 Nb-Ti合金的AL導(dǎo)線。電池內(nèi)部電子流向如圖3所示。
[0016]本發(fā)明運用模型模擬計算法進行效能估算，計算所用的太空太陽能光譜，模擬計算中的光透過率主要通過瓊斯矩陣非線性方程獲得，光子利用率主要由泊松方程獲得，這主要研究電池內(nèi)部器件電子的輸運特性，由泊松方程來計算自由載流子布局數(shù)、被俘獲電子的布局數(shù)，在運用求解耦合非線性方程來估算出光子的利用率及電池效率。
[0017]考慮到摻雜了 Nb-Ti合金元素在改善ZnSe層結(jié)構(gòu)及形成超導(dǎo)現(xiàn)象條件因素關(guān)系方面具有直接關(guān)系，又因太空特定環(huán)境下，地面難以模擬，為更好的研究其關(guān)系及可行性，特提供具體實施例。
[0018]假設(shè)波爾茲曼近似成立，假設(shè)注入的少數(shù)載流子密度小于多數(shù)載流子的密度成立，根據(jù)肖克萊方程:(qV kT-l)DJ Je (3_7)DJ，當處于太空環(huán)境，且光輻射進入時，由于光生載流子的作用，在CIGS吸收層4產(chǎn)生光生電流LJ，則有LqVkTDJ=J (e_l)-J (3-8),光生載流子復(fù)合由DJ決定，在改良過渡層3處，運用上式可得對于ZnSe:Nb:Ti=9:0.5:0.5近于類黃銅礦晶格結(jié)構(gòu)(圖5)，異質(zhì)結(jié)的晶格常數(shù)近于0.517nm時，有利的消除了界面復(fù)合，運用泊松方程與瓊斯矩陣非線性方程計算光輻射利用率，得出電子復(fù)合中心處態(tài)密度表達式。由于太空特定溫度，需要研究其溫度與CIGS及ZnSe =Nb-Ti中的復(fù)合中心態(tài)密度及近似超導(dǎo)現(xiàn)象引發(fā)的Tc值，已知Nb-33Ti，Tc=9.3K，Hc=I 1.0T，對于實際比例Nb =Ti=1:1類合金態(tài)原子匹配Tc值需實驗論證。理論上證明通過改良吸收層3結(jié)構(gòu)可以達到電子利用效率及發(fā)電效率。
【權(quán)利要求】
1.一種太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其膜層結(jié)構(gòu)從基板(6)到受光面依次包括背電極MO層(5 )、CIGS吸收層(4)、改良過渡層(3 )、1-ZnO窗口層(2 )和沉積有ZnO: AL的透明電極層(1)，所述透明電極層(I)上設(shè)有引線(7)，其特征是:所述改良過渡層(3)為摻雜有Nb-Ti合金的ZnSe層。
2.按照權(quán)利要求1所述的太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其特征是:所述改良過渡層(3)按照ZnSe:Nb:Ti=9:0.5:0.5的質(zhì)量配比制備。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其特征是:所述改良過渡層(3)是指采用真空蒸發(fā)法將ZnSe、Nb和Ti靶材原子在真空環(huán)境、1150-1300°C條件下在吸收層成膜而形成。
4.按照權(quán)利要求1所述的太空高效超導(dǎo)太陽能電池，其特征是:所述引線(7)為摻雜了 Nb-Ti合金的AL導(dǎo)線。
【文檔編號】H01L31/06GK103515464SQ201310393988
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月4日
【發(fā)明者】姜廷旭, 李兆廷, 王恩忠, 高立偉 申請人:寧夏東旭太陽能科技有限公司, 東旭集團有限公司