一種新型cigs薄膜太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型CIGS薄膜太陽能電池，該太陽能電池的結(jié)構(gòu)層從下往上依次層疊，分別是：基底層、鉬薄膜層、CIGS薄膜層、硫化隔薄膜層、氧化鋅薄膜層、摻鋁氧化鋅薄膜層。本實用新型CIGS薄膜太陽能電池降低了電池的制備成本，同時新型CIGS薄膜太陽能電池杜絕污染問題，確保綠色、環(huán)保的制備過程。
【專利說明】
一種新型CIGS薄膜太陽能電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型專利涉及太陽能電池光伏領(lǐng)域，具體涉及一種新型CIGS薄膜太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵砸(CIGS)薄膜太陽能電池具有低成本、高效率、長壽命、可在陰天工作等優(yōu)勢，是一種公認(rèn)前景最被看好的太陽能電池之一。它的一般結(jié)構(gòu)為基底/Mo/CIGS/CdS/IZO/TC0，目前小面積最高效率已將近22%，大面積組件效率約在15%。對于CIGS薄膜太陽能電池，摻雜銻(Sb)或鉍(Bi)可以促進(jìn)核心層CIGS薄膜晶粒增大和膜層致密，特別在含有Na的CIGS薄膜中進(jìn)行摻雜時，其效果更加顯著。在各種CIGS薄膜制程中，通過不同的Sb、Bi摻雜方式，已經(jīng)取得了一定的成果。
[0003]Sb或Bi在CIGS薄膜中的摻雜需求量非常低(O?lat%)，且同Na之間存在相互作用。但很大程度上，Sb或Bi的具體作用機(jī)制仍然是未知的。在507°C下發(fā)現(xiàn)了Cu3BiS3的低溫液相，可通過溶解推動晶粒形核長大，使CIGS光電轉(zhuǎn)換效率得到2-3%的提高，這一點可以在外量子(EQE)曲線上得到驗證。但在其它低溫(低于500°C)制備、且存在Na的研究報道中，尚未得到相同結(jié)論。關(guān)于Sb或Bi在薄膜中的擴(kuò)散方式，有研究表明其與Na的擴(kuò)散方式相同，均是沿晶界擴(kuò)散并附著在晶界處，而未滲透到晶粒內(nèi)部。并且可能存在低熔點的Sb或Bi 二元相物質(zhì)使液相包晶晶粒生長(溶解在液體中隨后結(jié)晶)，有報道稱在507 0C液相CuSbS2中發(fā)現(xiàn)了結(jié)晶物，但在較低溫度(375-400°C)下不會產(chǎn)生此現(xiàn)象。
[0004]眾所周知的是，高性能CIGS薄膜中應(yīng)當(dāng)盡量減少Vse3的數(shù)量，因為Vse3不僅是η-型摻雜，而且容易和其它缺陷共同作用從而形成復(fù)合中心。CIGS太陽能電池的ρ-η結(jié)依賴于P型CIGS及其上層的η型薄膜，這一層η型薄膜既可以是CIGS薄膜中的Incu被CdS中的Cd取代而生成的η型CIGS，也可以是CdS自身由于S的缺失形成的η型CdS。也有學(xué)者認(rèn)為貧Cu的CIGS薄膜表面容易生成一層η型的β相CIGS。
[0005]目前CIGS的主流制備工藝是采用預(yù)制膜原位生成CIGS，而對室溫下采用單一四元素靶材濺射生成CIGS膜的文獻(xiàn)報道很少。CIGS薄膜制備也可以在高溫基板上(通常基板溫度選擇為450-600°C)，通過濺射或蒸發(fā)的方式制備CIGS薄膜。采用蒸發(fā)法制備過程中不可避免Se的流失，所以需制備貧Cu的CIGS前驅(qū)膜，或通過添加過量的Na來彌補(bǔ)Se缺失引起的薄膜性能下降。此外，還可以通過降低制程溫度來防止Se的流失，低溫制備優(yōu)勢在于可以避免后續(xù)砸蒸汽、或砸化氫、或硫化氫退火工藝中Se在高溫下的大量流失。在550°C的鈉鈣玻璃基片上蒸鍍CIGS膜時，摻雜約50nm的Bi可以促進(jìn)晶體的生長和性能(如提高開路電壓和效率)。這些性能的提升不僅是由Bi的摻雜引起的，同時也受從每立方厘米玻璃擴(kuò)散上來約118個Na原子的影響。
[0006]電池性能提升的分析至關(guān)重要，有報道稱無需Bi和Sb，在550°C下同樣可以很好地長晶；也有研究者認(rèn)為這個作用過程中需要有Na;相反地，也有研究者認(rèn)為Na的存在與否并沒有影響，甚至Na的存在是對電池性能是有害的。而較多研究更傾向于，電池性能的提高主要取決于CIGS膜層組分及其制備方式。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)中，摻雜Bi同樣對溶液旋涂法制備CIGS薄膜有利。將金屬硝酸鹽溶液旋涂層加熱至200°C，然后在500°C下采用砸粉進(jìn)行砸化退火，制備出的CIGS薄膜的Ga: (In+Ga)=0.3、Cu/In/Ga=0.9/0.7/0.3，這意味著CIGS薄膜略微貧Cu(銅的化學(xué)計量值應(yīng)為1.0)。此報道提出Bi能有效抑制Vse和施主-受體對(DAP)引起的薄膜性能損失；同時Bi和Na的共同摻雜能夠增加開路電壓和降低串聯(lián)電阻(通過增加晶粒致密性)。
[0008]IBM公司已開發(fā)出另一種溶液制備CIGS薄膜太陽電池方法，先旋涂一層溶解有Sb2Se3和Sb2S3的肼溶液，接著在350-525°C下低溫退火。由于旋涂法需要對每層膜進(jìn)行多次干燥，故不適用于大型CIGS太陽電池單片板的劃線工藝。此外，IBM只指定了一種薄膜太陽電池的制備方法，并且摻雜只限于Sb而未提及Bi。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本實用新型要解決的技術(shù)問題在于提供了一種新型CIGS薄膜太陽能電池。
[0010]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型通過以下方案來實現(xiàn):一種新型CIGS薄膜太陽能電池，該太陽能電池的結(jié)構(gòu)層從下往上依次層疊，分別是:基底層、鉬薄膜層、CIGS薄膜層、硫化隔薄膜層、氧化鋅薄膜層、摻鋁氧化鋅薄膜層。
[0011 ]進(jìn)一步的，所述基底層包括鈉鈣玻璃基底層、不銹鋼板基底層、耐高溫聚合物基底層。
[0012]進(jìn)一步的，所述耐高溫聚合物基底層為聚酰亞胺基底層。
[0013]進(jìn)一步的，所述鉬薄膜層為單層鉬薄膜層或雙層鉬薄膜層。
[0014]進(jìn)一步的，所述摻鋁氧化鋅薄膜層可用氧化銦錫薄膜層替代。
[0015]進(jìn)一步的，所述太陽能電池的結(jié)構(gòu)層的厚度分別是:
[0016]基底層0.05?4mm;
[0017]鉬薄膜層0.3?0.8微米；
[0018]CIGS 薄膜層1.0~2.5 微米；
[0019]硫化隔薄膜層40?90納米；
[0020]氧化鋅薄膜層0.4?0.10微米；
[0021]摻鋁氧化鋅薄膜層0.5微米。
[0022]優(yōu)選的，所述太陽能電池的結(jié)構(gòu)層的厚度分別是:
[0023]基底層3mm;
[0024]鉬薄膜層0.5微米；
[0025]CIGS薄膜層1.5微米；
[0026]硫化隔薄膜層50納米；
[0027]氧化鋅薄膜層0.6微米；
[0028]摻鋁氧化鋅薄膜層0.5微米。
[0029]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的有益效果是:本實用新型CIGS薄膜太陽能電池降低了電池的制備成本，同時新型CIGS薄膜太陽能電池杜絕污染問題，確保綠色、環(huán)保的制備過程。
【附圖說明】
[0030]圖1為本實用新型CIGS薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)層示意圖。
[0031]附圖中標(biāo)記:基底層1、鉬薄膜層2、CIGS薄膜層3、硫化隔薄膜層4、氧化鋅薄膜層5、摻鋁氧化鋅薄膜層6。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本實用新型的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本實用新型的優(yōu)點和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本實用新型的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。
[0033]請參照附圖1，本實用新型的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，該太陽能電池的結(jié)構(gòu)層從下往上依次層疊，分別是:基底層1、鉬薄膜層2、CIGS薄膜層3、硫化隔薄膜層4、氧化鋅薄膜層5、摻鋁氧化鋅薄膜層6，所述基底層包括鈉鈣玻璃基底層、不銹鋼板基底層、耐高溫聚合物基底層，所述耐高溫聚合物基底層為聚酰亞胺基底層，所述鉬薄膜層2為單層鉬薄膜層或雙層鉬薄膜層，所述摻鋁氧化鋅薄膜層6可用氧化銦錫薄膜層替代。
[0034]所述太陽能電池的結(jié)構(gòu)層的厚度分別是:
[0035]基底層I0.05?4mm;
[0036]鉬薄膜層20.3~0.8微米；
[0037]CIGS 薄膜層 31.0~2.5 微米；
[0038]硫化隔薄膜層440-90納米；
[0039]氧化鋅薄膜層50.4~0.10微米；
[0040]摻鋁氧化鋅薄膜層60.5微米。
[0041]上述太陽能電池結(jié)構(gòu)的最優(yōu)方案是:
[0042]基底層I3mm;
[0043]鉬薄膜層20.5微米；
[0044]CIGS薄膜層31.5微米；
[0045]硫化隔薄膜層450納米；
[0046]氧化鋅薄膜層50.6微米；
[0047]摻鋁氧化鋅薄膜層60.5微米。
[0048]以下為本實用新型CIGS薄膜太陽能電池的制備方法。
[0049]實施例1:
[0050]CIGS薄膜太陽能電池采用四元素靶材濺射方式制備。
[0051 ] (a)、四元素靶材包括CIGS、CIS、CIGSeS、CIALS等光吸收層材料。
[0052](b)、CIGS靶的原子比例范圍從貧銅的CIG( Cu:1n:Ga:Se =21.98: 19.3: 7.51:51.21)到接近化學(xué)計量比的CIGS(Cu:1n:Ga:Se= 24.8093:20.782:6.325:48.083)。In和Ga的實際值可以在Ga:1n=0.25-0.35之間。
[0053](c)、靶材中還可以含有替代Cu的Bi或Sb，其含量為0.2?2.0%mole。合適的Bi和Sb材料還包括有金屬、砸化物、硫化物或氧化物。
[0054](d)、基底層溫度保持在20?150°C，優(yōu)選25?50°C。
[0055](e)、后續(xù)退火在合適的真空爐和氮?dú)鉅t中進(jìn)行，退火溫度約為250_450°C，時間約為30min。
[0056]具體地，先在鈉鈣玻璃基底層上制備一層厚度約為0.3-0.8微米的鉬薄膜層，然后使用上述CIGS四元素靶材或類似的單靶，在室溫下濺射CIGS預(yù)制膜，然后在氮?dú)饣蛘婵罩羞M(jìn)行250-400°C退火20-30分鐘，優(yōu)選375°C，得到晶體粒徑約為0.30-1.0微米的CIGS薄膜，同時在Na的摻雜下得到P型導(dǎo)電薄膜。因使用的CIGS四元素靶材是貧銅的，所以制備的薄膜中未出現(xiàn)富銅相(如CuxSe)，也避免了后續(xù)使用毒性氰化鉀來去除富銅相這一步驟。如果采用上述砸化退火制備的CIGS薄膜仍然處于砸缺失的狀態(tài)，可以嘗試在退火過程中添加
0.04-0.08克(基片面積為84平方厘米時)砸。此情況下，在石墨盒中放入基底和砸。石墨盒應(yīng)有很好的緊密性，僅留有約0.1毫米的小間隙作為一偽Knudsen孔，或在緊密的石墨盒上帶有一小孔作為Knudsen孔，以減少蒸汽的逸出速率。優(yōu)選地，石墨盒上的孔徑大小應(yīng)取決于砸化時樣品的尺寸和退火壓力，對上述樣品，優(yōu)選孔徑為0.5-2.0毫米，將原來通過砸化來提高CIGS吸收層性能這一步驟，轉(zhuǎn)移到Sb或Bi的摻雜上，通過摻雜實現(xiàn)薄膜的低溫長晶，同時避免了薄膜中砸的流失，然后通過圖1所示的結(jié)構(gòu)完成整個薄膜電池器件的制備。
[0057]以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施方式，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其它相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于，該太陽能電池的結(jié)構(gòu)層從下往上依次層疊，分別是:基底層(I)、鉬薄膜層(2)、CIGS薄膜層(3)、硫化隔薄膜層(4)、氧化鋅薄膜層(5)、摻鋁氧化鋅薄膜層(6)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于:所述基底層包括鈉鈣玻璃基底層、不銹鋼板基底層、耐高溫聚合物基底層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于:所述耐高溫聚合物基底層為聚酰亞胺基底層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于:所述鉬薄膜層(2)為單層鉬薄膜層或雙層鉬薄膜層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于:所述摻鋁氧化鋅薄膜層(6)可用氧化銦錫薄膜層替代。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于:所述太陽能電池的結(jié)構(gòu)層的厚度分別是: 基底層(I)0.05~4mm； 鉬薄膜層(2)0.3?0.8微米； CIGS薄膜層(3)1.0?2.5微米； 硫化隔薄膜層(4)40-90納米； 氧化鋅薄膜層(5)0.4?0.1O微米； 摻鋁氧化鋅薄膜層(6 ) 0.5微米。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種新型CIGS薄膜太陽能電池，其特征在于:所述太陽能電池的結(jié)構(gòu)層的厚度分別是: 基底層(I)3mm； 鉬薄膜層(2)0.5微米； CIGS薄膜層(3)1.5微米； 硫化隔薄膜層(4)50納米； 氧化鋅薄膜層(5)0.6微米； 摻鋁氧化鋅薄膜層(6 ) 0.5微米。
【文檔編號】H01L31/04GK205595341SQ201620200576
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】馬給民, 保羅·比蒂, 陳浩
【申請人】東莞日陣薄膜光伏技術(shù)有限公司