一種柔性cigs薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜太陽電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指在柔性襯底上制備多層結(jié)構(gòu)背電極的技術(shù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]銅銦鎵砸(簡(jiǎn)稱CIGS)薄膜太陽電池成本低、性能穩(wěn)定、抗輻射能力強(qiáng)、光譜響應(yīng)范圍寬，其光電轉(zhuǎn)換效率是目前各種薄膜太陽能電池之首，被國(guó)際上稱為下一時(shí)代最有前途的廉價(jià)太陽電池之一，有可能成為未來光伏電池的主流產(chǎn)品之一。目前CIGS薄膜太陽電池典型結(jié)構(gòu)，包含襯底(可選用鈉鈣玻璃、不銹鋼、聚酰亞胺等)，背電極鉬薄膜，吸收層CIGS薄膜，緩沖層CdS薄膜，窗口層本征ZnO薄膜和AZO薄膜，柵電極N1-Al合金薄膜，減反射層MgF2薄膜。
[0003]目前，制備CIGS薄膜的方法主要有真空法和非真空法。非真空法主要包括電沉積法、化學(xué)噴霧熱解法、涂敷法、印刷法等，但是這些技術(shù)工藝穩(wěn)定性較差，電池轉(zhuǎn)換效率普遍不高。真空法主要包括共蒸法和濺射加后砸化法。共蒸法要求對(duì)每種元素的蒸發(fā)速率和沉積量均要精確控制，要求設(shè)備具有很高的控制精度，設(shè)備的技術(shù)難度和造價(jià)均很高。而濺射加砸化法是將Cu、In和Ga派鍍到Mo電極上形成預(yù)制層，再使之與H2Se或含Se的氣體發(fā)生反應(yīng)，得到滿足化學(xué)計(jì)量比的薄膜。該方法對(duì)設(shè)備的要求不高，因此成為商業(yè)化生產(chǎn)的首選。
[0004]柔性襯底CIGS薄膜太陽電池由于其可卷曲、不怕摔撞、抗輻射能力強(qiáng)及重量功率比高等優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，尤其是它的應(yīng)用范圍更廣，不僅可以避開與晶硅電池的競(jìng)爭(zhēng)，還能結(jié)合多種場(chǎng)景，擴(kuò)展其使用范圍。但在制備柔性襯底CIGS薄膜電池的過程中，存在兩方面的問題。一方面，柔性襯底中的某些雜質(zhì)元素(如不銹鋼襯底中的Fe、Cr等)會(huì)擴(kuò)散至CIGS吸收層，導(dǎo)致吸收層電學(xué)性能惡化；另一方面，柔性襯底上生長(zhǎng)的Mo層與CIGS層之間的附著力不佳。為了解決襯底中的有害雜質(zhì)元素進(jìn)入吸收層，國(guó)際上傳統(tǒng)工藝都采用在柔性襯底上制備一層阻擋層，其電池結(jié)構(gòu)為:柔性襯底/阻擋層/底電極/吸收層/緩沖層/窗口層/柵電極。但是阻擋層的存在會(huì)帶來一些問題。一方面，阻擋層材料與柔性襯底和Mo底電極之間的結(jié)合力不佳，會(huì)導(dǎo)致柔性襯底CIGS電池龜裂，甚至脫膜，最終失效；另一方面，某些阻擋層元素本身也會(huì)擴(kuò)散至吸收層，導(dǎo)致吸收層的光電性能下降。另外，增加阻擋層也增加了設(shè)備和工藝的復(fù)雜性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，提供一種柔性CIGS薄膜太陽電池背電極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)無需阻擋層，并可增強(qiáng)Mo膜與襯底之間的結(jié)合性能，明顯改善吸收層成膜質(zhì)量，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]本申請(qǐng)具體采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:直接在柔性襯底上通過磁控濺射法沉積多層Mo薄膜作為柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極，隨后在Mo背電極上依次制備CIGS吸收層、CdS緩沖層、本征ZnO層、AZO層、N1-Al柵電極。
[0008]本發(fā)明還進(jìn)一步包括以下優(yōu)選方案:
[0009]所述背電極為多層Mo薄膜結(jié)構(gòu)，層數(shù)為3?5層。
[0010]所述多層Mo薄膜采用磁控濺射法制備，濺射靶材為純度多3N的Mo金屬靶，本底真空彡3 X 10-3Pa，工藝氣體為高純氬氣，襯底不加熱，濺射氣壓為0.2?5Pa，功率密度為0.2 ?10W/cm2。
[0011]所述的多層Mo薄膜結(jié)構(gòu)為自柔性襯底起，當(dāng)層數(shù)為3層時(shí):第一層厚度為0.05?I μ m，第二層厚度為0.05?I μ m，第三層厚度為0.1?I μ m ;當(dāng)層數(shù)為4層時(shí):第一層厚度為0.05?I μm，第二層厚度為0.05?I μm，第三層厚度為0.05?I μm，第四層厚度為0.1?I μ?? ;當(dāng)層數(shù)為5層時(shí):第一層厚度為0.05?I μm，第二層厚度為0.05?I μπι，第三層厚度為0.05?I μm，第四層厚度為0.1?I μπι ;第五層厚度為0.1?I μπι ;
[0012]最終金屬M(fèi)o薄膜的總厚度0.2?3 μπι，電阻率彡5X10-5 Ω.cm。
[0013]本申請(qǐng)還公開了一種采用前述背電極結(jié)構(gòu)的柔性CIGS薄膜太陽電池，其特征在于:
[0014]在柔性襯底上通過磁控濺射法沉積多層Mo薄膜作為背電極，隨后在Mo背電極上依次制備CIGS吸收層、CdS緩沖層，本征ZnO層、AZO層，N1-Al柵電極，形成結(jié)構(gòu)依次為柔性襯底/多層Mo背電極/CIGS吸收層/CdS緩沖層/1-ZnO窗口層/AZO透明導(dǎo)電層/N1-Al柵電極結(jié)構(gòu)的柔性CIGS薄膜太陽電池器件。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):一方面，很好地克服了傳統(tǒng)CIGS薄膜太陽電池柔性襯底與Mo層之間結(jié)合力差的問題；另一方面，可以有效阻擋襯底中有害雜質(zhì)元素向CIGS吸收層內(nèi)擴(kuò)散，提高CIGS吸收層成膜質(zhì)量。由于不采用阻擋層，因此也減少了工藝環(huán)節(jié)，降低了設(shè)備和工藝的復(fù)雜性，有利于工業(yè)化生產(chǎn)時(shí)的成本降低。
【附圖說明】
[0016]圖1為以本發(fā)明技術(shù)制備的柔性CIGS薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明柔性CIGS太陽能電池背電極結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明柔性CIGS太陽能電池的截面SEM圖；
[0019]圖4為實(shí)施例1制備的柔性CIGS薄膜太陽電池1-V曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合說明書附圖以及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)介紹。
[0021]實(shí)施例1:
[0022]如圖2所示，為本發(fā)明柔性CIGS太陽能電池背電極結(jié)構(gòu)示意圖。將柔性不銹鋼襯底10清洗干凈后，放入磁控濺射機(jī)，襯底不加熱，待本底真空達(dá)3X 10 3Pa以下時(shí)，通入高純氬氣，調(diào)節(jié)氣壓為IPa，功率密度為2.5W/cm2，在柔性不銹鋼襯底10上，濺射一層為0.12 μ m厚Mo薄膜層20 ;完成第一層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為0.8Pa，功率密度為3W/cm2，濺射一層為0.08 μ m厚Mo薄膜層21 ;完成第二層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為0.3Pa，功率密度為3.5W/cm2，濺射一層為0.6 μ m厚Mo薄膜層22 ；Mo層總厚度約為0.8 μ m，電阻率為3.8 X 10 5 Ω.cm，其截面形貌如圖3所示。
[0023]在形成多層Mo背電極以后，再繼續(xù)依次制備CIGS層、CdS緩沖層、i_ZnO層、AZO層、N1-Al柵電極，形成柔性CIGS薄膜太陽能電池器件。其電池性能如圖4所示，開路電壓Voc = 540.5mV，短路電流Jsc = 33.41mA/cm2，填充因子FF = 67.22，光電轉(zhuǎn)換效率為14.23%o實(shí)施例2:
[0024]將柔性銅箔襯底清洗干凈后，放入磁控濺射機(jī)，待本地真空達(dá)3 X 10 3Pa以下時(shí)，通入高純氬氣，調(diào)節(jié)氣壓為0.3Pa，功率密度為2.5W/cm2，在柔性銅箔基底10上，開始濺射一層為0.12 μ m厚鉬薄膜層；完成第一層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為0.8Pa，功率密度為3W/cm2，在此工藝下，派射一層為0.08 μ m厚鉬薄膜層；完成第二層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為1.2Pa，功率密度為3.5W/cm2，在此工藝下，濺射一層為0.6 μ m厚鉬薄膜層，完成第三層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為1.5Pa，功率密度為4W/cm2，在此工藝下，派射一層為0.2 μπι厚鉬薄膜層，為最外層Mo，依序由下而上覆蓋于柔性銅箔襯底。
[0025]在形成多層Mo背電極以后，繼續(xù)依次制備吸收層CIGS，CdS緩沖層，i_ZnO和AZO層，N1-Al柵電極，最終制成柔性的CIGS薄膜太陽能電池。
[0026]實(shí)施例3:
[0027]將柔性鋁箔清洗干凈后，放入磁控濺射，待本地真空達(dá)3X10 3Pa以下時(shí)，通入高純氬氣，調(diào)節(jié)氣壓為0.3Pa，功率密度為2.5W/cm2，在柔性不銹鋼基底10上，開始濺射一層為0.12 μ m厚鉬薄膜層20 ;完成第一層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為0.8Pa，功率密度為3W/cm2，在此工藝下，派射一層為0.08 μ m厚鉬薄膜層21 ;完成第二層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為1.2Pa，功率密度為3.5W/cm2，在此工藝下，濺射一層為0.6 μ m厚鉬薄膜層22，完成第三層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為1.5Pa，功率密度為4W/cm2，在此工藝下，濺射一層為0.2 μπι厚鉬薄膜層23，完成第四層Mo之后，調(diào)節(jié)氣壓為2Pa，功率密度為4.5W/cm2，在此工藝下，濺射一層為0.2 μπι厚鉬薄膜層24，為最外層Mo，依序由下而上覆蓋于柔性鋁箔襯底。
[0028]如附圖1所示為采用上述背電極結(jié)構(gòu)柔性CIGS薄膜太陽電池，在形成多層Mo背電極以后，繼續(xù)依次制備吸收層CIGS，緩沖層CdS，1-ZnO和AZO層，N1-Al柵電極，最終制成柔性的CIGS薄膜太陽能電池。
[0029]以上所述僅為用以解釋本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非企圖據(jù)以對(duì)本發(fā)明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的創(chuàng)作精神下所作有關(guān)本發(fā)明的任何修飾或變更，皆仍應(yīng)包括在本發(fā)明意圖保護(hù)的范疇。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)，其特征在于: 直接在柔性襯底上通過磁控濺射法沉積多層Mo薄膜作為柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極，隨后在Mo背電極上依次制備CIGS吸收層、CdS緩沖層、本征ZnO層、AZ0層、Ni_Al柵電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述背電極為多層Mo薄膜結(jié)構(gòu)，層數(shù)為3?5層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述多層Mo薄膜采用磁控濺射法制備，濺射靶材為純度多3N的Mo金屬靶，本底真空彡3X 10-3Pa，工藝氣體為高純氬氣，襯底不加熱，濺射氣壓為0.2?5Pa，功率密度為0.2 ?10W/cm2。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)，其特征在于: 所述的多層Mo薄膜結(jié)構(gòu)為自柔性襯底起，當(dāng)層數(shù)為3層時(shí):第一層厚度為0.05?1 μ m，第二層厚度為0.05?1 μ m，第三層厚度為0.1?1 μ m ;當(dāng)層數(shù)為4層時(shí):第一層厚度為0.05?1 μm，第二層厚度為0.05?1 μm，第三層厚度為0.05?1 μm，第四層厚度為0.1?1 μ?? ;當(dāng)層數(shù)為5層時(shí):第一層厚度為0.05?1 μm，第二層厚度為0.05?1 μπι，第三層厚度為0.05?1 μm，第四層厚度為0.1?1 μπι ;第五層厚度為0.1?1 μπι ; 最終金屬M(fèi)o薄膜的總厚度0.2?3 μ m，電阻率彡5 X 10-5 Ω.cm。5.一種采用權(quán)利要求1-4所述的背電極結(jié)構(gòu)的柔性CIGS薄膜太陽電池，其特征在于: 在柔性襯底上通過磁控濺射法沉積多層Mo薄膜作為背電極，隨后在Mo背電極上依次制備CIGS吸收層、CdS緩沖層，本征ZnO層、AZ0層，N1-Al柵電極，形成結(jié)構(gòu)依次為柔性襯底/多層Mo背電極/CIGS吸收層/CdS緩沖層/1-ZnO窗口層/AZ0透明導(dǎo)電層/Ni_Al柵電極結(jié)構(gòu)的柔性CIGS薄膜太陽電池器件。
【專利摘要】一種柔性CIGS薄膜太陽電池的背電極結(jié)構(gòu)，其制備方法為在柔性襯底上通過磁控濺射法沉積多層Mo薄膜作為背電極，隨后在Mo背電極上依次制備CIGS吸收層、CdS緩沖層、本征ZnO層、AZO層、Ni-Al柵電極，形成結(jié)構(gòu)為柔性襯底/多層Mo背電極/CIGS吸收層/CdS緩沖層/i-ZnO窗口層/AZO透明導(dǎo)電層/Ni-Al柵電極結(jié)構(gòu)的柔性CIGS薄膜太陽電池器件。本發(fā)明直接在柔性襯底上制備多層結(jié)構(gòu)Mo薄膜作為背電極層，不僅具有良好的導(dǎo)電性，而且可以有效避免基底材料中雜質(zhì)元素對(duì)CIGS薄膜的擴(kuò)散和滲透，替代阻擋層作用。本發(fā)明無需傳統(tǒng)柔性電池制備方法中所需的阻擋層，工藝簡(jiǎn)單，易于控制，成膜均勻性好，適于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
【IPC分類】H01L31/0224, H01L31/032
【公開號(hào)】CN105355676
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510795225
【發(fā)明人】張寧, 余新平, 張偉, 孫哲
【申請(qǐng)人】北京四方創(chuàng)能光電科技有限公司, 北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月18日