专利名称：Cigs太阳能光电池及其制备方法
技术领域：
本发明特别涉及到一种具有新型光子晶体结构CIGS吸收层的薄膜太阳能电池及其制备方法，属于光电子器件领域，
背景技术：
随着能源和环境危机的日趋严重，寻找新能源正在成为一项亟待解决的任务。太阳光能以其取之不尽，用之不竭，而且清洁无污染成为最具潜力的技术。其中薄膜太阳能技术近年开始兴起，因为其具有重量轻、成本低、易安装等优点。CIGS(铜(Cu)铟(In)镓(Ga) 硒( )，简称CIGQ则是薄膜太阳能技术中效率最高的00.6% )，其制备过程采用三阶段式的沉积方法，形成V型能级结构，可在长波区有更高的外量子效率，从而可提高器件的短路电流，而且还有更高的开路电压。最近NAN0S0LAR和IBM的研究组分别开发了利用溶液法来制备CIGS活性膜的技术，这类技术不需要真空蒸镀设备，大大减低制作成本，而且容易规模化，但是，由于溶液法制备的CIGS薄膜的结晶性不高，需要高温后退火处理过程，这无形中增大了产品的生产成本，另外，CIGS薄膜的结晶度不高，导致其光吸收效率降低，降低了器件的光电流和能量转换效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种CIGS薄膜太阳能光电池及其制备方法，其采用压印技术将溶液法制备的CIGS活性层形成具有特殊形状的光子晶体结构，可有效提高光电池对光的吸收效率，从而增加太阳能的转换效率，为大规模，低成本的生产CIGS太阳能光电池提供了可能。为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案一种CIGS太阳能光电池，包括依次形成于导电衬底上的CIGS活性层、η型半导体层、窗口层、透明电极层和采集电极，该η半导体层与CIGS活性层形成PN结，其特征在于 所述CIGS活性层具有光子晶体结构，其厚度在0. 5 μ m 10 μ m之间。进一步的讲，所述CIGS活性层是采用如下工艺制备的首先采用溶液法在导电衬底上覆设CIGS层，再按照设定光子晶体结构采用压印技术将CIGS层加工成型，最后在 200-1000°C退火形成连续的CIGS活性层。所述光子晶体结构至少选自球面、柱面和环面中的任意一种，其口径 IOnm-IOOO μ m，其排列方式至少选自立方和六方，其填充因子为100nm-2000nm。所述导电衬底为金属导电薄膜，其厚度为200-2000nm。所述η型半导体层由II-VI组三元化合物组成，其厚度在20-200nm之间，所述 II-VI组三元化合物至少选自硫化镉、硫化锌、硒化镉、硒化锌、碲化镉和碲化锌中的任意一种以上。所述窗口层的材料至少选自氧化锌薄膜和掺杂氧化锌薄膜中的任意一种，其中掺杂元素至少选自铝、镓和镉中的任意一种以上，并且该窗口层厚度为20-200纳米。
所述透明电极层的材料至少选自氧化铟锡薄膜和掺铝、镓或镉的氧化锌薄膜；所述采集电极的材料至少选自镍、铝、金、银、铜、钛和铬中的任意一种以上。如上所述CIGS太阳能光电池的制备方法，包括依次在导电衬底上形成CIGS活性层、η型半导体层、窗口层、透明电极层和采集电极的工序，其特征在于，该方法中在导电衬底上形成CIGS活性层的操作具体为首先采用溶液法在导电衬底上覆设CIGS层，再按照设定光子晶体结构采用压印技术将CIGS层加工成型，最后在 200-1000°C退火形成连续的CIGS活性层。所述光子晶体结构至少选自球面、柱面和环面，其口径IOnm-IOOO μ m，其排列方式至少选自立方和六方，其填充因子为100nm-2000nm。所述溶液法至少选自旋涂法、喷涂法和糟模法中的任意一种以上。与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果该CIGS太阳能光电池的CIGS活性层由于具有特定的光子晶体结构，可利用其具有的慢光效应与在空间中复杂的结构，使得光子在太阳能电池中的留滞时间与平均光子路径增加，同时这种光子晶体结构可增加活性层的粗糙度，增加漫发射，从而起到陷光作用，以达到提升太阳能电池的吸收率之效果； 同时，其制备工艺简单，成本低廉，并具有良好的可控性。
图1为本发明CIGS薄膜太阳能光电池的结构示意图，其中导电衬底1、CIGS活性层2、η型半导体层3、窗口层4、透明电极层5、金属采集电极6。
具体实施例方式下面结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。参阅图1，该CIGS薄膜太阳能光电池包括导电衬底1 ；CIGS活性层2，该CIGS活性层2是利用溶液/压印法制作在导电衬底1上的，主要作为吸光层；η型半导体层3，该η型半导体层3是利用CBD或者真空沉积法(包括热蒸发，溅射等不同的物理气相沉积和化学气相沉积方法)制作在CIGS活性层2上的，并与之形成ρη 结，可有效增大光生激子的解离和输出；窗口层4，该窗口层制作在η型半导体层上，用来保护N型半导体层；透明电极层5，该透明电极层制作在窗口层上；金属采集电极6，该采集电极制作在透明电极层上，具有采集光生光流的作用。前述导电衬底1采用金属导电薄膜，其通常为钼电极，厚度200-2000纳米，但不局限于钼，也包括其他适用金属材料，如铝、钛、铜和不锈钢等。该导电衬底1上面是采用溶液法(泛指一切涂料法，如旋涂法，喷涂法，糟模法等) 制备的CIGS活性层2。如用旋涂法，通过控制旋涂速度、溶液浓度和不同的旋涂次数便可以改变该CIGS活性层2的厚度，通常情况下该活性层的厚度在0. 5-10微米之间，然后利用压印技术将CIGS活性层按照特定的光子晶体结构成型，其包括球面，柱面，环面等，口径10纳米-1000微米，排列方式包括立方，六方等；填充因子100纳米到2000纳米，最后200-1000度高温退火形成连续的CIGS活性层。CIGS活性层2上面的η型半导体层3是采用CBD或者真空沉积法制备的，该功能层是为了与CIGS层形成有效的ρη结，从而提高光生激子的分离和输出，该η型半导体层3 的厚度通常情况下在20-200纳米之间，该η型半导体层3 —般为硫化镉(CcK)材料，但不局限于此，也包括其他η型半导体，例如硫化锌、硒化镉、硒化锌、碲化镉、碲化锌，以及其他 II-VI组三元化合物。η型半导体层3上面是窗口层4和透明电极层5。窗口层4的材料选用氧化锌或掺杂氧化锌薄膜，掺杂元素为铝、镓或镉，厚度为20-200纳米。透明电极层为氧化铟锡薄膜或掺铝、镓、镉的氧化锌薄膜。最后是金属采集电极6，一般是镍/铝，但不局限于此，还包括其他金属，包括金、银、铜、钛、铬等。下面以旋涂法为例对上述CIGS太阳能光电池的制备方法进行详细介绍。1.制备CIGS先驱体的工艺如下(1)纳米先驱体将12毫升的0LEYLAMIN，1. 5毫摩的氯化铜和1. 0毫摩的氯化铟， 0. 5毫摩的氯化镓放入100毫升容积的三颈反应瓶。在氩气保护下升温到130度，保持30 分钟。然后将反应温度升高到225°C，并迅速注入含有1摩尔硫的3毫升0LEYLAMINE。反应30分钟后，冷却到60°C并加入10毫升的甲苯。最后加入乙醇，离心分离出来纳米先驱体，按所需浓度分散到甲苯中作为CIGS的先驱体。(2)溶液先驱体先制备四种不同的先驱体，然后按照所需要不同的元素组成比混合成最终的溶液先驱体。先驱体A :0. 955克硫化铜，0. 3848克硫和12毫升无水联氨；先驱体B :1. 8661克硒化铟，0. 3158克硒和12毫升无水联氨；先驱体C :0. 4183克镓，0. 9475 克硒和12毫升无水联氨；先驱体D 0. 9475克硒和6毫升无水联氨。2.将钠钙玻璃在清洗剂中反复清洗，然后再经过去离子水，丙酮和异丙醇溶液浸泡并超声各15分钟，最后用氮气吹干并经过紫外臭氧处理15分钟。3.在钠钙玻璃上用真空沉积得方法制备钼电极，其厚度在800纳米左右。4.将过滤后的具有一定化学组分比的溶液(溶液先驱体中铜铟镓硒的比例分别为1 0.7 0.3 幻或者纳米先驱体以800转/分钟的转速旋涂在金属衬底上，低温退火后(室温_330°C)，采用纳米压印技术，按照晶格常数、口径、排列方式、填充因子等参数， 制备光子晶体阵列薄膜，最后再高温(250-1000°C )退火30分钟，使前驱体反应结晶，形成连续的CIGS膜。5.采用CBD方法制作η型硫化镉层6.然后再用溅射真空沉积法制备氧化锌薄膜和氧化铟锡透明电极。7.最后用热蒸发制备镍/铝采集电极。该CIGS太阳能光电池的CIGS活性层采用溶液/压印法制备，具有特定的光子晶体结构，可利用其具有的慢光效应与在空间中复杂的结构，使得光子在太阳能电池中的留滞时间与平均光子路径增加，同时这种光子晶体结构可增加活性层的粗糙度，增加漫发射， 从而起到陷光作用，以达到提升太阳能电池的吸收率之效果。以上仅以一较佳实施例对本发明的技术方案进行了介绍，但对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，应能在具体实施方式
及应用范围上进行改变。故而，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依本发明设计思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种CIGS太阳能光电池，包括依次形成于导电衬底上的CIGS活性层、η型半导体层、窗口层、透明电极层和采集电极，该η半导体层与CIGS活性层形成PN结，其特征在于 所述CIGS活性层具有光子晶体结构，其厚度在0. 5 μ m 10 μ m之间。
2.根据权利要求1所述的CIGS太阳能光电池，其特征在于所述CIGS活性层是采用如下工艺制备的首先采用溶液法在导电衬底上覆设CIGS层，再按照设定光子晶体结构采用压印技术将CIGS层加工成型，最后在200-1000°C退火形成连续的CIGS活性层。
3.根据权利要求1或2所述的CIGS太阳能光电池，其特征在于所述光子晶体结构至少选自球面、柱面和环面中的任意一种，其口径IOnm-IOOO μ m，其排列方式至少选自立方和六方，其填充因子为100nm-2000nm。
4.根据权利要求1或2所述的CIGS太阳能光电池，其特征在于所述导电衬底为金属导电薄膜，其厚度为200-2000nm。
5.根据权利要求1所述的CIGS太阳能光电池，其特征在于所述η型半导体层由II-VI 组三元化合物组成，其厚度在20-200nm之间，所述II-VI组三元化合物至少选自硫化镉、硫化锌、硒化镉、硒化锌、碲化镉和碲化锌中的任意一种以上。
6.根据权利要求1所述的CIGS太阳能光电池，其特征在于所述窗口层的材料至少选自氧化锌薄膜和掺杂氧化锌薄膜中的任意一种，其中掺杂元素至少选自铝、镓和镉中的任意一种以上，并且该窗口层厚度为20-200纳米。
7.根据权利要求1所述的CIGS太阳能光电池，其特征在于所述透明电极层的材料至少选自氧化铟锡薄膜和掺铝、镓或镉的氧化锌薄膜；所述采集电极的材料至少选自镍、铝、 金、银、铜、钛和铬中的任意一种以上。
8.如权利要求1所述CIGS太阳能光电池的制备方法，包括依次在导电衬底上形成 CIGS活性层、η型半导体层、窗口层、透明电极层和采集电极的工序，其特征在于，该方法中在导电衬底上形成CIGS活性层的操作具体为首先采用溶液法在导电衬底上覆设CIGS层，再按照设定光子晶体结构采用压印技术将CIGS层加工成型，最后在 200-1000°C退火形成连续的CIGS活性层。
9.根据权利要求8所述的CIGS太阳能光电池的制备方法，其特征在于所述光子晶体结构至少选自球面、柱面和环面，其口径IOnm-IOOO μ m,其排列方式至少选自立方和六方， 其填充因子为100nm-2000nm。
10.根据权利要求8所述的CIGS太阳能光电池的制备方法，其特征在于所述溶液法至少选自旋涂法、喷涂法和糟模法中的任意一种以上。
全文摘要
本发明公开了一种CIGS太阳能光电池及其制备方法，包括依次形成于导电衬底上的CIGS活性层、n型半导体层、窗口层、透明电极层和采集电极，该n半导体层与CIGS活性层形成PN结，该CIGS活性层具有光子晶体结构，其厚度在0.5μm～10μm之间；其制备方法包括依次在导电衬底上形成前述结构层的工序，其中，在导电衬底上形成CIGS活性层的操作具体为首先采用溶液法在导电衬底上覆设CIGS层，再按照设定光子晶体结构采用压印技术将CIGS层加工成型，最后在200-1000℃退火形成连续的CIGS活性层。本发明太阳能光电池因具有光子晶体结构的CIGS活性层，对光的吸收效率和转换效率得以大幅提高，且制备工艺简单，成本低廉，并具有良好的可控性，使大规模、低成本的生产CIGS太阳能光电池成为可能。
文档编号H01L31/0352GK102263145SQ20111024680
公开日2011年11月30日 申请日期2011年8月26日 优先权日2011年8月26日
发明者刘德昂, 张智恒, 章婷, 谢承智, 钱磊, 顾龙棣 申请人:苏州瑞晟太阳能科技有限公司