专利名称：一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池的制作方法
技术领域：
本实用新型创造公开了一种非晶硅-碲化镉(CdTe)-铜铟镓硒(CIGS)电池构成高效节能的叠层薄膜太阳能电池，属于光伏太阳能电池制造领域。
背景技术：
目前，商业化晶体硅太阳能电池是光伏市场的主流，电池组件转换效率已经达到15%以上。但成本及生产过程能耗较高，晶体硅转化效率提升空间有限，发展迟缓。相比之下薄膜太阳能电池具有成本低、环境友好等特点。非晶硅电池已成为硅基薄膜太阳能电池产业发展中最为成熟，转换效率已达10%以上，吸收系数比晶体硅高1-2个数量级，热稳定性能高。长期使用，比功率，非晶硅电池唯一不足，光致衰减系数达20%。其次，碲化镉(CdTe)及铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池电池等技术发展较成熟。美国第一太阳能电池公司碲化镉(CdTe)电池组件光电转换效率达11%。铜铟镓硒(CIGS)电池组件转换效率达到11%以上。金属预置层后硒化技术使用H2Se气体，易挥发、强毒性。当前设备和生产成本较高，不良品率高。如何找低成本、绿色环保的高效能薄膜太阳能电池。日本实用新型专利JP61035569A、JP01158780A公布了一种非晶硅与碲化镉(CdTe)太阳能电池结合的叠层电池，仍存在小于1.4eV近红外波段光子能量不能有效吸收。传统的叠层太阳能电池用溅射工艺会对后工序已沉积的子电池界面产生一定的破坏，为获得较高能量转换效率，一般引入形成陷光结构的中间层。如中国发明专利201010045857.7，公开了一种掺铝氧化锌(AZO)作中间层的非晶硅/微晶硅叠层太阳能电池，转换效率达13.6%。但批量生产中所面临的一个重要问题是:无论采用激光的，还是机械的，刻划P1、P2、P3沟道形成电池内部串联，其过程都会对透明导电膜中间层横截面与背电极或前电极，包括不同叠层之间，都会形成导电通道，造成微短路或漏电，导致电池(或称组件)失效。发明专利200710148695.8，公开了一种避免中间层与电极短接，在Pl刻划和沉积完中间层之后，再加刻划工序，除掉顶电池与中间层的膜层形成一较宽的(0.2-0.4mm)沟道，使其后续P2、P3的刻划沟道均落在较宽的(0.2-0.4mm)沟道内。激光的刻线宽度与精度有关，沟道越宽，精度要求高，生产难度较大。
发明内容基于对以上影响太阳能电池转化效率的分析，及对各种不同种类型薄膜电池(组件)的特性比较。以及生产过程中亟待要解决的问题。本实用新型提出全新概念，整合不同种类的电池材料的优点，目的是在技术上进行实质性的突破，创造一种不可替代的高效、节能低成本的多结叠层薄膜太阳能电池(或称组件)。还有一个目的，为有效提高电池组件能量转换，增加太阳光在电池中的光程，至少高出目前多叠层薄膜太阳能电池(以下简称叠层电池)，最高平均效率2-3个百分点，缩小与晶体硅量转换效率的差距，降低制造成本，为光伏发电真正打入水电、火电等常规电力市场开辟一条新路。[0005]本实用新型的任务是解决以上现有技术中亟待要解决的问题。提出的技术解决方案是:包括现有技术，电池内串联连接的PU P2、P3沟道，其特征在于由分别对太阳光谱中的蓝、绿、红光波段光子敏感的电池材料，包括由硅基薄膜电池和碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)电池构成顶电池，中间电池和底电池的多结叠层薄膜电池；还有顶电池窗口层的减反层；及位于中间电池和底电池之间的第一中间层，和位于顶电池与中间电池之间的第二中间层及串联连接中间电池和底电池的两条隔离线，串联中间电池碲化镉(CdTe)和底电池,且分别位于沟道P2、P3的前后。本实用新型技术特点是:中间电池的缓冲层上依次层叠第二中间层和顶电池非晶硅PIN薄膜层，及顶电池的阴极层、减反层，栅线电极。顶电池非晶硅电池本征层禁带宽度在1.7-1.8eV之间，吸收太阳光中蓝光；中间电池层碲化镉电池禁带宽度在1.45eV左右，吸收绿光；调整底电池铜铟镓硒的吸收层禁带宽度在1.05eV左右，吸收红光。实施本实用新型效果明显，生产过程简单，易于控制，可大批量生产。转换效率达到15%以上，良品率提高，大幅降低了生产成本。在沉积完中间层后，平行于Pl沟道，对中间层再分别刻划两条线宽小于IOOMffl的隔离线，两条隔离线相距200_500Mffl，可在这两条隔离线中间进行后续的刻划P2、P3。分步刻划法，避免和减少了中间层与电极短路的产品不良率。铜铟镓硒作底电池，非晶硅薄膜电池，Na钠元素向底电池扩散对于铜铟镓硒太阳能电池来说，不会降低性能，反而会增强其吸收层的光电功能转换能力。避免了非晶硅长期在室外应用过程遇到的一个严重问题玻璃中的Na钠元素会扩散进到前电极TCO膜层中，导致TCO膜层的透过率以及导电率降低，加剧非晶硅太阳能电池的性能衰减。
以下结合附图进一步说明本实用新型创造多结叠层薄膜太阳能电池(以下简称叠层电池)的结构和工作原理。
图1、是本实用新型的三结叠层薄膜太阳能电池结构示意图。图2、是本实用新型的三结叠层薄膜太阳能电池组件分步刻划结构示意图。图2-1、是本实用新型图2中圈内I部分剖图放大图。图3、是本实用新型的三结叠层薄膜太阳能电池组件实施例2的分步刻划示意图。图4、是本实用新型实施例4结构原理示意图。见图1，本实用新型三结叠层薄膜电池的底电池6是铜铟镓硒电池，由吸收层3、缓冲层4、窗口层5与衬底I构成。本实用新型的衬底I，可选用浮法玻璃、超白玻璃等作衬底，或不锈钢、聚合物等柔性材料作衬底。铜铟镓硒电池(以下简称底电池)背接触层2为阳极，是一层导电性能较好的，厚度约0.5-2Mffl的钥Mo金属或其它金属，阳极2与衬底I之间有较好的附着力。背接触层2采用双层工艺，先后在衬底I上沉积一薄膜高阻层，再沉积一低阻层。底电池的吸收层3为PN结的P型区，厚度为1.5-3Mm，是本实用新型中铜铟镓硒底电池吸收太阳光产生光电流的核心部分。铜铟镓硒吸收层3为多晶薄膜，可以采用多元共蒸发，磁控溅射等真空沉积方法制备，也可以采用电沉积、微粒沉积、喷雾高温分解等非真空沉积方法制备。本实用新型中铜铟镓硒吸收层3的禁带宽度是通过调节各元素的比例进行，控制在1.05eV左右。缓冲层4，厚度为30-100nm，可选硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)等。窗口层5为底电池pn结的η型区，缓冲层4在低带隙的吸收层3与高带隙的底电池窗口层5之间形成过渡区，减小了两者之间的带隙台阶和晶格失配，有益于改善底电池pn结的质量。缓冲层4可以防止后续沉积窗口层对底电池吸收层3的破坏；且缓冲层4中的硫(S)元素向吸收层3中扩散，以钝化表面缺陷。缓冲层4采用热蒸发、溅射以及化学水浴等方法制备。图1中底电池窗口层5，厚度为30-100nm，为本征氧化锌等薄膜。窗口层5采用磁控溅射等方法制备，与P型区铜铟镓硒吸收层3组成异质结，是形成内建电场的核心部分。见图1，中间层电池碲化镉的阳极是第一中间层7是，厚度为20_100nm，为氧化硅、氧化铝、氧化锌等低导电率透明薄膜，或掺铝氧化锌(AZO)、掺硼氧化锌(BZO)、掺氟氧化锡(FTO)等高导电率透明薄膜。第一中间层7是形成的光陷阱结构的重要组成部分，形成前后级子电池串联连接，载流子复合中心，以减小漏电流。对第一中间层7，采用分步刻划方式，可以在后期组件进行内部串联时避免与电极的短路。第一中间层7采用溅射、化学气相沉积等制备方法。见图1，中间电池10是碲化镉电池，由吸收层8和中间缓冲层9构成，吸收层8厚度1.5-10Mffl,吸收层8在中间电池pn结的P型区，该吸收层8是一种多晶薄膜，其禁带宽度为1.45eV左右，是碲化镉吸收太阳光转化为电能输出的重要区域。用磁控溅射、热蒸发、近空间升华以及化学水浴等方法制备。缓冲层9，厚度50-200nm，为中间电池pn结的η型区，与吸收层8共同组成中间电池pn结，是形成中间电池内建电场的重要区域。缓冲层9为硫化镉(CdS)或硫化锌(ZnS)等，可以采用热蒸发、磁控溅射以及化学水浴等方法制备。见图1，第二中间层11，厚度为20_100nm，为氧化硅、氧化铝、氧化锌等低导电率透明薄膜，或掺铝氧化锌(AZO)、掺硼氧化锌(BZO)、掺氟氧化锡(FTO)等高导电率透明薄膜。可以采用磁控溅射、化学气相沉积等方式制备。第二中间层11作为载流子复合中心，连接前后级子电池，形成串联输出。类似于与第一中间层7，采用分步刻划法，避免后期组件内部串联时与电极的短路，可提高组件良率。见图1，顶电池19为p-1-n结构，P层12，i层13，η层14，P层12为硼掺杂的氢化非晶娃薄膜(P a-S1:H),厚度10-50nm,是形成内建电场的重要组成部分，P层可以采用等离子体增强化学气相(PECVD)、热丝化学气相沉积等方法制备。i层13，为本征氢化非晶硅薄膜(i a-S1:H)，其禁带宽度为1.7-1.8eV，厚度0.05-0.6Mm，是顶电池中吸收太阳光转化为电能的关键区域。可以采用等离子体增强化学气相沉(PECVD)、热丝化学气相沉积等方法制备。η层14,作为窗口层19具有较好的光透过能力，厚度为5-50nm。η层14可选磷掺杂的氢化纳晶氧化硅薄膜(n nc-SiO:H)或磷掺杂的氢化纳晶碳化硅薄膜(n nc_SiC:H)或其他宽带隙的薄膜作窗口层，η层14可以采用等离子体增强化学气相沉积等方法制备。顶电池的阴极15，厚度为100-500nm，为掺铝的氧化锌(AZO)、掺硼氧化锌(BZO)等薄膜。顶电池的阴极15，作为收集汇流输出电能。阴极15采用磁控溅射、化学气相沉积等方式制备。减反层16，厚度50-200nm，为氟化镁(MgF2)等，要求电池光谱响应波段(350nm-1400nm)具有高透过率，减弱反射损失，减反层16的折射率应为顶电池阴极15的折射率的平方根，其光学厚度应为降低反射波段波长的1/4。分别为镍(Ni)、铝(Al)栅线电极17、18，共同组成镍-铝电极，负责收集本实用新型中三叠层薄膜电池能量输出。镍电极17能够很好地改善铝电极18与顶电池阴极15 (氧化锌)之间的欧姆接触，同时镍也可以防止铝向顶电池阴极15(氧化锌)中的扩散，有利于电池的稳定性。镍电极17的厚度30-100nm，铝电极18厚度l-2Mm。镍-铝电极可以采用掩模板辅助磁控溅射或热蒸发等方式制备。见图2，本实用新型电池组件分步刻划结构示意图。其中1、2、6、7、10、11、19、15同图1。本实用新型电池制造，所说的刻划均包括激光刻划或机械刻划。传统的电池制造刻划工序P1、P2、P3分别为第一沟道20、第二沟道21、第三沟道22，Pl是在沉积完底电池背接触层2后，所进行的第一次刻划，形成绝缘沟道20。P2沟道21为第二次刻划在沉积完成顶电池主体结构膜层19之后进行刻划，去除本实用新型各层电池膜层6、10、19以及各中间层
7、11 ；22为传统第三沟道P3，在沉积完成顶电池阴极15之后进行刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19，各中间层7、11以及顶电池阴极15 ；图2、图2_1，23为第一隔离线，在沉积完第一中间层之后进行刻划，平行于第一沟道P1，刻划去除底电池主体结构膜层6以及第一中层7 ;24为本实用新型中间层后隔离线，在沉积完第一中间层之后进行刻划，平行于中间层前隔离线23，与其相距200-500Mffl，去除底电池主体结构膜层6以及第一中层7。中间层前隔离线23位于第一沟道Pl和第二沟道P2之间，且与其平行；中间层后隔离线24位于第三沟道P3外侧，且与其平行。通过分布刻划两条中间层隔离线23、24，避免了中间层与电极的短接。本实用新型制造方法和步骤包括底电池6铜铟镓硒电池的制备；超声清洗衬底1:用超声清洗衬底1，可选择以下材料中的任意一种，如浮法玻璃、超白玻璃作或不锈钢等柔性材料，作三叠层薄膜电池的衬底I ;背接触层2:将清洗后的衬底1，在其一侧用直流磁控溅射方法，双层工艺，沉积钥(Mo)层，总厚度0.5-2Mm,构成底电池的背接触层2 ；吸收层3:在背接触层2之上，用多元共蒸法制备铜铟镓硒吸收层3、或磁控溅射等真空沉积方法，或电沉积、微粒沉积、喷雾高温分解等非真空沉积制备铜铟镓硒多晶薄膜的吸收层3，其厚1.5-3Mm;池缓冲层4，采用磁控溅射、热蒸发或化学水浴等方法，在吸收层3上，沉积一层硫化镉薄膜，作为底电池的缓冲层4，厚度30-100nm ；底电池窗口层5:在底电池缓冲层4之上，采用磁控溅射等方法，沉积一层本征氧化锌薄膜为底电池窗口层5，其厚度30-100nm ；见图2-1第一中间层7，在底电池窗口层5上制备第一中间层7，可以采用磁控溅射、化学气相沉积等方法，沉积一层氧化硅或氧化铝或氧化锌等低导电率透明薄膜，或沉积一层掺硼氧化锌(BZO)或掺铝氧化锌(AZO)或掺氟氧化锡(FTO)等高导电率透明薄膜，第一中间层7，厚度为20-100nm;制备中间层电池10碲化镉电池吸收层8:在第一中间层7之上制备碲化镉吸收层8，厚度为1.5-10Mm，可以采用磁控溅射、热蒸发、近空间升华或化学水浴等任何一种方法；缓冲层9:在碲化镉吸收层8上，用磁控溅射、热蒸发或化学水浴等方法，制备一层硫化镉薄膜，缓冲层9厚度50-200nm ；第二中间层11:在缓冲层9上，用化学气相沉积、磁控溅射等方法，沉积一层氧化硅或氧化铝或氧化锌等低导电率透明薄膜，或沉积一层掺硼氧化锌(BZO)或掺铝氧化锌(AZO)或掺氟氧化锡(FTO)等高导电率透明薄膜，作为第二中间层11，厚度20-100nm;顶电池19[0034]制备p型层12:用化学气相沉积法在第二中间层11上，沉积p(p a-S1:H)型非晶硅薄膜层，厚度为10-50nm ；本征i层13:用化学气相沉积法在P层12上采，沉积本征层i非晶硅薄膜，厚度为 0.05-0.6Mm,,η型膜层14，采用化学气相沉积法在i层13上，沉积η型纳晶氧化硅薄膜14，即η层(n nc-SiO:H),厚度为 5_50nm ；顶电池阴极15:采用磁控溅射、化学气相沉积等方法，在η层14上，沉积一层低阻氧化锌薄膜作为顶电池阴极15，厚度100-500nm ；减反膜层16,在顶电池阴极15上沉积一层减反膜层16 ；镍电极17和铝电极18:在顶电池阴极15之上，采用磁控溅射或热蒸发方法，通过掩模板，依次沉积镍电极17和铝电极28，构成镍-铝栅线电极，总厚度l-2Mm ；减反层16:最后在未覆盖栅线电极的部分沉积氟化镁薄膜,厚度为50-200nm,作为减反层16。本实用新型通过刻划方式实现电池内部子电池内部串联。本实用新型创造的叠层电池组件，在底电池的背接触层2上，采用刻划方式对底电池背接触层2进行第一次Pl刻划，形成宽度5-10mm形成第一沟道20，形成各子电池内部串联的基础。Pl刻划激光波长为1064nm或532nm，刻线宽度为30_100Mm ；在第一中间层7，与Pl第一沟道20相距30_100Mffl的平行位置，刻除底电池6膜层以及第一中间层7，形成中间层前隔离线23，刻线宽度为50-100Mffl ;在平行于第一中间层7的前隔离线23，与其相200-500Mm的位置刻划，去除构成底电池6的各膜层3、4、5及第一中间层7，形成隔离线24，刻线宽度为50-100Mm ；沉积顶电池19后，在前隔离线23和后隔离线24之间，且与前隔离线23距离30-100Mffl的平行位置，采用机械或激光刻划，去除本实用新型叠层电池各膜层6、10、19及中间层7、11的膜层，形成P2第二沟道21，实现本实用新型叠层电池组件相邻节电池的内部串联。第二沟道21刻线宽度为50-100Mm;沉积顶电池阴极15后，在中间层前隔离线23和后隔离线24之间，且与后隔离线24距离30-100Mffl的平行位置刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19，各中间层7、11以及顶电池阴极15，形成P3第三沟道22。第三沟道22的刻线宽度为50_100Mm。所说的子电池是指构成叠层薄膜太阳能电池各层电池，包括顶电池、中间电池、底电池。中间层的引入增加了太阳光在电池内部的反射次数，和电池吸收层内的光程，形成光陷阱结构，提高了电池对太阳光的吸收效率。太阳光由窗口层栅线电极入射，依次经顶电池、中间电池、底电池。顶电池对太阳光中大部分蓝光波段光子敏感；中间电池碲化镉电池吸收层，对太阳光光谱中绿光波段比较敏感；底电池铜铟镓硒，侧重对太阳光中红光波段部分重点吸收利用。分步刻划可以层避免和减少电极短接，克服后期组件内部串联时短接，减少产品不良率。值得说明本实用新型的分步刻划，不同于中国发明200710148695.8已公开的叠层薄膜太阳能电池的刻划方式，本实用新型沉积完中间层后，平行于Pl沟道，对中间层再分别刻划两条线宽小于IOOMffl的隔离线，避免Pl沟道过宽影响刻划精度，并在两条隔离线中间进行后续P2、P3刻划，其精度高和稳定性好。具体实施例例1，图1、图2、和图2-1是本实用新型创造的实施例图采用超白玻璃作为衬底，铜铟镓硒底电池采用多元共蒸发三步法制备，碲化镉中间电池采用磁控溅射方法制备，非晶硅顶电池采用等离子体增强化学气相沉积技术制备，其中第一中间层采用BZO透明导电薄膜，第二中间层采用氧化硅低电导率透明薄膜。制造如下:以超白玻璃作为本实用新型三叠层薄膜电池的沉积衬底1，经过超声清洗以及自动光学检测缺陷之后，在其一侧采用直流磁控溅射方法，通过调节氩气压力，依次在高气压下沉积一层高阻钥(Mo)层，再在低气压下沉积一层低阻钥(Mo)层，总厚度IMffl，构成底电池背接触层2 ； 底电池6生产过程包括背接触层2:基板温度280°C，首先共蒸发制备铟、镓、硒预置层(Ina7Gaa3)2Se3 ；铜铟镓硒吸收层3，将基板温度升高至560°C，共蒸发铜、硒，直至薄膜稍微富铜；共蒸发铟、镓、硒，在薄膜表面形成富铟薄层，最终得到化学计量比Cu1Ina7Gaa3Se2多晶薄膜，即厚度为1.5Mm;缓冲层4:在铜铟镓硒吸收层3之上，采用磁控溅射方法，使用硫化镉靶，基板温度2000C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为底电池缓冲层4，厚度50nm ；窗口层5:基板温度200°C，用氧化锌靶材，磁控溅射，在底电池的缓冲层4上，溅射沉积一层本征氧化锌薄膜，作为底电池窗口层5，厚度50nm，电阻率为100-500 Ω.cm ；第一中间层7:在底电池窗口层5之上,米用低气压化学气相沉积(LPCVD)方法，使用二乙基锌作为锌源、气态去离子水作为氧源、乙硼烷作为硼源，基板温度160°C，沉积一层掺硼氧化锌(BZO)薄膜，作为第一中间层7，厚度50nm ；中间电池10是碲化镉电池，由吸收层8和缓冲层9构成吸收层8:在第一中间层7之上，采用磁控溅射方法，使用碲化镉靶材，基板温度150°C，溅射制备一层碲化镉薄膜，作为碲化镉吸收层8，厚度为1.5Mm ；缓冲层9:在碲化镉吸收层8之上，采用磁控溅射方法，使用硫化镉靶，基板温度150°C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为中间电池缓冲层9，厚度IOOnm ；第二中间层11:在中间电池缓冲层9之上，采用化学气相沉积法，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，沉积一层低电导率氧化硅薄膜，作为第二中间层11，厚度20nm ；顶电池19为非晶硅电池采用硅烷作硅源，顶电池19为非晶硅p-1-n结构，硅烷作硅源，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)形成P层12:在中间层11上沉积P型非晶硅薄膜层，基板温度180°C，用硼烷或三甲基硼作P型掺杂气体，P层12 (P a-S1:H)的厚度为15nm ；本征i层13:在P层12上沉积本征i层13，本征i层为非晶硅(i a_S1:H)型，厚度为300nm，基板温度180°C 3 ；η层14:在i层13上，基板温度160°C，η型掺杂气体用磷烷，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，通过高氢稀释，沉积制备一层η型纳晶氧化硅薄膜，η层(n nc-SiO:H),厚度为15nm ；顶电池的阴极15:在η层14之上，采用磁控溅射法，基板温度120°C，使用AZO (掺铝氧化锌)靶材，沉积一层AZO薄膜，作为顶电池阴极15，厚度500nm ；镍电极17和铝电极28:在顶电池阴极15用磁控溅射法，用镍靶和铝靶，通过掩模板，依次沉积镍电极17和铝电极28，总厚度1.5Mm构成镍-铝栅线电极，基板I温度120°C;减反层16:最后，采用磁控溅射方法，在未覆盖栅线电极的部分沉积氟化镁薄膜，厚度为120nm,作为减反层16。用分步刻划法实现本实用新型电池内部串联沉积完成底电池背接触层2后，采用波长1064nm的激光对底电池背接触层2进行Pl划线，将之分割形成宽度8mm的条状，形成Pl的第一沟道20，刻线宽度为35Mm ；如图2所示，沉积完成第一中间层7后，在与第一沟道20相距50Mm的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除底电池6和第一中间层7各膜层，形成中间层前隔离线23，刻线宽度为60Mm ；平行于中间层的前隔离线23，相距300Mm的位置，机械刻划，去除底电池主体结构膜层6以及第一中间层7，形成中间层7后隔离线24，刻线宽度为60Mffl ；如图2所示，沉积完成顶电池主体结构膜层19之后，在中间层前隔离线23和中间层后隔离线24之间，且与前隔离线23距离50Mm的平行位置，机械刻划去除本实用新型的底电池6的铜铟镓硒电池和中间电池10主体结构膜层、10、19以及各中间层7、11，形成P2第二沟道21，刻线宽度为75ΜΠ1;沉积完成顶电池阴极15之后，在中间层前隔离线23和中间层后隔离线24之间，且与后隔离线24距离50Mm的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19，各中间层7、11以及顶电池阴极15，形成P3第三沟道22，刻线宽度为75Mm ;至此本实用新型三叠层电池组件制造完毕。例2超白玻璃作衬底1，底电池6铜铟镓硒采用多元共蒸发两步法制备，中间电池10，碲化镉电池，采用磁控溅射制备，非晶硅顶电池采用等离子体增强化学气相沉积技术制备，其中第一中间层采用氧化硅低电导率透明薄膜，第二中间层采用AZO透明导电薄膜。沉积衬底1，经过超声清洗以及自动光学检测缺陷之后，在其一侧采用直流磁控溅射方法，通过调节氩气压力，依次在高气压下沉积一层高阻钥(Mo)层，再在低气压下沉积一层低阻钥(Mo)层，总厚度1.δμπι,构成底电池6的背接触层2 ；背接触层2:采用多元共蒸发方法，衬底温度420°C，共蒸发制备富铜的CIGS预置层，较小的晶粒尺寸和较低的电阻率；吸收层3:将基板温度升高至530°C，共蒸法制备贫铜的CIGS预置层，具有较大的晶粒尺寸和较高的电阻率，铜铟镓硒吸收层3，总厚度为1.8Mm ；缓冲层4:在铜铟镓硒吸收层3上，采用磁控溅射方法，用硫化镉靶，衬底I温度180 0C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，厚度30nm ；窗口层5:在底电池6的缓冲层4之上，采用磁控溅射方法，使用氧化锌靶材，衬底衬底6，温度180°C，溅射沉积一层本征氧化锌薄膜，作为底电池，厚度30nm，电阻率为100-500 Ω.cm ;第一中间层7:在底电池窗口层5上，米用化学气相沉积法，娃焼为娃源，二氧化碳作为氧源，沉积一层低电导率氧化硅薄膜，厚度50nm ；中间电池碲化镉的吸收层8:在第一中间层7之上，采用磁控溅射方法，使用碲化镉靶材，衬底温度160°C，溅射制备一层碲化镉薄膜，作为碲化镉吸收层8，厚度为1.6Mm ；中间电池碲化镉缓冲层9:在碲化镉吸收层8之上，采用磁控溅射方法，使用硫化镉靶，衬底温度160°C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为中间电池缓冲层9，厚度SOnm ；第二中间层11:在中间电池10的缓冲层9上，用磁控溅射法，使用AZO (掺铝氧化锌)靶材，衬底温度160°C，溅射沉积一层低阻氧化锌薄膜，作为第二中间层11，厚度30nm ；顶电池19包括非晶硅p-1-n结构的P层12，在第二中间层11之上，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，衬底温度180°C，使用硼烷或三甲基硼作为P型掺杂气体，采用硅烷作为硅源，沉积制备一层P型(P a-S1:H)膜层，厚度为20nm ；非晶硅p-1-n结构i层13:在P层12上，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，衬底温度180°C，使用硅烷作为硅源，沉积一层i层(i a-S1:H)薄膜，厚度为200nm ；非晶硅p-1-n结构η层14:在i层13之上，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，衬底温度160°C，使用磷烷作为η型掺杂气体，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，通过高氢稀释，沉积一层η型纳晶氧化娃(n nc-SiO:H)膜层，厚度为IOnm;顶电池19阴极15:在η层14上，用磁控溅射法，衬底温度120°C，使用AZO (掺铝氧化锌)靶材，沉积一层AZO薄膜，作为顶电池阴极15，厚度450nm ；在顶电池阴极15之上，采用磁控溅射方法，基板温度120°C，使用镍靶和铝靶，通过掩模板，依次沉积镍电极17和铝电极28，构成镍-铝栅线电极，总厚度2Mm ；最后，采用磁控溅射方法，在未覆盖栅线电极的部分沉积氟化镁薄膜，厚度为125nm，作为减反层16。内部串联刻划方法如下:沉积完成底电池背接触层2之后，采用波长1064nm的激光对底电池背接触层2进行划线(P1)，将之分割形成宽度8mm的条状，形成Pl第一沟道20，刻线宽度为50Mm ；如图3所示，沉积完成第二中间层11之后，在与第一沟道20相距60Mm的平行位置，刻划去除底电池6、中间电池10及第一中间层7，形成中间层7前隔离线23，刻线宽度为60Mffl ;在平行于中间层前隔离线23，且相距400Mffl的位置，刻划去除底电池6、10和第一中间层7膜层，形成中间层后隔离线24，刻线宽度为60Mffl ；如图3所示，沉积完顶电池19后，在中间层前隔离线23和中间层7的隔离线24之间，与前隔离线23距离SOMffl的平行位置，刻划去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19以及各中间层7、11，形成P2第二沟道21，刻线宽度为80Mm ；如图3所示，沉积完成顶电池阴极15之后，在中间层前隔离线23和中间层后隔离线24之间，且与后隔离线24距离SOMffl的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19，各中间层7、11以及顶电池阴极15，形成P3第三沟道22，刻线宽度为80Mm ;至此本实用新型三叠层电池组件制造完毕。例3实施例图同例I[0099]用不锈钢作柔性衬底，铜铟镓硒底电池6，用电沉积法制备，碲化镉中间电池10，用磁控溅射方法制备，非晶硅顶电池19用等离子体增强化学气相沉法制备，第一中间层7采用AZO透明导电薄膜，第二种中间层11采用氧化硅低电导率透明薄膜。制造以不锈钢为本实用新型三叠层薄膜电池的衬底1，超声清洗，在其一侧采用直流磁控溅射法，通过调节氩气压力，依次在高气压下沉积一层高阻钥(Mo)层，再在低气压下沉积一层低阻钥(Mo)层，总厚度2Mm，构成底电池背接触层2 ；底电池在背接触层2之上，采用电沉积方法制备铜铟镓硒薄膜:沉积过程在氯化物酸性溶液中进行，以氯化铜(CuCl2)、氯化铟(InCl3)、氯化镓(GaCl3)、氧化硒(SeO2)为主盐，并加入柠檬酸等络合剂，控制溶液PH值为2-4，恒电位-0.5V，在室温下进行电镀，得到铜铟镓硒薄膜，厚度为2Mm;在铜铟镓硒吸收层3之上，采用磁控溅射方法，使用硫化镉靶，基板温度200°C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为底电池缓冲层4，厚度60nm ；在底电池缓冲层4之上，采用磁控溅射方法，使用氧化锌靶材，基板温度200°C，溅射沉积一层本征氧化锌薄膜，作为底电池窗口层5，厚度60nm，电阻率为100-400 Ω.cm ；底电池6的窗口层5，用磁控溅射法，AZO (掺铝氧化锌)靶材，衬底温度180°C，溅射沉积一层低阻氧化锌薄膜，作为第一中间层7，厚度50nm ；在第一中间层7之上，采用磁控溅射方法，使用碲化镉靶材，基板温度160°C，溅射制备一层碲化镉薄膜，作为碲化镉吸收层8，厚度为1.8Mm ；在碲化镉吸收层8之上，采用磁控溅射方法，使用硫化镉靶，基板温度160°C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为中间电池缓冲层9，厚度SOnm ；在中间电池缓冲层9之上，采用化学气相沉积方法，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，沉积一层低电导率氧化硅薄膜，作为第二中间层11，厚度30nm;在第二中间层11之上，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，衬底温度180°c，使用硼烷或三甲基硼作为P型掺杂气体，采用硅烷作为硅源，沉积制备一层P型非晶娃薄膜，即P层(P a-S1:H),厚度为IOnm,作为非晶娃顶电池p-1-n结构的P层12 ;在P层12之上，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，基板温度180°C，使用硅烷作为硅源，沉积制备一层本征非晶硅薄膜，即i层(i a-S1:H),厚度为lOOnm，作为非晶硅顶电池p-1-n结构的i层13 ;在i层13之上，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，基板温度160°C，使用磷烷作为η型掺杂气体，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，通过高氢稀释，沉积制备一层η型纳晶氧化娃薄膜，即η层(n nc_SiO:H),厚度为5nm,作为非晶娃顶电池p_i_n结构的η层14 ；在η层14之上，采用磁控溅射方法，基板温度120°C，使用AZO (掺铝氧化锌)靶材，沉积一层AZO薄膜，作为顶电池阴极15，厚度400nm ；在顶电池阴极15上，用磁控溅射法，基板温度100°C，使用镍靶和铝靶，通过掩模板，依次沉积镍电极17和铝电极28，构成镍-铝栅线电极，总厚度2Mm ；最后，采用磁控溅射方法，在未覆盖栅线电极的部分沉积氟化镁薄膜，厚度为150nm,作为减反层。本实用新型三叠层电池内部串联刻划方法:[0115]沉积完成底电池背接触层2之后，采用波长532nm的激光对底电池背接触层2进行划线(P1)，将之分割形成宽度8mm的条状，形成Pl第一沟道20，刻线宽度为图2所示，沉积完成第一中间层7之后，在与第一沟道20相距50Mm的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除底电池主体结构膜层6以及第一中间层7，形成中间层前隔离线23，刻线宽度为70Mm ;在平行于中间层前隔离线23，且与其相距500Mm的位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除底电池主体结构膜层6以及第一中间层7，形成中间层后隔离线24，刻线宽度为70Mm;如图2所示，沉积完成顶电池主体结构膜层19之后，在中间层前隔离线23和中间层后隔离线24之间，且与前隔离线23距离IOOMffl的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19以及各中间层7、11，形成P2第二沟道21，刻线宽度为IOOMm;如图2所示，沉积完成顶电池阴极15后，在中间层前隔离线23和中间层后隔离线24之间，与后隔离线24距离IOOMffl的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19，各中间层7、11以及顶电池阴极15，形成P3第三沟道22，刻线宽度为IOOMm ；至此本实用新型三叠层电池组件制造完毕。例4采用超白玻璃作为衬底，铜铟镓硒底电池采用多元共蒸发三步法制备，碲化镉中间电池采用磁控溅射方法制备，非晶硅顶电池采用等离子体增强化学气相沉积技术制备，其中第一中间层和第二中间层均采用氧化硅低电导率透明薄膜。制造如下:超白玻璃作衬底I，超声清洗以及自动光学检测缺陷后，在其一侧采用直流磁控溅射方法，通过调节氩气压力，依次在高气压下沉积一层高阻钥(Mo)层，再在低气压下沉积一层低阻钥(Mo)层，总厚度lMffl，构成底电池背接触层2 ；在背接触层2上，采用多元共蒸发方法，衬底I温度280°C，首先共蒸发制备铟、镓、硒预置层(Ina7Gaa3)2Se3 ;将基板温度升高至560°C，共蒸发铜、硒，直至薄膜稍微富铜；共蒸发铟、镓、硒，在薄膜表面形成富铟薄层，最终得到化学计量比Cu1Ina7Gaa3Se2多晶薄膜，即铜铟镓硒吸收层3，厚度为1.5Mm ；在铜铟镓硒吸收层3之上，采用磁控溅射方法，使用硫化镉靶，基板温度200°C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为底电池缓冲层4，厚度40nm ；在底电池缓冲层4之上，采用磁控溅射方法，使用氧化锌靶材，基板温度200°C，溅射沉积一层本征氧化锌薄膜，作为底电池窗口层5，厚度40nm，电阻率为100-500 Ω.cm ；在底电池窗口层5之上,米用化学气相沉积方法,娃烧作为娃源,二氧化碳作为氧源，沉积一层低电导率氧化硅薄膜，作为第一中间层7，厚度40nm ；在第一中间层7上，磁控溅射，用碲化镉靶材，基板温度150°C，溅射制备一层碲化镉薄膜，作为碲化镉吸收层8，厚度为1.5Mm ；在碲化镉吸收层8之上，磁控溅射，用硫化镉靶，衬底I的温度150°C，溅射沉积一层硫化镉薄膜，作为中间电池缓冲层9，厚度60nm ；在中间电池缓冲层9之上，采用化学气相沉积方法，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，沉积一层低电导率氧化硅薄膜，作为第二中间层11，厚度30nm;在第二中间层11上，用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，衬底温度180°C，使用硼烷或三甲基硼作为P型掺杂气体，采用硅烷作为硅源，沉积制备一层P型非晶硅薄膜，即P层(P a-S1:H),厚度为20nm,作为非晶娃顶电池p-1-n结构的P层12 ;在P层12上，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，基板温度180°C，使用硅烷作为硅源，沉积制备一层本征非晶硅薄膜，即i层(i a-S1:H),厚度为280nm，作为非晶硅顶电池p-1-n结构的i层13 ;在i层13之上，用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，基板温度160°C，磷烷作为η型掺杂气体，硅烷作为硅源，二氧化碳作为氧源，通过高氢稀释，沉积制备一层η型纳晶氧化娃薄膜，即η层(n nc-SiO:H),厚度为IOnm,作为非晶娃顶电池p_i_n结构的η层14；在η层14上，采用磁控溅射方法，基板温度120°C，使用AZO (掺铝氧化锌)靶材，沉积一层AZO薄膜，作为顶电池阴极15，厚度500nm ；在顶电池阴极15之上，采用磁控溅射方法，基板温度120°C，使用镍靶和铝靶，通过掩模板，依次沉积镍电极17和铝电极28，构成镍-铝栅线电极，总厚度1.5Mffl ；最后，采用磁控溅射方法，在未覆盖栅线电极的部分沉积氟化镁薄膜，厚度为120nm,作为减反层。组件生产过程中内部串联刻划如沉积完底电池6背接触层2后，用波长1064nm的激光对底电池背接触层2进行划线(Pl)，将之分割形成宽度8mm的条状，形成Pl第一沟道20，刻线宽度为35Mm ；如图4所示，沉积完成顶电池主体结构膜层19之后，在与第一沟道20相距50Mm的平行位置，采用机械刻划方式进行刻划，去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19以及各中间层7、11，形成P2第二沟道21，刻线宽度为60Mm;如图4所示，沉积完顶电池阴极15后，在与第二沟道21相距50um的平行位置，用机械刻划去除本实用新型三叠层电池各层主体结构膜层6、10、19和各中间层7、11以及顶电池阴极15，形成P3第三沟道22，刻线宽度为60Mffl ;至此本实用新型三叠层电池组件制造完毕。
权利要求1.一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，包括电池串联连接的Pl (20)、P2 (21)、P3(22)沟道，其特征在于由分别对太阳光谱中的蓝、绿、红光波段光子敏感的电池材料，包括由硅基薄膜电池和碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)电池构成顶电池(19)、中间电池(10)和底电池(6)的多结叠层薄膜电池； 还包括顶电池窗口层的减反层；及 位于中间电池(10 )和底电池(6 )之间的第一中间层(7 )，和位于顶电池(19 )与中间电池(10 )之间的第二中间层(11);及 串联连接中间电池(10)和底电池(6)的隔离线(23)、(24)。
2.根据权利要求1所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于底电池铜铟镓硒(CIGS) (6)以玻璃或不锈钢基材为衬底(1)，依次沉积背接触层(2)和铜铟镓硒吸收层(3)、缓冲层(4)及氧化锌窗口层(5)。
3.根据权利要求1所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于隔离线是两条(23、24)，串联中间电池碲化镉(CdTe) (10)和底电池(6)，且分别位于沟道P2 (21)、P3 (22)的前后。
4.根据权利要求1所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于第一中间层(7 )为导电薄膜，且位于底电池(6 )铜铟镓硒窗口层(5 )上和中间电池(10 )碲化镉电池吸收层(8)之间。
5.根据权利要求4所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于中间电池(10)的缓冲层上依次层叠第二中间层(11)和顶电池(19)非晶硅PIN薄膜层，及顶电池(19)的阴极层(15)、减反层(16)，栅线电极。
6.根据权利要求1所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于调整叠层薄膜太阳能电池各项参数，包括其中顶电池(10)非晶硅电池本征层禁带宽度在1.7-1.SeV之间,侧重吸收太阳光中蓝光。
7.根据权利要求6所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于调整叠层薄膜太阳能电池各项参数，还包括调整中间电池碲化镉电池禁带宽度在1.45eV左右，侧重吸收绿光。
8.根据权利要求7所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于调整叠层薄膜太阳能电池各项参数，还包括其中调整底电池(6)铜铟镓硒电池吸收层禁带宽度在1.05eV左右，侧重吸收红光。
9.根据权利要求6-8任意一项所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于匹配形成多结叠层电池，包括增加其电池光程的第一中间层(7)和第二中间(11)，和防止电池内串联短路、漏电的隔离线(23、24)。
10.根据权利要求9所述的一种高效节能的叠层薄膜太阳能电池，其特征在于为增加电池光程，形成光陷阱，复合载流子，降低漏电流的第一中间层(7)是位于底电池(6)与中间电池(10)之间； 第二中间层(11)是位于中间电池(10)与顶电池(19)之间，以上所说中间层均为低电导率膜层。
专利摘要本实用新型公开了一种高效节能多结层薄膜太阳能电池，属于太阳能光伏制造领域。目的选择匹配对太阳光谱中蓝、绿、红光吸收敏感电池材料，构成高效节能的三结薄膜电池，其效率接近晶体硅电池达15%。顶电池非晶硅本征层禁带宽度1.7-1.8eV；中间电池碲化镉禁带宽度1.45eV；底电池铜铟镓硒吸收层禁带宽度在1.05eV左右。引入中间层增加光程，形成光陷阱，前后隔离线减少电池组件内部串联短接，降低成本和产品不良率。
文档编号H01L31/078GK202996874SQ20122070154
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者李毅 申请人:深圳市创益科技发展有限公司